Bab 4UNSUR METALOGRAFI DALAM PROSES ENGINEERING MATERIALS – Part 1

• Industri-industri dalam sektor “logam dasar dan pemesinan’” tumbuh dimana-mana

dengan segala tingkat teknologi dari yang canggih dan masih berproduksi secara

tradisional. Pengadaan bahan baku dan bahan setengah jadi untuk industri seperti yang

tersebut di atas disamping memerlukan teknologi juga merupakan masalah nasional,

karena itu industri ini termasuk dalam jajaran “industri strategis”.

• Beberapa contoh kebutuhan produksi nasional dari berbagai sektor industri yang pada

dasarnya berlandaskan teori Teknik Pembentukan Material :

1. Industri Besi dan Baja

2. Industri Logam Berwarna/ Non Ferros

3. Industri Mesin Perkakas

4. Industri alat-alat berat

DIAGRAM FASSA

Diagram Fasa Baja Karbon

• Diagram Fasa adalah diagram yang menampilkan hubungan antara

temperatur dimana terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan dan

pemanasan yang lambat dengan kadar karbon. Tidak seperti struktur logam

murni yang hanya dipergunakan oleh suhu, sedang akan struktur paduan

dipengaruhi oleh suhu dan komposisi. Dibawah ini adalah bentuk dari

diagram fasa pada baja karbon.

DIAGRAM FASSA

Sumber: http://ariadisuhermanto.blogspot.com/2014/01/diagram-fasa-baja-karbon.html

DIAGRAM FASSAFasa – fasa yang ada di diagram fasa dapat dijelaskan sebagai berikut:

1. Austenit Fasa ini hanya mungkin ada pada baja di temperatur tinggi .Austenit memiliki sel satuan FCC yang mengandung unsur karbon maksimum hingga 1,7 %.

2. Ferit (disimbolkan dengan α). Fasa ini memilikibentuk sel satuan BCC yang hanya dapat “menampung”unsur karbon maksimum 0,025 % pada temperatur 123O.

3. Karbon unsur ini merupakan atom interstisi yang berukuran sangat kecil yang cenderung menyisipdiantara atom – atom besi.Karbon dapat memperkuat baja dan meningkatkan kemampuan untukdikeraskan melalui perlakuan panas (heat tratment). Unsur ini juga merupakan salah satu penyebabterjadinya retak pada pengelasan baja karbon, Terutama bila kadar karbonya melebihi 0,25%.

4. Simentit (Fe3C).Tidak seperti ferit dan austenit, simentit merupakan senyawa bersifat sangat kerasyang mengandung s/d 6,67%c. Simentit sangat keras, tetapi bila bercampur dengan ferit yang lunakmaka kekerasan keduanya menurun. Campuran ferit dengan simentit ini bisa disebut Perlit. Laju pendinginan lambat menghasilkan perlit kasar, sehingga bajanya mudah dikerjakan dimesin tetapi memilikiketangguhan rendah. Laju pendinginan cepat menghasilkan perlit halus, bersifat keras dan lebih tangguh.

5. Perlit. Campuran ferit dan simentit berlapis dalam suatu struktur butir disebut dengan perlit. Jarak Antara pelat – pelat simentit dalam perlit tergantung pada laju pendinginan baja. Laju pendinginan lebih cepat menghasilkan jarak yang cukup rapat, sedangakan laju pendinginanlambat menghasilkan jarak yang semakin jauh/kasar.

DIAGRAM FASSA

Diagram Fe-Fe3C adalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dan kandungan karbon (%C) selama pemanasan lambat. Dari diagram fasa tersebut dapat diperoleh informasi-informasi penting yaitu antara lain :

1. Fasa yang terjadi pada komposisi dan temperatur yang berbeda dengan pendinginan lambat.2. Temperatur pembekuan dan daerah-daerah pembekuan paduan Fe -C bila dilakukan

pendinginan lambat.3. Temperatur cair dari masing-masing paduan.4. Batas-batas kelarutan atau batas kesetimbangan dari unsur karbon fasa tertentu.5. Reaksi-reaksi metalurgis yang terjadi.

DIAGRAM FASSABesi merupakan salah satu logam yang memiliki sifat allotropi. Sifat allotropi yang dimiliki besi sendiri ada 3, yaitu :

• Delta iron (δ) mampu melarutkan karbon max 0,1% pada 1500° C• Gamma iron (γ) mampu melarutkan karbon max 2 % pada 1130° C• Alpha iron (α) mampu melarutkan karbon max 0,025% pada 723° C

Gambar 1. Kurva pendinginan besi murni

Sumber:http://fajrisaputra.blogspot.com/2011/04/diagram-fasa-fe-fe3c_16.html

DIAGRAM FASSA

Transformasi allotropik yang pada besi, Fe(δ) ,Fe(γ), Fe(α) terjadi secara difusisehingga membutuhkan waktu tertentu pada temperatur konstan karena reaksimengeluarkan panas laten.

Diagram Fase Besi – Karbon

Dalam kondisi cair karbon dapat larut dalam besi. Dalam kondisi padat besi dankarbon dapat membentuk :• Larutan padat (solid solution)• Senyawa interstitial (interstitial compound)• Eutectic mixture : campuran antara austenite (γ) dan cementite (Fe3C)• Eutectoid mixture : campuran antara ferrite (α) dan cementite (Fe3C)• Grafit : karbon bebas, tidak membentuk larutan padat ataupun tidak berikatanmembentuk senyawa dengan Fe.

DIAGRAM FASSAStruktur-struktur yang ada pada diagram fase besi – karbida besi :

• Cementite :– Interstitial compound– Karbida besi (Fe3C)– Keras dan getas– Kekuatan tarik rendah– Kekuatan tekan tinggi– Struktur kristal orthorhombic– Struktur paling keras pada diagram Fe-Fe3C

• Austenite (γ)– Interstitial solid solution; larutan padat karbon dalam besi γ– Struktur kristal FCC (face centered cubic, kubus pemusatan bidang)– Kelarutan karbon max 2 % pada temperatur 1130 C– Tensile strength 1050 kg/cm2– Tangguh– Biasanya tidak stabil pada temperatur kamar

DIAGRAM FASSA

• Ledeburite– eutectic mixture (γ+Fe3C)– Campuran terdiri dari austenite dan cementite– Mengandung 4,3 % berat karbon– Terbentuk pada temperatur 1130 C (2065 F)

• Ferrite (α)– Interstitial solid solution– Larutan padat karbon dalam besi α– Pada temperatur 723 C, batas kelarutan karbon 0,025 %– Pada temperatur kamar, batas kelarutan karbon 0,008 %– Pada temperatur 1492 C, batas kelarutan karbon 0,1 %– Tensile strength rendah– Keuletan tinggi– Kekerasan < 90 HRB– Struktur paling lunak pada diagram Fe-Fe3C

• Pearlite– Eeutectoid mixture dari ferrite dan cementite

(α+Fe3C)– Terjadi pada temperatur 723 C– Mengandung 0,8 % karbon

DIAGRAM FASSA

Garis-garis penting dalam diagram Fe-Fe3C

1. Upper critical temperature (temperatur kritis atas), A3 : temperatur

perubahan

allotropi

2. Lower critical temperature (temperatur kritis bawah), A1 : temperatur reaksi

eutectoid

3. Solvus line Acm : menunjukkan bats kelarutan karbon dalam austenite

DIAGRAM FASSA

Diagram fasa Fe – Fe3C

Reaksi-reaksi yang terjadi pada diagram Fe – Fe3C• Reaksi Peritectic pada temperatur 1540 C:S + L ↔ S1δ + L ↔ γ

• Reaksi Eutectic pada temperatur 1130 C :L ↔ S1 + S2L ↔ γ + Fe3C (ledeburite)

• Reaksi Eutectoid pada temperatur 723 C :S ↔ S1 + S2γ ↔ α + Fe3C (pearlite)

VIDEO PEMBUATAN BAJA (STEEL)

Courtesy from youtube.com

PELEBURAN BAJA

Di dalam proses peleburan baja terdiri dari beberapa proses yaitu.

1. Proses Konverter

2. Proses Martin

3. Proses Dapur Listrik (untuk baja campuran)

1. PROSES KONVERTER

Dapur listrik digunakan untuk pembuatan baja yang tahan terhadap suhu tinggi. Dapur ini mempunyai keuntungan-keuntungan sebagai berikut,

a. Jumlah panas yang diperlukan dapat dapat diatur sebaik-baiknya.b. Pengaruh zat asam praktis tidak ada.c. Susunan besi tidak dipengaruhi oleh aliran listrik.

Sedangkan kekurangannya adalah harga listrik yang mahal. Dapur listrik dibagi menjadi dua kelompok yaitu dapur listrik busur cahaya dan dapur listrik induksi.

1. PROSES KONVERTER

Dimana proses konverter adalah salah satu proses dari dapur baja yang menggunakanbatu bata tahan api yang bersifat asam dan juga batu bata yang bersifat basa. Fungsi dari pada batu bata tahan api tersebut adalahmenahan panas dan mampu sampai lebih dari 1000 derajat Celcius. Biasa digunakan pada incinerator, cerobong, kiln, dryer, rotary, dll. Batu bata tahan api seniri diperlukan oleh setiap industri yang dalam pengolahan produksinya mengunakan Tungku Pembakaran (Furnace), Ketel Uap (boiler), dan Tungku Peleburan.

1. PROSES KONVERTER

http://bangkusekolah-id.blogspot.com/2012/11/peroses-peleburan-bijih-besi-iron-ores.html

1. PROSES KONVERTER

Contoh-contoh proses konverter:

1.1 Proses Bessemer

Konvertor Bessemer adalah sebuah bejana baja dengan lapisan batu tahan api yang bersifat

asam. Dibagian atasnya terbuka sedangkan pada bagian bawahnya terdapat sejumlah

lubang-lubang untuk saluran udara. Bejana ini dapat diguling-gulingkan.

1.2 Proses Thomas

• Konvertor Thomas juga disebut konvertor basa dan prosesnya adalah proses basa, sebab

batu tahan apinya bersifat basa serta digunakan untuk mengolah besi kasar yang bersifat

basa. Muatan konvertor Thomas adalah besi kasar putih yang banyak mengandung fosfor.

• Proses pembakaran sama dengan proses pada konvertor Bessemer, hanya saja pada proses

Thomas fosfor terbakar setelah zat arangnya terbakar. Pengaliran udara tidak terus-menerus

dilakukan karena besinya sendiri akan terbakar.

1. PROSES KONVERTER

1.3 Proses Oksidasi

Proses oksidasi menghilangkan pengotor seperti silikon, mangan dan karbon

sebagai oksida yang akan membentuk gas ataupun terak padat. Lapisan tahan

panas konverter juga memainkan peran dalam lapisan tanah liat yang

konversinya menggunakan dalam asam Bessemer, dimana ada rendah fosfor

dalam bahan baku. Dolomit digunakan ketika kandungan fosfor tinggi di dasar

Bessemer (kapur atau magnesit pelapis juga kadang-kadang digunakan

sebagai pengganti dolomit). Dalam rangka memberikan baja sifat yang

diinginkan, zat lainnya dapat ditambahkan ke baja cair saat konversi selesai

adalah spiegeleisen (karbon-mangan paduan besi).

1. PROSES KONVERTER

1.4 Proses Linz Donawitz (LD)

Mula-mula konventer dimiringkan, kemudian besi-besi bekas disusul dengan besi kasar cair dimasukkan ke dalam konventer. Tahap berikutnya, oksigen disemburkan dari atas selama 10-20 menit. Karena di atas permukaan yang kontak dengan pipa sembur oksigen terjadi temperatur pembakaran yang tinggi, maka Phosphor akan terbakar terlebih dahulu baru kemudian Karbon. Dengan demikian Kadar P yang dicapai bisa lebih baik, yaitu 0.05%. Besi bekas yang bisa diikutsertakan untuk pembuatan baja hanya 40%.

2. PROSES MARTIN

Proses lain untuk membuat baja dari bahan besi kasar adalah menggunakan

dapur Siemens Martin yang sering disebut proses Martin.

Dapur ini terdiri atas satu tungku untuk bahan yang dicairkan dan biasanya

menggunakan empat ruangan sebagai pemanas gas dan udara. Pada proses ini

digunakan muatan besi bekas yang dicampur dengan besi kasar sehingga

dapat menghasilkan baja dengan kualitas yang lebih baik jika dibandingkan

dengan baja Bessemer maupun Thomas.

Furnace atau tungku yang digunakan biasanya disebut dengan Open-Heart Furnace

2. PROSES MARTIN

http://harizsanderos69.blogspot.com/2013/04/dapur-siemens-martin.html

Contoh-contoh Proses Martin

2.1 Proses Hoecsch

Proses Hoecsch merupakan penyempurnaan dari proses Martin. Caranya adalah setelah

muatan di dalam dapur Siemens Martin mencair kemudian langsung dikeluarkan dan

dimasukkan dalam kuali yang terbuka untuk membakar fosfor dan belerang. Sementara

pembakaran dilakukan dapur Siemens Martin dibersihkan dan kemudian lantai dapur ditaburi

dengan serbuk bijih besi (Fe2O3 atau Fe3O4). Setelah selesai mengadakan pembakaran

fosfor, belerang dan besi cair yang berada di dalam kuali tadi dimasukkan kembali ke dalam

dapur Siemens Martin untuk menyelesaikan pembakaran unsur-unsur lain yang belum hilang,

terutama zat arang. Setelah proses pembakaran zat arang dianggap selesai, terak yang

terjadi dikeluarkan selanjutnya baja cair ditampung dalam panci penuangan untuk dituang atau

dicetak menjadi balok tuangan.

2. PROSES MARTIN

2.2 Proses Bertrand Thield

Proses ini menggunakan dua buah dapur Siemens Martin. Pada dapur yang pertama dilakukan pemijaran

dan pembakaran untuk memisahkan fosfor sedangkan dalam dapur kedua diisi dengan besi cair hasil dari

dapur yang pertama setelah teraknya dikeluarkan. Proses di dalam dapur yang kedua tersebut juga

diberi tambahan bijih besi yang baru.

2.3 Proses Dupleks

Proses ini dilakukan dengan cara mengeluarkan zat arang terlebih dahulu yang berada konvertor-

konvertor dan memurnikannya di dalam dapur Siemens Martin. Proses Dupleks terutama dilakukan oleh

pabrik-pabrik baja yang berada di dekat perusahaan dapur tinggi. Setelah proses di dalam dapur tinggi

(setelah teraknya dihilangkan) cairan besi kasar itu dimasukkan kedalam konvertor (Bessemer atau

Thomas) dan dicampur dengan batu kapur serta baja bekas dalam jumlah yang dikehendaki.

Pengembusan udara di dalam konvertor dilakukan sampai kandungan fosfor menjadi rendah kira-kira 1

sampai 1,5 %, ditambah dengan kokas yang telah digiling selanjutnya memindahkan isinya ke dalam

dapur Siemens Martin.

2. PROSES MARTIN

2.4 Proses Thalbot

Proses Thalbot dilakukan dengan menggunakan dapur Siemens Martin yang

dapat diputar-putar dan dijungkitkan. Setelah pemijaran didalam dapur

Martin, sebagian cairan dituangkan ke dalam panci tuang dan ke dalam dapur

tadi sambil ditambahkan besi kasar, bijih besi dan batu kapur.

Proses selanjutnya adalah menjaga agar cairan besi di dalam panic tuang tadi

tidak terjadi oksidasi, artinya mengusahakan pendinginan yang cepat. Akibat

dari cara ini adalah hasil yang diperoleh dalam setiap proses dari satu dapur

tidak sama kualitasnya. Baja yang dihasilkan dari proses Thalbot adalah baja

biasa seperti hasil dari proses konvertor Bessemer maupun Thomas.

2. PROSES MARTIN

3. PROSES DAPUR LISTRIK

Dapur listrik digunakan untuk pembuatan baja yang tahan terhadap suhu tinggi. Dapur ini mempunyai keuntungan-keuntungan sebagai berikut,

a. Jumlah panas yang diperlukan dapat dapat diatur sebaik-baiknya.b. Pengaruh zat asam praktis tidak ada.c. Susunan besi tidak dipengaruhi oleh aliran listrik.

Sedangkan kekurangannya adalah harga listrik yang mahal. Dapur listrik dibagi menjadi dua kelompok yaitudapur listrik busur cahaya dan dapur listrik induksi.

3. PROSES DAPUR LISTRIK

http://yefrichan.wordpress.com/2011/04/16/proses-tanur-listrik/

Contoh-contoh Proses Dapur Listrik

3.1 Dapur Busur Cahaya

Dapur ini berdasarkan prinsip panas yang memancar dari busur api, dapur ini juga dikenal

dengan sebutan dapur busur nyala api. Dapur ini merupakan suatu tungku yang bagian atasnya

digantungkan dua batang arang sebagai elektroda pada arus bolak-balik atau dengan tiga

buah elektroda arang yang dialirkan arus putar. Misalnya pada dapur Stassano busur api

terjadi antara tiga ujung elektroda arang yang berada di atas baja yang dilebur melalui ujung

elektroda itu dengan arus putar.

Pada dapur Girod, arus bolak balik mengalir melalui satu elektroda yang membentuk busur api

di antara kutub dan baja cair selanjutnya dikeluarkan melalui enam buah elektroda baja yang

didinginkan dengan air ke dasar tungku. Pada dapur Heroult menggunakan dua elektroda

arang dengan arus bolakbalik dan dapat juga menggunakan tiga buah elektroda pada arus

putar. Arus listrik membentuk busur nyala dari elektroda kepada cairan dan kembali dari cairan

ke elektroda lainnya.

3. PROSES DAPUR LISTRIK

3.2 Dapur Induksi

Dapur induksi dapat dibedakan atas dapur induksi frekuensi rendah dan dapur induksi frekuensi tinggi. Pada

dapur induksi dibangkitkan suatu arus induksi dalam cairan baja sehingga menimbulkan panas dalam cairan

baja itu sendiri sedangkan dinding dapurnya hanya menerima pengaruh listrik yang kecil saja.

a. Dapur induksi frekuensi rendah, bekerja menurut prinsip transformator. Dapur ini berupa saluran keliling

teras dari baja yang beserta isinya dipandang sebagai gulungan sekunder transformator yang dihubungkan

singkat, akibat hubungan singkat tersebut di dalam dapur mengalir suatu aliran listrik yang besar dan

membangkitkan panas yang tinggi. Akibatnya isi dapur mencair dan campuran-campuran tambahan

dioksidasikan.

b. Dapur induksi frekuensi tinggi, dapur ini terdiri atas suatu kuali yang diberi kumparan besar di

sekelilingnya. Apabila dalam kumparan dialirkan arus bolak-balik maka terjadilah arus putar didalam isi

dapur. Arus ini merupakan aliran listrik hubungan singkat dan panas yang dibangkitkan sangat tinggi sehingga

mencairkan isi dapur dan campuran tambahan yang lain serta mengkoksidasikannya. Hasil akhir dari dapur

listrik disebut baja elektro yang bermutu sangat baik untuk digunakan sebagai alat perkakas misalnya pahat,

alat tumbuk dan lain-lainnya.

3. PROSES DAPUR LISTRIK

3.3 Proses Dapur Aduk

Dapur aduk merupakan cara pembuatan baja yang konvensional dengan cara

melebur besi kasar di dalam dapur nyala api bersama-sama dengan terak

(FeO) untuk mendapatkan zat asam. Dengan cara mengaduk-aduk dengan

batang besi dan ke bawah permukaan dimasukkan udara maka terjadilah

suatu masa lunak dari baja yang banyak mengandung terak. Apabila

gumpalan-gumpalan yang dibuat dalam dapur telah mencapai kirakira 60 kg

dikeluarkan, maka langkah selajutnya adalah mengeluarkan terak dengan

jalan menempanya atau dipres. Dalam proses aduk ini lebih banyak melibatkan

pekerjaan tangan serta kapasitas produksi yang kecil maka cara ini dipandang

tidak efisien dan jarang digunakan pada pabrik-pabrik baja

3. PROSES DAPUR LISTRIK