kuliah 1 (pembuatan baja)
TRANSCRIPT
Baja dan Cara Pembuatannya
2
Pengelompokan logam
Fe 3 C
cementite
Metal Alloys
Steels
Ferrous Nonferrous
Cast Irons Cu Al Mg Ti<1.4wt%C 3-4.5 wt%C
1600
1400
1200
1000
800
6 00
4 000 1 2 3 4 5 6 6.7
L
γ"austenite
γ+L
γ+Fe 3 Cα"
ferriteα +Fe 3 C
α+ γ
L+Fe 3 C
δ
(Fe) C o , wt% C
Eutectic:
Eutectoid:0.77
4.30
727°C
1148°C
T(°C)
Steels<1.4wt%C
Cast Irons3-4.5 wt%C
microstructure: ferrite, graphite cementite
3
Low Alloy High Alloy
low carbon <0.25wt%C
med carbon 0.25-0.6wt%C
high carbon 0.6-1.4wt%C
Uses auto struc. sheet
bridges towers press. vessels
crank shafts bolts hammers blades
pistons gears wear applic.
wear applic.
drills saws dies
high T applic. turbines furnaces V. corros. resistant
Example 1010 4310 1040 4340 1095 4190 304
Additions noneCr,V Ni, Mo
noneCr, Ni Mo
noneCr, V, Mo, W
Cr, Ni, Mo
plain HSLA plainheat
treatableplain tool
austentitic stainless
Name
Hardenability 0 + + ++ ++ +++ 0TS - 0 + ++ + ++ 0EL + + 0 - - -- ++
increasing strength, cost, decreasing ductilityBased on data provided in Tables 11.1(b), 11.2(b), 11.3, and 11.4, Callister 6e.
Steel (Baja)
Logam nir-besi
NonFerrous Alloys
• Cu AlloysBrass: Zn is subst. impurity (costume jewelry, coins, corrosion resistant)Bronze: Sn, Al, Si, Ni are subst. impurity (bushings, landing gear)Cu-Be: precip. hardened for strength
• Al Alloys-lower ρ: 2.7g/cm3 -Cu, Mg, Si, Mn, Zn additions -solid sol. or precip. strengthened (struct.
aircraft parts & packaging)
• Mg Alloys-very low ρ: 1.7g/cm3 -ignites easily -aircraft, missles
• Refractory metals-high melting T -Nb, Mo, W, Ta• Noble metals
-Ag, Au, Pt -oxid./corr. resistant
• Ti Alloys-lower ρ: 4.5g/cm3
vs 7.9 for steel -reactive at high T -space applic.
STEEL MAKING• Bijih besi mengandung 60% Fe • Selama iron making, biji besi diubah menjadi besi mentah (pig iron)
melalui reduksi sehingga kadar Fe naik menjadi 94 %• Pada steel making, unsur-unsur C,Si,S,P dan Mn dioksidasi dan diatur
persentasenya. Kadar Fe meningkat menjadi 98,5%• Baja merupakan paduan Fe-C dg kadar C < 2%
Biji Besi Besi Kasar
94% FeBaja Karbon
Reduksidengan C di Dapur
Oksidasi danRefining dalam Dapur
UNSUR-UNSUR PADA PROSES PEMBUATAN BAJA
BERDASARKAN SUMBERNYA, UNSUR-UNSUR PADA BAJA DIKELOMPOKKAN MENJADI 4 :
! Unsur-unsur hasil kontaminasi dari baja sekrap! Unsur-unsur yang terkandung dalam bahan baku baja : besi
mentah, fluks dan bahan bakar! Gas-gas yang diserap selama steel making! Unsur-unsur yang sengaja ditambahkan (unsur paduan) untuk
mendapatkan baja dengan sifat-sifat yang diinginkan
BERDASARKAN SIFAT KIMIA, UNSUR-UNSUR PADA BAJA DIKELOMPOKKAN MENJADI 4 :
1. Unsur-unsur yang bisa dieliminasi selama prosespembuatan baja : Pb, Zn dan Al
2. Unsur-unsur yang tidak terpengaruh oleh prosespembuatan baja : Cu, Ni, Sn, Co, Mo dan W
3. Unsur-unsur gas-gas : oksigen, nitrogen danhidrogen
4. Karbon (C) dan unsur-unsur partisi antara terakdan logam : Si, S, P dan Mn
KETERANGAN
! KETERANGAN 1 :Pb dan Zn merupakan unsur yang tidak diinginkan. Pb membentuklapisan pada dinding dapur sedangkan Zn mudah menguap danmerusak dinding dapur yang terbuat dari batu tahan api (refractory)
! KETERANGAN 2 :Unsur-unsur ini kurang reaktif terhadap oksigen sehingga tidak bisadihilangkan melalui refining. Cu untuk meningkatkan ketahanan korosi, Ni, Mo dan W untuk unsur paduan tool steel.
! KETERANGAN 3 :Oksigen dapat menyebabkan inklusi (oksida) dan menurunkan keuletanbajaNitrogen dapat menyebabkan penggetasan baja.Hidrogen dapat menyebkan retak rambut (hairline crack)
KETERANGAN (LANJUTAN)
! KETERANGAN 4 :
Proses pembuatan baja pada prinsipnyamerupakan pengendalian unsur-unsur Si, S, P danMn pada tingkat tertentu.
Perbandingan kadar Si, S, P dan Mn pada besikasar dan baja karbon :
0,150,0150,015-0,05Baja karbon0,550,070,040,654,6Besi kasar (pig iron)
MnPSSiCKOMPOSISI
KARBON (C)Kadar C dalam baja dibuat rendah, kurang 2%.Kadar C diatur dengan jalan oksidasi : [C] + [O] → CO
SLAG BASICITYUnsur-unsur Si, S, P dan Mn dapat dikelompokkan seperti Tabel di bawah.
P2O5Al2O3MnOMgOSiO2Fe2O3FeOCaO
ASAM KUATASAM LEMAH
BASA LEMAH
BASA KUAT
SLAG BASICITY merupakan derajat kebasaan atau keasaman terak (slag)
Slag Basicity = % (CaO)
% (SiO2)
SILIKON, MANGAN, BELERANG DAN FOSFOR
! Si dapat dihilangkan menurut reaksi : [Si] +[O2] → (SiO2)! Mn mengalami oksidasi : [Mn] +[1/2O2] = (MnO)! Kandungan S dapat dikurangi dengan : [S]Fe + (O-2) = (S -2) +[O] Fe
! Unsur S dapat dikurangi dengan jika reaksi di atas bergeser ke kanandengan jalan :1) Konsentrasi S dalam baja cair [S]Fe tinggi2) Konsentrasi ion oksigen dalam terak (O-2) tinggi3) Konsentrasi ion belerang (S -2) rendah.
! Selanjutnya S dapat dihilangkan dengan pemberian Mn atau Cu sehingga membentuk MnS dan CuS
! Fosfor dapat dihilangkan melalui reaksi :2[P]+ 5(FeO) + 3CaO → 3CaOP2O5 + 5Fe
DEOKSIDASI
! Proses pembuatan baja adalah proses oksidasi untukmenghilangkan unsur-unsur pengotor
! Kadar Oksigen dalam baja menjadi tinggi akibat oksidasi danrefining sehingga dapat menyebabkan terbentuknya inklusi ataukeropos akibat gas CO yang terjebak saat pembekuan
! Pada baja perlu dilakukan deoksidasi untuk menurunkan kadaroksigen melalui pemberian deoksidizer seperti Mn, Si dan Al sesuai dengan reaksi berikut :
[Mn] + [O] → (MnO)[Si] + 2[O] → (SiO2)2[Al] + 3[O] → (Al2O3)
JENIS-JENIS PROSES PEMBUATAN BAJA
CONVERTOR BESSEMER! Ditemukan oleh Henry Bessemer
tahun 1856! Bahan baku hematite (Fe2O3)
dengan kadar P dan S rendah! Convertor dilapisi batu tahan api dari
silika (SiO2) ! Proses Bessemer dilakukan dengan
menghembuskan udara ke dalambesi cair (blowing) sehingga terjadireaksi eksothermis antara O denganC, Si dan Mn.
CONVERTOR BESSEMER (LANJUTAN)
REAKSI KIMIA
! Pada tahap awal hembusan terjadi reaksi:2FeO + O2 = 2FeO (terak)Si + 2FeO → SiO2 + 2Fe Mn + FeO →MnO + FeReaksi terjadi pada 1250-1650 oC slag forming period
! Tahap kedua : hembusan karbon, kadarC berkurang.C + FeO = Fe + COReaksi bersifat endothermis
! Pada akhir hembusan, dinamakanreddish smoke period
PROSES OPEN HEARTH
! Ditemukan oleh William Siemens (1865)
! Bahan baku : baja sekrap, besikasar dan fluks (batu kapur)
! Proses pembuatan baja melalui 4 tahap : 1) Pengisian (charging)2) Peleburan (melting)3) Pengaturan unsur-unsur
paduan (refining)4) Perbaikan dapur (fettling)
! Udara pembakaran mengalamipemanasan saat melewati ‘checker chamber’
DAPUR BUSUR LISTRIK (ELECTRIC ARC FURNACE)
KEUNTUNGAN! Tidak tergantung pada besi mentah
karena bahan pengisi berupa bajasekrap dan kokas
! Kapasitas produksi tinggi, yaitu 20-80 ton/jam
! Dapur dirancang untuk bisamelakukan gerakan miring
! Pemakaian panas sangat efisienkarena terkonsentrasi dalam bentukpanas radiasi
! Karena tidak memakai udara makabaja yang dihasilkan lebih bersihdari inklusi
! Kotoran dapat dihilangkan denganpersamaan :FeS + C + CaO → Fe + CO + CaS
BASIC OXYGEN FURNACE (BOF)
! Proses BOF proses pembuatan baja dimana besi cair pada suhu±1400 oC diubah menjadi baja pada suhu 1650 oC melalui oksidasieksothermis antara oksigen dengan unsur-unsur yang larut dalambesi cair.
! Oksigen dialirkan dengan ke besi cair melalui pipa tembagaberpendingin air
! Setelah hembusan oksigen, komposisi kimia baja seperti padaTabel di bawah.
0,2%-0,05%Baja cair (1400 oC )0,4%0,7%4,6%Besi cair (1400 oC )MnSiCMATERIAL
PROSES CONTINUOUS CASTING
Baja cair dituang ke dalam cetakanyang didinginkan dengan air, bagianluar akan membeku dahulu. sehingga baja dapat berjalansepanjang rol.
SECONDARY STEEL MAKING
Tujuan : Membuat baja dengan komposisi seperti yang direncanakan dengan cara :
!Pengadukan (stirring)!Pengurangan gas (degassing)!Pengaturan komposisi
LANJUTAN
! PENGADUKANPengadukan menggunakan gas
argon atau nitrogen darilubang (plug) di bawah laddle.
Terak sintetis diinjeksikan keladdle untuk mengikat oksidayang naik ke permukaanakibat pengadukan
LANJUTAN
! DEGASSINGProses degassing dilakukan
dengan jalan memompa udarakeluar sehingga gas hidrogenyang tidak bisa hilang karenapengadukan dapat dikeluarkandari baja cair
Gas argon menyebabkanterjadinya aliran logam kepermukaan.
LANJUTAN
! PENGATURAN KOMPOSISISetelah degassing, proses selanjutnya
adalah desulfurisasi denganmenginjeksikan serbuk calcium carbide, calcium silicon ataumagnesium silicon
Setelah desulfurisasi, dilakukanpenambahan unsur-unsur tertentudalam bentuk serbuk.
1. Unsur paduan : ferro boron, ferrotitanium
2. Menambahkan kadar C yang hilang
DIAGRAM ALIRPEMBUATAN BAJA