pertemuan ke 5 besi dan baja

Materi kuliah teknologi bahan [email protected]

BESI DAN BAJA

Pendahuluan

Besi dan baja merupakan logam yang banyak sumbangannya bagi perkembangan kebudayaan manusia. Hal ini disebabkan karena :

- Jumlahnya yang cukup melimpah

- Memiliki sifat mekanik yang menarik

- Mudah dikerjakan dengan forming maupun dengan machining

- Harganya relative murah

- Dll.

Pemanfaatanya besi dipergunakan dalam keadaan paduan bukan dalam keadaan murni. Paduan besi umumnya dengan carbon, yang

dikenal sebagai baja dan besi tuang. Besi dan baja tuang bukan hanya berbeda kadar karbonnya tetapi juga berbeda struktur

mikronya dan berbeda sifatnya.

Klasifikasi baja dipasaran dilakukan berdasarkan,

- Kekuatannya, st37, st42, st50, st60 dan lain sebagainya.

- Komposisi kimianya, baja karbon rendah, baja karbon menengah, baja karbon tinggi

- Strukturnya, baja hypoeutectoid, baja eutectoid, baja hypereutectoid

- Penggunaannya

- Bentuknya

- Pembuatannya, dan lain sebagainya.

Proses Pembuatan Baja

Keseluruhan proses dapat dibagi menjadi beberapa tahapan pengerjaan :

- Ijih besi menjadi besi kasar (pig iron) atau besi spons(sponge iron)


- Pengolahan besi kasar/besi spongs menjadi baja antara lain ingot atau bilet/slab/bloom

- Pengolahan bentuk menjadi benda setengah jadi /baku berbentuk plat, strip, sklep, batang kawat, batang profil, dll.

- Pengolahan lanjut bentuk setengah jadi menjadi menjadi bentuk yang lain misalnya, kawat, pipa, sheet, tin plated sheet, dll.

Keseluruhan proses itu dapat dilakukan pada satu lokasi pabrik baja yang besar dan dapat pula dilakukan pada sejumlah pabrik yang

terpisah. Misalnya ada pabrik yang hanya mengerjakan dri billet sampai suatu barang setengah jadi.


Gambar contoh proses pembuatan baja


Besi kasar dan besi spons

Besi di alam berada dalam bentuk,

- Oksidasi

- Sulfide

- Karbonat

- Silikat

Semuanya itu dinamakan bijih besi. Bijih besi yang banyak diolah adalahyang berbentuk oksida yang mengandung unsur/senyawa

lain yang biasanya disebut sebagai pengotoran, yaitu,

- Hematid, Fe2O3 yang bercampur dengan sedikit belerang , phosphor, dll.

- Limanit, 2 Fe2O3 3 H2O, dengan sejumlah phosphor dan pengotoran lainnya.

- Magnetit, Fe2O4, dengan sejumlah belerang , silikat, seng, dll.

- Siderit, FeCO3, dengan pengotoran berupa silica, alumina, magnesium, dll.

Untuk memperoleh besi dari bijih besi dilakukan proses reduksi dengan menggunakan bahan reduktor yang kuat(biasanya karbon)

dan fluks dengan pemanasan. Fluks berfungsi sebagai bahan pengikat kotoran sehiingga kotoran mudah mencair dan menjadi terak.

Cara yang selama ini banyak digunakan adalah dengan reduksi bertingkat yang dilakukan dalam dapur tinggi (Blast Furnace).

Cara lainnya adalah dengan reduksi langsung (DRI, Direct Reduction Iron).

Dapur Tinggi

Dapur tinggi terbuat dari susunan batu tahan api yang diperkuat dengan tiang-tiang baja, Dalam dapur tinggi akan terjadi proses

reduksi bijih besi menjadi besi kasar (besi mentah). Selain itu juga reaksi-reaksi kimia yang menyertai proses reduksi tersebut. Dapur

tinggi berukuran tinggi 30 m garis tengan maksimum 7 m, garis tengah puncak 4,5 m, garis tengah bawah 4m. Dapur tinggi didirikan

diatas fondasi yang diperkuat oleh tiang-tiang baja. Bagian dalam dapur tinggi dilapisi batu tahan api yang mempunyai sifat tahan


terhdap suhu tinggi dan merupakan penyekat panas. Pada bagian atas dapur terdapat corot pengisi yang bekerja bergantian

sehingga kehilangan gas dapur tinggi dapat dicegah. Serta dilengkapi dengan alat pemanas udara dan alat pemisah debu.

Gambar contoh dapur tinggi


Bahan-bahan yang dimasukkan pada dapur tinggi : bijih besi, kokas, dan batu kapur. Bahan ini disimpan dedekat dapur tinggi supaya

pengisiannya mudah. Bahan-bahan diangkut ke puncak dapur tinggi dengan alat pengangkut selapis demi selapis secara terus-

menerus.

Bahan-bahan pengisi daput tinggi ini akan mengalami proses fisika dan kimia sebagai berikut,

1. Mula-mula dilakukan pemanasan pendahuluan, didalam dapur tinggi gas-gas hasil pembakaran yang suhunya masih panas

akan naik ke atas sambil memanaskan bahan-bahan yang disikan., sehingga air dan zat-zat yang mudah menguap dalam zat-

zat pengisi akan segera menguap hingga bahan2 mencadi cukup kering.

2. Langkah berikutnya adalah proses reduksi, dalam dapur tinggi yang bertemperatur antara 800C sd 1400C , akan terjadi

serangkaian reaksi-reaksi kimia antara lain reaksi reduksi bijih besi, reaksi pembakaran kokas, dan peruraian batu kapor.

Karena pengaruh udara panas kokas akan terbakar menurut reaksi

C+CO---------------CO2

Gas CO yang terjadi akan mereduksi bijih besi menurut reaksi sebagai berikut.

CO2+ C ----------------2CO

Gas CO yang terjadi akan mereduksi bijih besi menurut reaksi berikut.

Fe3O4 +CO ----------- 3FeO+CO2

Fe2O3 + CO ---------- 2 FeO + CO2

Kedua reaksi tersebut dinamakan reaksi tidak langsung. Pada daerah reduksi juga terjadi peruraian batu kapur dan mungkin

juga peruraian MgCO3 ataupun FeCO3 yang mungkin terdapat dalam batu kapur tersebut menurut reaksi berikut:

CaCO3 ----------------- CaO + CO2

MgCO3 --------------- MgO +CO2


FeCO3 ------------------ FeO + CO2

Gas CO2 hasil dari peruraian ini akan bersinggungan dan bereaksi dengan lapisan kokas menurut reaksi berikut:

CO2 + C ----------------- 2CO

3. Langkah berikutnya adalah proses peleburan, Pada temperature 1400C sd 1600C akan terjadi peleburan hasil reduksi tak

langsung dan juga terjadi pembentukan terak. Disamping itu juga akan terjadi reduksi langsung FeO oleh kokas. Reaksi kimia

yang terjadi pada daerah ini adalah sebagai berikut.

a. Reaksi langsung FO + C -------------------------------Fe + CO

b. Pembentukan terak CaO + SiO2 ---------------------- Ca SiO3

Kalau bijih besi mengandung mangan MnO + SiO2 -----------------MnSiO3

Karena berat jenis terak lebih ringan daripada berat jenis besi, maka terak akan mengapung pada bagian atas. Besi

mentah yang dihasilkan bukan merupakan besi murni tetapi masih mengandung unsur yang lainnya yaitu karbon(C), yang

berasal dari kokas, sisilium (Si), Mangan(Mn), dan Phosphor (P) yang berasal dari bijih besi. Oleh karena itu besi mentah

masih harus mengalami proses pengerjaan lanjutan.

Pembuatan Baja

Baja pada dasarnya adalah paduan besi karbon dengan kadar karbon tidak lebih dari 2.0% disamping juga mungkin mengandung

sejumlah unsur lainnya(unsur paduan dan pengotoran). Baja di buat dari besi kasar/spongs dengan mengurangi kadar karbo dan

unsur lain yang kurang disukai. Ada beberapa macam cara pembuatan baja, antara lain:

1. Dengan konvertor

2. Dengan dapur siemens Martin (open Hearth furnance)

3. Dengan dapur listrik


Klasifikasi proses pembuatan baja dilakukan berdasarkan pada derajat keasaman terak yang dihasilkan.

a. Proses asam (acid)

b. Proses basa (basic)

c. Proses duplex (gabungan asam dan basa)

d. Basic Oxygen process

Pembuatan baja dengan cara konvertor

Pembuatan Baja dengan cara ini yang diolah adalah besi cair, yang diperoleh dari dapur tinggi atau peleburan lain. Besi cari

ditunagkan ke dalam konventor kemudian dihembuskan udara /oksigen sehingga bahan dan unsur pengotoran akan terbakar dan

keluar dari besi cair berupa gas atau terak. Cara ini mula-mula diperkenalkan oleh Henry Bessemer.

Bessemer converter

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/61/Bessemer_converter.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/61/Bessemer_converter.jpg


Pengisian dilakukan saat posisi horizontal dan dilanjutkan dengan mengembalikannya ke posisi vertical sambil dihembuskan udara

dari bawah. Hal ini menyebabkan terjadinya reaksi .

2Fe + O2 ---------------------------2 FeO

Sebagian oksida besi ini menjadi terak dan yang lainnya bereaksi dengan Si dan Mn ,

Si + 2FeO --------------------------SiO2 + 2Fe

Mn + FeO ------------------------- MnO + Fe

Reaksi-reaksi itu akan menyebabkan panas (exothermic) dan akan menaikkan temperature cairan. Oksida mangan dan oksida silicon

ini akan menjadi terak pada saat

Saat Si dan Mn hampir habis temperature menjadi sangat tinggi dan karbon mulai terbakar,

C + FeO -------------------------- Fe + CO

CO berupa gas dan keluar melalui mulut konventor, disini CO akan terbakar dan menjadi CO2. Hal ini di tandai dengan nyala api yang

panjang dan terang. Bila nyala api mulai meredup dan yang ada adalah asap kemerahan hal ini berarti C sudah habis terbakar, dan

hembusan angin harus segera dihentikan, agar besi tidak habis terbakar. Kemudian konvertor dimiringkan dan cairan besi

dikeluarkan. Karena dalam cairan baja ini masih banyak oxygen maka perlu diberikan oksidan (ferromangan, ferrosilikat, atau

alumunium) untuk menghilankannya. Sedangkan pengaturan kadar karbon dapat dilakukan dengan menambahkan sejulah besi

kasar ke dalam baja cair.


Proses pembuatan baja dengan Tanur oxygen Basa


Pembuatan baja dengan open heath furnace


Pada furnace ini udara dan bahan bakar gas akan bercampur dan terbakar menghasilkan panas yg tinggi , pembakaran

menghasilkan panas yang tinggi karena bahan bakar maupun uadara sudah dipanaskan didalam suatu regenerator. Karena

temperature yang tinggi pada ruang bakar maka muatan dapur yang diletakkan diruang bakar akan mencair dan cairan ini akan

mendidih sehingga reaksi oksidasi dari unsur pengotoran/pembentuk terak akan dapat berlangsung. Muatan pengisian

dimasukkan melalui pintu pengisian (charging door) muatan ini dapat berupa bahan padat ataupun besi cairan. Pada proses basa

juga ditambahkan batu kapur sebagai pembentuk terak / pengikat phosphor. Reaksi yang berlangsung sama seperti pada

konventor. Sebagian Fe, Si,Mn akan teroksidasi dan menjadi terak. Terak ini akan mengapung dipermukaan cairan sehingga

menghalangi kontak antara cairan dan udara, untuk menjamin kelangsungan reaksi maka kedalam cairan ditambahkan bijih besi.

Proses dalam dapur ini berlangsung sangat lambat 6-14 jam sedangkan pada konventor hanya 15 menit atau kurang). Karena

proses dalam dapur sangat lambat maka dapat dilakukan analisa kimia dari cairan pada sitiap saat dan komposisinya dapat

dikontrol dengan mudah. Dan karena cairan besi tidak bersentuhan dengan udara luar maka baja yang dihasilakan tidak

mengandung nitrogen.

Pembuatan baja dengan electric furnace

Pembuatan baja dengan cara ini lebih luas digunakan karena, metoda ini akan menghasilkan panas yang sangat tinggi sehingga

pemaduan dengan unsur-unsur yang memiliki titik leleh yang sangat tinggi dapat dilakukan. Diasmping itu atmosfir di permukaan

cairan dapat dikontrol dengan mudah sehingga dapat menghasilkan baja yang lebih bersih. Kelemahannya pada kapasitasnya yang

tidak terlalu tinggi, sehingga biasanya dipergunakan pada pabrik baja yang tidak terlalu besar.atau hanya untuk membuat special

steel dalam jumlah yang terbatas, atau hanya dipergunakan untuk pengolahan besi tua ( remelling) dan pabrik pengecoran

(foundry).

Electric furnace ini pada dasarnya ada dua yaitu:

1. Electrical Arc Furnace

2. Induction Furnace


Electrical Arc Furnace


Cordless Induction Furnace


Sifat dan penggunaan baja

Sifar baja banyak di tentukan oleh kadar karbonnya, disamping unsur paduannya. Pengaruh kadar karbon terhadap struktur mikro

dan sifat mekanik utama dari baja karbon dapat dilihat dapri gambar berikut.


Tugas

Bagaimana Klasifikasi, dan kodefikasi Besi ?

Bagaimana klasifikasi dan kodefikasi Steel ?

Besi Tuang Jenis dan Penggunaanya

Secara umum Besi Tuang (Cast Iron) adalah Besi yang mempunyai Carbon content 2.5% – 4%. Oleh karena itu Besi Tuang yang kandungan karbonnya 2.5% – 4% akan mempunyai sifat MAMPU LASNYA (WELDABILITY) rendah. Karbon dalam Besi Tuang dapat berupa sementit (Fe3C) atau biasa disebut dengan Karbon Bebas (grafit). Perlu di ketahui juga kandungan FOSFOR dan SULPHUR dari material ini sangat tinggi dibandingkan Baja.

Ada beberapa jenis Besi Tuang (Cast Iron) yaitu :

1. BESI TUANG PUTIH (WHITE CAST IRON).Dimana Besi Tuang ini seluruh karbonnya berupa Sementit sehingga mempunyai sifat sangat keras dan getas. Mikrostrukturnya terdiri dari Karbida yang menyebabkan berwarna Putih.

2. BESI TUANG MAMPU TEMPA (MALLEABLE CAST IRON).Besi Tuang jenis ini dibuat dari Besi Tuang Putih dengan melakukan heat treatment kembali yang tujuannya menguraikan seluruh gumpalan graphit (Fe3C) akan terurai menjadi matriks Ferrite, Pearlite dan Martensite. Mempunyai sifat yang mirip dengab Baja.

3. BESI TUANG KELABU (GREY CAST IRON).Jenis Besi Tuang ini sering dijumpai (sekitar 70% besi tuang berwarna abu-abu). Mempunyai graphite yang berbentuk FLAKE. Sifat dari Besi Tuang ini kekuatan tariknya tidak begitu tinggi dan keuletannya rendah sekali (Nil Ductility).

4. BESI TUANG NODULAR (NODULAR CAST IRON)NODULAR CAST IRON adalah perpaduan BESI TUANG KELABU. Ciri Besi tuang ini bentuk graphite FLAKE dimana ujung – ujung FLAKE berbentuk TAKIK-AN yang mempunyai pengaruh terhadap KETANGGUHAN, KEULETAN & KEKUATAN oleh karena untuk menjadi LEBIH BAIK, maka graphite tersebut berbentuk BOLA (SPHEROID) dengan menambahkan sedikit INOCULATING AGENT, seperti Magnesium atau calcium silicide. Karena Besi Tuang mempunyai KEULETAN yang TINGGI maka besi tuang ini di kategorikan DUCTILE CAST IRON.


FAKTOR-FAKTOR APA YANG MEMPENGARUHI SIFAT MAMPU LAS (WELDABILITY) PADA MATERIAL INI

1. Ketegangan saat pendinginan.Secara teori pengelasan (welding) material las (logam las / weld metal) akan berkontraksi selama pendinginan. Karena kerapuhan dari besi tuang inilah kontraksi cast iron mempunyai kemampuan yang lebih rendah dibandingkan Baja.

2. Bentuk yang tidak beraturan.Umumnya Besi Tuang ini dibuat dalam bentuk yang tidak berarturan atau boleh saya bilang artistik. Dengan adanya bentuk yang rumit besi tuang tersebut sedikit banyak mempunyai ketebalan yang tidak seragam hal ini akan mempengaruhi kontraksi tegangan yang terjadi pada material tersebut dan mudah terjadi retak dan perlu diingat juga yang melatarbelakangi ini adalah sifatnya yang mempunyai daya lentur yang sangat rendah.

3. HAZ yang keras.HAZ pada Besi Tuang yang berdekatan dengan Weld Metal akan mempunyai sifat yang KERAS. Pengerasan ini diakibatkan oleh adanya bagian HAZ yang tidak ikut mencair.

4. Pengikatan Karbon dari Base Metal.Akibat Pengelasan Besi tuang yang tercampur dengan Base Metal akan menyebabkan terjadinya pengikatan KARBON pada WELD METAL sehingga menyebabkan peningkatan kandungan SULFUR dan PHOSPOR dalam WELD METAL tersebut.

5. Penyerapan Minyak pada Besi Tuang.Karena bentuk kareketeristik material ini rata-rata berpori maka kemungkinan terjadinya peresapan minyak dalam graphite yang menyebabkan porositas pada logam las. Biasanya sering dialami oleh temen praktisi welding, repair pada saat maintenance.

Mengapa Cast Iron jika di Las Sering terjadi retak? Sebelum kita bahas hanya keretakan pada Cast Iron, ada baiknya jika kita mengerti terlebih dahulu apa yang disebut Crack pada logam, apa yang menyebabkan crack pada logam, apa pengaruh Chemical Composition terhadap mudah tidaknya suatu logam retak, Apa itu diagram CCT dan CCCT, dll. Sehingga kita tidak salah dalam mengambil kesimpulan dalam memahami terjadinya crack pada pengelasan Cast Iron…..

Keretakan pada proses pengelasan Cast Iron, ada beberapa faktor yang saling dukung mendukung sehingga memudahkan terjadinya Crack.

Faktor utamanya adalah :

1. Chemical Composition : %C = Carbon terlalu tinggi. Unsur C yang tinggi memang akan menurunkan Titik Lebur baja (Mesti dibahas juga Diagram Fe-Fe3C) sehingga antara proses peleburan dan penuangan di cetakan lebih mudah. Tetapi karena sifatnya yang lunak akan menjadi sumber keretakan di paduan Besi Cor, apalagi yang C nya berbentuk Flake (Besi cor mempunyai Carbon bebas, mungkin seperti radikal bebas di tubuh kita). %P= Posphor dan %S=


Sulphur Tinggi. Dalam paduan Fe, kadar P dan S tidak boleh lebih besar dari keteentuan. Karena lebih dari itu akan menyebabkan sumber keretakan (kalau di proses rolling pembuatan besi beton bisa pecah) . Lantas mengapa unsur P dan S ini tidak diturunkan saja? Dalam proses pengecoran, unsur P dan S sangat diperlukan untuk meningkatkan mampu alir dari cairan besi….

2. Faktor-faktor lain seperti bentuk yang kompleks dan lain tidak banyak berpengaruh, karena kebanyakan pada proses pengelasan Cast Iron, keretakan terjadi pada daerah HAZ.

3. Bagaimana pengaruh Olie dll ? Pengotor seperti ini lebih banyak berpengaruh terhadap terjadinya Porosity pada weld metal.

Lantas bagaimana untuk menghindari terjadinya keretakan pada pada proses pengelasan Cast Iron?

1. Gunakan kawat las Nickel. 2. Kontrol heat input dan Cooling rate… 3. Sebelum mengelas harus dibersihkan terlebih dulu dari misalnya Olie, Cat dlll.

Pada umumnya Besi Tuang (Cast Iron) mempunyai bentuk yang rumit suatu contoh (PIPE FITTING, SPROKECT, PUMP, CRANK SHAFT MESIN MOBIL dan beberapa peralatan yang terdapat pada Pabrik GULA) bukan dalam bentuk MILD seperti STEEL yang sering kita temui dipasaran.

BAGAIMANA KORELASINYA.

Dengan adanya bentuk yang rumit besi tuang tersebut sedikit banyak mempunyai ketebalan yang tidak seragam hal ini akan mempengaruhi konstraksi tegangan yang terjadi pada material tersebut dan mudah terjadi retak.

Untuk menghindari timbulnya keretakan pada sebuah besi tuang karena ketegangan akibat konstraksi tegangan selama pengelasan sering dilakukan dengan memperluas bidang yang dipanasi dengan PREHEATING untuk menyeimbangkan KONTRAKSI TEGANGAN dalam hal ini ada metode yang dilakukan dalam preheating :

1. PREHEATING SETEMPAT.Tujuannya untuk menghambat tingkat pendinginan sambungan las. 2. PREHEATING KESELURUHAN.Mempunyai fungsi untuk melepaskan tegangan internal yang tersembunyi dan

untuk memperlambat pendinginan pengelasan. Hal ini cocok untuk material yang mempunyai bentuk rumit Seperti RODA GIGI, SPROKET dsb.

MENGAPA KAWAT LAS BESI TUANG BERBASIS PADA UNSUR NICKEL (Ni) ??

Nickel adalah suatu logam berwarna Putih perak, Mempunyai Berat Jenis 8.5 yang hampir sama dengan Tembaga.


Nickel dijadikan sebagai bagian dari bahan Kawat Las Cast Iron karena Nickel mempunyai karakteristik LOW SOLUBILITY pada Carbon. Dengan menyatunya NICKEL & BESI dapat menghindari terjadinya CRACK (RETAK) PADA DAERAH FUSION LINE akibat adanya perbedaan EXPANSION temperature pengelasan pada material Cast Iron. Selain itu logam las ini mempunyai karakteristik yang lentur dan mudah untuk dimachining.

Perlu diketahui juga TIDAK SELAMANYA kawat las cast iron berbasiskan pada NICKEL tetapi ada juga kawat las yang berbasiskan TEMBAGA (Copper).

Tugas

Bagaimana Klasifikasi Besi Tuang ?

pertemuan ke 5 besi dan baja

Documents