Upload
sarah-noviatri
View
278
Download
44
Embed Size (px)
Citation preview
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah SWT atas nikmat dan karunia-Nya penyusun dapat
menyelesaikan penyusunan makalah berjudul “LOGAM BESI” ini. Salawat dan salam juga
penyusun persembahkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat serta
pengikutnya sampai akhir zaman.
Penyusun menyadari bahwa makalah ini masih banyak kekurangan dan jauh dari
kesempurnaan. Untuk itu penulis masih mengharapkan kritik dan saran yang bersifat
membangun guna penyempurnaan makalah di masa datang.
Dalam penyelesaian skripsi ini penyusun banyak mendapatkan bantuan dan pengarahan
dari berbagai pihak terutama dari dosen pembimbing. Maka pada kesempatan ini penyusun ingin
mengucapan terima kasih yang tulus kepada Zurohaina,S.T,M.T selaku dosen pembimbing mata
kuliah Bahan Konstruksi Kimia.
Atas semua bantuan dan bimbingan yang telah diberikan kepada penulis, semoga akan
mendapatkan imbalan yang setimpal dari Allah SWT. Akhir kata penyusun mengharapkan
semoga makalah ini dapat bermanfaat dan berguna baik bagi penyusun maupun bagi pembaca,
Amin.
Palembang, Maret 2011
Penyusun
1
DAFTAR ISI
Halaman
Daftar Isi……………………………………………………………………………. 2
Kata Pengantar……………………………………………………………………… 1
Bab I - Pendahuluan…………………………………………………………………. 3
Bab II – Tinjauan Pustaka…………………………………………………………… 5
Bab III – Pembahasan ……………………………………………………………… 8
1. Logam Besi…………………………………………………………… 8
2. Proses Pembuatan Besi ……………………………………………... 10
Gambar Proses………………………………………………………..11
Baja……………………………………………………………………15
Besi Cor………………………………………………………………. 16
Pengaruh Unsur Kimia……………………………………………… 17
Jenis-Jenis Paduan………………………………………………….. 19
Daftar Pustaka……………………………………………………………………… 23
BAB 1
2
PENDAHULUAN
Besi merupakan logam paling biasa digunakan di antara semua logam, yaitu merangkumi
sebanyak 95 peratus daripada semua tan logam yang dihasilkan di seluruh dunia. Gabungan
harganya yang murah dengan kekuatannya menjadikan besi amat diperlukan, terutamanya dalam
penggunaan seperti kereta, badan kapal bagi kapal besar, dan komponen struktur bagi bangunan.
Besi baja merupakan aloi besi paling dikenali, dan sebahagian dari bentuk yang dibentuk oleh
besi termasuk:
Besi mentah atau Pig iron yang mengandungi 4% – 5% karbon dengan sejumlah
bendasing seperti belerang, silikon dan fosforus. Kepentingannya adalah ia merupakan
perantaraan daripada bijih besi kepada besi tuang dan besi baja.
Besi tuang ( Cast iron ) mengandungi 2% – 3.5% karbon dan sejumlah kecil mangan.
Bendasing yang terdapat di dalam besi mentah yang dapat memberikan kesan buruk
kepada sifat bahan, seperti belerang dan fosforus, telah dikurangkan kepada tahap boleh
diterima. Ia mempunyai takat lebur pada julat 1420–1470 K, yang lebih rendah
berbanding dua komponen utamanya, dan menjadikannya hasil pertama yang melebur
apabila karbon dan besi dipanaskan serentak. Sifat mekanikalnya berubah-ubah,
bergantung kepada bentuk karbon yang diterap ke dalam aloi. Besi tuang 'putih'
mengandungi karbon dalam bentuk cementite, atau besi karbida. Sebatian keras dan
rapuh ini mendominasi sifat-sifat utama besi tuang 'putih', menyebabkannya keras, tetapi
tidak tahan kejutan. Dalam besi tuang 'kelabu', karbon hadir dalam bentuk serpihan halus
grafit, dan ini juga menyebabkan bahan menjadi rapuh kerana ciri-ciri grafit yang
mempunyai pinggir-pinggir tajam yang merupakan kawasan tegasan tinggi. Jenis besi
kelabu yang baru, yang dinamakan 'besi mulur', adalah dicampur dengan kandungan surih
magnesium untuk mengubah bentuk grafit menjadi sferoid, atau nodul, lantas
meningkatkan ketegaran dan kekuatan besi.
Besi karbon mengandungi antara 0.5% dan 1.5% karbon, dengan sejumlah kecil mangan,
belerang, fosforus, dan silikon.
Besi tempa ( Wrought iron ) mengandungi kurang daripada 0.5% karbon. Ia keras, mudah
lentur, dan tidak mudah dilakurkan berbanding dengan besi mentah. Ia mempunyai
3
sejumlah kecil karbon, beberapa persepuluh peratus. Jika ditajamkan menjadi tirus, ia
cepat kehilangan ketajamannya.
Besi aloi ( Alloy steel ) mengandungi kandungan karbon yang berubah-ubah dan juga
logam-logam lain, seperti kromium, vanadium, molibdenum, nikel, tungsten dsb.
Besi oksida (III) digunakan dalam penghasilan storan magnetik dalam komputer. Ia
sering dicampurkan dengan bahan lain, dan mengekalkan ciri-ciri mereka dalam larutan.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
4
Didasarkan pada komposisi kimia, logam dan paduan dapat dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu:
Logam – logam besi (ferrous)
Logam – logam bukan besi (non - ferrous)
Logam – logam besi merupakan logam dan paduan yang mengandung besi (Fe) sebagai unsur
utamanya, sedangkan logam bukan besi merupakan bahan yang mengandung sedikit atau sama
sekali tanpa kadar besi. Yang termasuk logam dan paduan besi adalah:
Besi tuang (cast iron)
Besi karbon (carbon steel)
Dalam pemakaian teknik diperlukan pemilihan jenis logam dan paduan dengan sifat-sifat
yang sesuai dengan kebutuhan operasi sehingga pemakaianya dapat meliputi kekutan dan
ketangguhan pada suhu rendah, suhu ruang atau suhu tinggi; kelelahan (fatigue), creep, korosi
dan oksidasi; keausan; attau sifat lainya.
Sifat-sifat tersebut sangat dipengaruhi oleh struktur logam dan struktur yang terjadi
tergantung pada komposisi kimia, teknik/proses pembuatan serta proses perlakuan panas yang
diberikan. Dalam hal produk, di samping dipengaruhi oleh faktor-faktor diatas, kualitas produk
ditentukan pula oleh faktor design (perencanaan) dan kondisi pengoperasiannya.
Baja adalah logam paduan dengan besi sebagai unsur dasar dan karbon sebagai unsur
paduan utamanya. Kandungan karbon dalam baja berkisar antara 0.2% hingga 2.1% berat sesuai
grade-nya. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras dengan mencegah dislokasi
bergeser pada kisi kristal (crystal lattice) atom besi. Unsur paduan lain yang biasa ditambahkan
selain karbon adalah mangan (manganese), krom (chromium), vanadium, dan tungsten. Dengan
memvariasikan kandungan karbon dan unsur paduan lainnya, berbagai jenis kualitas baja bisa
didapatkan. Penambahan kandungan karbon pada baja dapat meningkatkan kekerasan (hardness)
dan kekuatan tariknya (tensile strength), namun di sisi lain membuatnya menjadi getas (brittle)
serta menurunkan keuletannya (ductility).
Jenis Baja Paduan
5
Berdasarkan unsur – unsur campuran dan sifat dari baja maka baja paduan dapat
digolongkan menjadi baja dengan kekuatan tarik yang tinggi, tahan pakai, tahan karat, dan baja
tahan panas
1. Baja dengan kekuatan tarik yang tinggi
Baja ini mengandung mangan, nikel, kromium dan sering juga mengandung vanadium dan
dapat digolongkan seperti berikut ini.
a. Baja mangan
b. Baja nikel
c. Baja nikel kromium
d. Baja kromium vanadium
2. Baja tahan pakai
Berdasarkan unsur – unsur campuran yang larut di dalamnya, baja terdiri dari dua macam,
yaitu baja mangan berlapis austenite dan baja kromium.
a. Baja mangan yang berlapis austenite
b. Baja kromium
3. Baja tahan karat
Baja tahan karat (stainless steel) mempunyai seratus lebih jenis yang berbeda – beda. Akan
tetapi, seluruh baja ini mempunyai satu sifat karena mengandung kromium yang dapat
membuatnya tahan terhadap karat. Baja tahan karat ini dapat dibagi ke dalam tiga kelompok
dasar, yakni baja tahan karat berlapis ferit, berlapis austenite, dan berlapis mertensite.
a. Baja tahan karat ferit
b. Baja tahan karat austenite
c. Baja tahan karat mertensite
4. Baja tahan panas
Masalah utama yang berhubungan dengan penggunaan temperature tinggi adalah
kehilangan kekuatan, beban rangkak, serangan oksidasi, dan unsur kimia. Kekuatannya pada
temperature tinggi dapat diperbaiki dengan menaikkan temperature transformasinya dan
penambahan unsur kromium atau dengan merendahkan temperature transformasinya dan
penambahan unsur nikel.
Kedua pengerjaan itu akan menghasilkan struktur austensite. Sejumlah kecil tambahan
unsur titanium, aluminium, molybdenum dengan karbon akan menaikkan kekuatan dan
6
memperbaiki ketahanannya terhadap beban rangkak. Unsur nikel akan membantu penahanan
kekuatan pada temperature tinggi dengan memperlambat atau menahan pertumbuhan butiran –
butiran yang baru. Ketahanannya terhadap oksidasi dan serangan kimia dapat diperbaiki dengan
menambahkan silicon atau kromium.
5. Baja paduan yang digunakan pada temperature rendah
a. Baja pegas
b. Baja katup mesin (motor)
Besi cor adalah paduan besi-karbon-silika dengan unsur tambahan lain. Kadar karbon
tinggi sehingga besi cor bersifat rapuh dan tidak dapt di tempa. Besi cor memiliki sifat fisis atau
mekanik yang berbeda-beda, ha ini dipengaruhi oleh unsur paduan yang terdapat didalamnya
seperti karbon, silikon, mangan, fosfor dan belerang. Kekuatan, kekerasan, kemampuan mesin,
ketahanan aus, dan lain sebagainya dilebur kembali dalam dapur kupola. Besi kasar yang
dihasilkan oleh tanur tinggi tidak cocok untuk benda coran dan dilebur kembali dalam dapur
kupola.
Jenis-jenis Besi Cor
- Besi cor kelabu
- Besi cor putih
- Besi cor mampu tempa
- Besi cor nodular
BAB 3
PEMBAHASAN
7
Logam Besi
Didasarkan pada komposisi kimia, logam dan paduan dapat dibagi menjadi 2 kelompok,
yaitu:
- Logam-logam besi (ferrous)
- Logam-logam bukan besi (non-ferrous)
Logam-logam besi merupakan logam dan paduan yang mengandung besi (Fe) sebagai unsur
utamanya, sedangkan logam bukan besi merupakan bahan yang mengandung sedikit atau sama
sekali tanpa kadar besi.
Yang termasuk logam besi, adalah:
- Besi tuang (cast iron)
- Besi karbon (carbon steel)
- Besi paduan (alloy steel)
- Baja special (specialty steel)
Dalam pemakaian teknik diperlukan pemilihan jenis logam dan paduan dengan sifat-
sifat yang sesuai dengan kebutuhan operasi sehingga pemakaianya dapat meliputi kekutan
dan ketangguhan pada suhu rendah, suhu ruang atau suhu tinggi; kelelahan (fatigue), creep,
korosi dan oksidasi; keausan; attau sifat lainya.
Sifat-sifat tersebut sangat dipengaruhi oleh struktur logam dan struktur yang terjadi
tergantung pada komposisi kimia, teknik/proses pembuatan serta proses perlakuan panas
yang diberikan. Dalam hal produk, di samping dipengaruhi oleh faktor-faktor diatas, kualitas
produk ditentukan pula oleh faktor design (perencanaan) dan kondisi pengoperasiannya.
Tabel pembagian besi dan baja menurut komposisinya.
No Paduan Besi dan Baja Komposisi kimia (%)
1 Besi Tuang
- Besi tuang kelabu
- Besi tuang potih
2-4% C, 1-3% Si, 0,8 % Mn (maks), 0,10 % P
(maks), 0,05% S (maks)
Disamping terdapat perbedaan yang kecil dari
segi komposisi, perbedaan sifat-sifat besi tunag
ditentukan oleh strukutur mikro karena proses
8
- Besi tuang noduler
- Besi tuang paduan
pembutan atau karena proses perlakuan panas.
Elemen-elemen pemadu: Cr, Ni
2 Baja Karbon
- Baja karbon rendah
- Baja karbon medium
- Baja karbon tinggi
0,08-0,35% C 0,25-1,50% Mn
0,35-0,50% C 0,25-0,80% Si
0,55-1,70% C 0,04% P 0,05% S
3 Baja Paduan
- Baja paduan rendah
- Baja pemadu medium
Seperti pada baja karbon rendah + elemen-elemen
pemadu kurang dari 4% SEPERTI Cr, Ni, Mo,
Cu, Al, Ti, V, Nb, B, W, dll
Seperti pada baja paduan rendah tetapi jumlah
elemen-elemen pemadu di atas 4%
4 Baja Spesial
- Baja Stainless
- Baja Perkakas
a. Feritik (12-30% Cr dan kadar C rendah)
b. Martensitik (12-17% Cr dan 0,1-1,0%C)
c. Austenitic (17-25 % Cr dan 8-20% Ni)
d. Duplek (23-30%Cr, 2,5-7% Ni, plus Ti
dan Mo)
e. Presipitasi (seperti pada sustenitik, plus
elemen pemadu: Cu, Ti, Al, Mo, Nb, atau
Ni.
High speed steels (0.85-1,25%C, 1,5-20% W, 4-
9,5%Mo, 3-4,5% Cr, 1-4 %V, 5-12%Co)
9
Hingga saat ini besi/baja masih merupakan logam yang paling dominan dalam bidang
permesinan. Di samping itu, pemakaian logam aluminium dan paduannya juga menunjukan
perkembanganya yang pesat.
2.2 Proses pembutan Besi
Biji besi merupakan bahan baku dalam pembutan besi yang dapat berupa senyawa
oksida, karbonat, dann sulfide serta tercampur dengan unsure lain misalnya silicon. Bijih besi
diolah dalam tanur atau dapur tinggi untuk menghasilkan besi kasar. Besi kasar adalah bahan
baku uuntuk pembuatan besi cor (cast iron), besi tempa (wrought iron), dan baja (steel).
Ketiga macam bahan itu banyak dipakai dalam bidang teknik.
Baja adalah logam paduan antara besi dan karbon dengan kadar karbonnya secara teoritis
maksimum 1,7%. Besi cor adalah logam paduan antara beara besi dan karbon yang kadarnya
1,7%-3,5%. Besi tempa adalah baja yang mempunyai kadar karbon rendah.
Dilihat dari kegunaanya maka besi dan baja campuran merupakan tulang punggung
peradaban modern sampai saat ini untuk peralatan transportasi, bangunan, pertanian, dan
peralatan mesin.
2.2.1 Pembutan Besi Kasar
Bahan utama besi dan paduannya adalah besi kasar, yang dihasilkan dalam tanur tinggi.
Bijih besi yang dicampur dengan kokas atau batu gampang (batu kapur) dilebur dalam tanur
ini. Komposisi kimia besi yang dihasilkan tergantung pada jenis bijih yang digunakan. Jenis
bijih besi yang lazim digunakan adalah hematite, magnetite, siderite, dan himosit.
Hematite (Fe2O3) adalah bijih besi yang paling banyak dimanfaatkan karena kadar
besinya tinggi, sedangkan kadar kotoranya relative rendah, Meskipun pirirt (FeS2) banyak
ditemukan, jenis bijih ini tidak digunakan dikarenakan kadar sulfur tinggi sehingga
diperlukan pemurniaan tambahan.
a. Reduksi tidak langsung
10
Besi kasar dihasilkan dalam tanur tinggi. Diameter tanur tinggi sekitar 8 m dan tingginya
mencapai 60m. kapasitas per hari dari tanur tinggi berkisar antara 700-1600 Mg besi kasar.
Bahan baku yang terdiri dari campuran bijih, kokas, dan batu kapur, dinaikan ke puncak
tanur dengan pemuat otomatis, kemudian dimasukan dalam hooper. Untuk menghasilkan
1000 Mg besi kasar diperlukan sekitar 2000Mg bijih besi, 800 Mg kokas, 500 Mg batu kapur
dan 4000 Mg udara panas. Bahan baku tersebut disusun secara berlapis-lapis.
Udara panas dihembuskan melalui tuyer sehingga memungkinkan kokas terbakar secara
efektif dan untuk mendorong terbentuknya karbon monoksida (CO) yang bereaksi dengan
bijih besi dan kemudian menghasilkan besi dan gas karbon dioksida (CO2). Dengan
digunakanya udara panas dapat dihemat penggunaan kokas sebesar 30% lebih. Udara
dipanaskan pada pemanas mula yang berbentuk menara silindris sampai sekitar 500 oc kalor
yang diperlukan berasal dari hasil pembakaran gas karbon monoksidayang keluar dari tanur.
Udara panas tersebut memasuki tanur melalui tuyer yang terletak tepat di atas pusat
pengumpulan besi cair.
11
Batu kapur digunakan sebagai fluks yang mengikat kotoran-kotoran yang terdapat dalam
bijih-bijih dan membentuk terak cair. Terak cair ini yang lebih ringan dari besi cair yang
terapung diatasnya dan secara berkala disadap. Besi cair yang telah bebas dari kotoran-
kotoran dialirkan ke dalam cetakan setiap 5 atau 6 jam.
Di samping setiap Mg besi dihasilkan pula 0,5 Mg terakdan 6 Mg gas panas. Terak dapat
dimanfaatkan sebagai bahab bangunan (campuran beton) atau sebagai bahan isolasi panas.
Gas panas dibersihkan dan digunakan untuk pemanas mula udara, untuk membangkitkan
energy atau sebagai media pembakar dapur-dapur lainnya.
Komposisi besi kasar dapat dikendalikan melalui pengaturan kondisi operasi dan
pemilihan susunan campuran bahan baku.
Tabel Klasifikasi Besi Kasar
Mutu besi Silikon Belerang Fosfor Mangan
Pengecoran No.1
Pengecoran No.2
Pengencoran No.3
Mampu-tempa
(malleable)
Bessemer
Basa
2,5-3,0
2,0-2,5
1,5-2,0
0,75-1,5
1,0-2,0
< 1,0
< 0,035
< 0,045
< 0,055
< 0,050
< 0,050
< 0,050
0,05-1,0
0,05-1,0
0,05-1,0
< 0,2
< 0,1
< 0,1
< 1,0
< 1,0
< 1,0
< 1,0
< 1,0
< 1,0
b. Reduksi Langsung
pada proses reduksi langsung bijih besi bereaksi dengan gas atau bahan padat reduksi
membentuk biji spons. Proses ini diterapkan di PT. Krakatau Steel, Cilegon. Di sini bijih besi
pellet direaksikan dengan gas alam dalam dua unit pembuat besi spons, yang masing-masing
berkapasitas 1.000.000 ton per tahun. Besi spons yang dihasilkan mempunyai komposisi
kimia sebagai beriikut:
Fe = 88-91
C = 1,50-2,50
SiO2 = 1,25-3,34
12
Al2O3 = 0,61-1,63
CaO = 0,2-2,1
MgO = 0,31-1,62
P = 0,014-0,027
Cu = 0,001-0,004
Kotoran (oksida-oksida lainnya) = 0,10-0,50
Besi spons yang berbentuk butiran kemudian diolah lebih lanjut dalam dapur listrik. Di
sini besi spons bersama-sama besi tua (scrap) dan paduan besi dilebur dan diolah menjadi
bilet baja. Kebutuhan akan gas alam untuk PT. Krakatau Steel berasal dari dua sumber yakni
sumur gas alam di Mundu, Jatibaranga, kabupaten Cirebon dan \sumur gas alam Elparigi
lepas pantai Cimalaya.
Untuk menghasilakan 63 mg besi spons diperlukan sekitar 100 mg besi pellet. Proses ini
sangat efektif untuk mereduksi oksida-oksida dan belerang sehingga dimanfaatkan bijih besi
berkadar rendah.
2.2.2 Pengolahan Besi Kasar
Besi kasar yang dihasilkan memerlukan pengolahan lebih lanjut. Umunya besi kasar
dituangkan dalam cetakan untuk dicairkan kembali nantinya atau dapat pula diolah langsung
dalam dapur-dapur tertentu. Dengan pengolahan lanjut dapat diperoleh besi karbon rendah
(wrought iron), baja, besi cor, besi mampu tempa atau besi cor nodular.
Jenis logam besi ditentukan oleh kadar karbon dan tergantung pada proses peleburan
kembali atau proses pengolahanya. Setiap proses atau dapur mempunyai karakteristik yang
berlainan. Bahan dan sumber enenrgi yang digunakan berbeda pula. Pembuatan baja
hakekatnya adalah proses pemurnian besi kasar di iringi dengan perpaduan sedemikian
sehingga memenuhi persyaratan kimia tertentu.
Logam Besi dan Baja
Logam besi dapat digolongkan dalam beberapa kelompok berdasarkan komposisi
kimia, khususnya kadar karbon, sifat-sifat mekanis atau fisis dan tujuan penggunaannya.
13
Proses pembuatan baja dapat dilakukan berdasarkan proses asam dan basa yang
berhubungan dengan sifat kimia yang meghasilkan terak dari lapisan dapur.
Proses asam digunakan untuk memurnikan besi kasar yang persetasenya rendah
dalam fosfor dan sulfur. Besi kadar ini dihasilkan dari bijih besi yang kaya silikon yang
menghasilkan terak asam. Lapisan dapur dibangun dari batu silika (SiO2) dan
mempunyai sifat yang sama dengan terak sehingga mencegah reaksi antara unsur fosfor
dengan lapisan dapur.
Proses basa digunakan Untuk memurnikan besi kasar yang kaya fosfor. Unsur itu
hanya dapat dikeluarkan apabila digunakan sejumlah besar dari batu kapur selama
berlangsung proses pemurnian, sehingga akan menghasilkan terak. Lapisan dapur harus
terbuat dari batu kapur untuk mencegah reaksi antara lapisan dapur dengan unsur silikon.
Besi karbon rendah
Besi karbon rendah ( wrought iron) mengandung < 0,1 %C degan 1-3 % terak
halus yang tersebar secara merata di dalamnya. Besi ini merupakan hasil proses pudding
atau proses aston.
Pada proses pudding, besi kasar dicampur dengan besi bekas lalu dilebur dalam
dapur pudding manual yang kecil ( kapasitas 230 kg) dipanaskan dengan kokas, minyak
atau gas. Kapasitas dapur kini jauh lebih besar dan proses pengadukan dilakukan secara
mekanik. Setelah bebas dari kotoran-kotoran produk yang berbentuk campuran dari besi
dan terak d ituang dari dalam dapur kemudian digiling untuk memisahkan terak.
Pada proses aston, besi kasar dilebur dalam kupola dan dimurnikan dalam bejana
bassemer. Logam murni kemudian dituang d ladel yang mengandung sejumlah terak.
Karena suhu terak lebih rendah, logam cair cepat membeku, gas-gas yang larut bebas dari
letupan-letupan sehingga logam pecah menjadi bagian-bagian yang kecil. Kepingan ini
mengendap dan menjadi satu membentuk beji spons. Besi karbon rendah yang dihasilkan
mempunyai komposisi sebagai berikut : C < 0,03 % ; Si ~ 0,13 ; S < 0,02 % ; F ~ 0,28 %
dan Mn < 0,1 %
14
Baja
Baja merupakan paduan yang terdiri dari biji besi, karbon dan unsur lainnya. Baja
dapat dibentuk melalui pengecoran, pencanaian dan penempaan. Karbon merupakan
salah satu unsur terpenting karena dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja. Baja
merupakan logam yang paling banyak digunakan dalam teknik, dalam bentuk pelat,
lembaran , pipa, batang profil dan sebagainya.
Secara garis besar baja dapat dikelompokkan sebagai berikut:
A. Baja karbon
Baja karbon rendah ( <0,30 %C)
Baja karbon ( 0,30 % < C < 0,70)
Baja karbon ( 0,7 < C < 1,4% )
B.
Baja panduan
Baja panduan rendah (jumlah unsur panduan khusus <8%)
Baja panduan tinggi (jumlah unsur panduan khusus >8%)
Baja karbon rendah digunakan untuk kawat, baja profil, sekrup, ulir dan baut.
Baja karbon sedang digunakan untuk rel kereta api, as, roda gigi, dan suku cadang
berkekuatan tinggi, atau dengan kekerasan sampai tinggi. Baja karbon tinggi digunakan
untuk perkakas potong seperti pisau, gurd, dan bagian-bagian harus tahan gesek.
Baja panduan yang meliputi ±15 % dari seluruh produksi baja, mempunyai
kegunaan khusus karena sifatnya yang unggul dibandingkan baja karbon.
Pada umumnya baja panduan memiliki:
1. Keuletan yang tinggi tanpa pengurangan kekuatan tarik
2. Kemampuan kerasan sewaktu dicelup dalam minyak atau udara , dan dengan demikian
kemungkinan retak atau distorsinya kurang.
15
3. Tahan terhadap korosi dan keausan
4. Tahan terhadap perubahan suhu
5. Memiliki sifat-sifat metalurgi Seperti butir halus.
Besi cor
Besi cor adalah paduan besi-karbon-silika dengan unsur tambahan lain. Kadar
karbon tinggi sehingga besi cor bersifat rapuh dan tidak dapt di tempa. Besi cor memiliki
sifat fisis atau mekanik yang berbeda-beda, ha ini dipengaruhi oleh unsur paduan yang
terdapat didalamnya seperti karbon, silikon, mangan, fosfor dan belerang. Kekuatan,
kekerasan, kemampuan mesin, ketahanan aus, dan lain sebagainya dilebur kembali dalam
dapur kupola. Besi kasar yang dihasilkan oleh tanur tinggi tidak cocok untuk benda coran
dan dilebur kembali dalam dapur kupola.
Besi cor kelabu disebut begitu oleh karena petahannya bewarna Keabu - abuan.
Karbon yang terdapat berbentuk serpihan grafit, kekuatan tarik besi cor kelabu berkisar
antara 140 sampai 415 Mpa akan tetapi keuletannya sangat rendah. Komposisinya adalah
sebagai berikut :
Unsur Kadar (% berat)
Karbon (C) 3,00 – 3,50
Silikon (Si) 1,00 – 2,75
Mangan (Mn) 0,40 – 1,00
Fosfor (P) 0,15 – 1,00
Belerang (S) 0,02 – 0,15
Besi (Fe) Sisanya
Besi cor putih mempunyai bidang perpatahan yang putih warnanya, karbon disini terikat
sebagai karbida, Fe3C, Fe3C atau karbida bersifat keras, sehingga besi cor putih yang banyak
mengandung karbida sulit di mesin. Besi cor putih dibuat dengan cara menuangkan besi cair ke
dalam cetakan logam dan dengan mengatur komposisi kimianya. Pendingin cepat atau chill
diterapkan bila dikehendaki suatu permukaan yang tahan aus seperti roda kereta api, rol untuk
menggerus dan pelat penghancur batu.
16
Besi cor mampu tempa mempunyai kekuatan tarik sekitar 380 Mpa dengan perpanjangan
18 %. Benda cor mampu tempa mempunyai daya tahan terhadap kejutan dan mudah dimesin;
banyak digunakan dalam industry perkeretaapian, industry kendaraan bermotor, sambungan pipa
dan industry pertanian.
Besi cor nodular adalah jenis besi cor mampu tempa yang kuat dan ulet. Karbon yang
terdapat berbentuk nodul grafit yang diperoleh dengan menambahkan bahan yang mengandung
magnesium seperti nikel – magnesium atau magnesium yang mengandung tembaga – ferro
silicon dalam besi cor kelabu cair. Jumlah magnesium yang diperlukan tergantung pada kadar
belerang yang ada. Mula – mula kadar belerang diturunkan dengan cara mengubahnya menjadi
sulfide magnesium. Sisa magnesium yang ada dapat mengubah bentuk grafit menjadi bentuk
hhhnodular. Besi cor nodular umumnya digunakan dalam kondisi tuang (as - cast); meskipun
demikian untuk meningkatkan sifat – sifat tertentu dari benda cor, benda cor dapat dianil
sebentar. Waktu anil yang diperlukan jauh lebih singkat dibandingkan dengan waktu anil besi cor
mampu tempa. Karena mutu besi cor nodular jauh lebih baik, bahan ini dapat digunakan untuk
membuat proses engkol dan berbagai suku cadang mesin lainnya.
2.3.4 Pengaruh Unsur Kimia dalam Besi Cor
Besi yang mengandung >2% karbon termasuk kelompok besi cor. Besi cor kelabu
mengandung 3 – 4 % karbon. Kadar karbon tergantung pada jenis besi kasar, besi bekas dan
karbon yang diserap yang berasal dari kokas selama proses peleburan. Sifat fisik logam, selain
tergantung pada jumlah kadar karbon, tergantung pula pada bentuk karbon tersebut. Morfologi
grafit tergantung pada laju pendinginan dan kadar silicon. Kadar silicon yang tinggi
memperbesar kemungkinan terbentuknya grafit. Grafit meningkatkan kemampuan pemesinan.
Kekerasan dan kekuatan besi meningkat dengan bertambahnya kadar karbon. Sifat besi cor dapat
diubah melalui perlakuan panas.
a. Silikon
Silicon sampai kadar 3,25% bersifat menurunkan kekuatan besi. Kadar silicon menentukan
berapa bagian dari karbon terikat dengan besi dan beberapa bagian berbentuk granit (atau karbon
bebas) setelah tercapai keadaan seimbang. Kelebihan silicon membentuk ikatan yang keras
17
dengan besi, sehingga dapat dikatakan bahwa silicon di atas 3,25% akan meningkatkan
kekerasan.
Untuk benda coran yang kecil dianjurkan untuk menggunakan kadar silicon yang tinggi
dan untuk benda coran yang besar dianjurkan untuk menggunakan kadar yang lebih rendah.
Untuk memperoleh paduan yang tahan asam dan tahan korosi sebaiknya kadar silicon = 13
sampai 17 %. Besi tuang kelabu berkadar silicon rendah mudah untuk perlakuan panas. Silicon
yang mungkin hilang selama proses peleburan berjumlah ± 10%.
b. Mangan
Dalam jumlah rendah, tidak seberapa pengaruhnya, dalam jumlah di atas 0,5%, mangan
bereaksi dengan belerang membentuk sulfide mangan. Ikatan ini rendah bobot jenisnya dan
dapat larut dalam terak. Mangan merupakan unsure deoksidasi, pemurnian sekaligus
meningkatkan fluiditas, kekuatan dan kekerasan besi. Bila kadar ditingkatkan, kemungkinan
terbentuknya ikatan kompleks dengan karbon meningkat dan kekerasa besi cor akan naik.
Mangan yang hilang selama proses peleburan berkisar antara 10 – 20 %.
c. Belerang
Belerang sangat merugikan, oleh karena itu selama proses peleburan selalu diusahakan
untuk mengikat belerang tersebut, antara lain dengan menambahkan ferro – mangan. Belerang
yang menyebabkan terjadinya lubang – lubang (blowholes) membentuk ikatan dengan karbon
dan menurunkan fluiditas sehingga mengurangi kemampuan ikatan dengan karbon dan
menurunkan fluiditas sehingga mengurangi kemampuan tuang besi cor. Setiap kali kita melebur
besi cor, kadar belerang meningkat sebesat 0,03%, belerang ini berasal dari bahan bakar.
d. Fosfor
Fosfor dapat meningkatkan fluiditas logam cair dan menurunkan titik cair. Oleh karena itu
biasa digunakan faktor sampai 1% dalam benda cor kecil dan benda cor yang mempunyai bagian
– bagian yang tipis. Benda cor besar tidak memerlukan kadar fosfor yang tinggi karena tidak
diperlukan fluiditas tambahan. Sewaktu peleburan umumnya terjadi peningkatan kadar fosfor
sampai 0,02%. Unsur fosfor sulit beroksidasi kecuali bila dipenuhi beberapa persyaratan tertentu.
Untuk mengendalikan kadar fosfor, perlu dipilih grade besi bekas yang tepat.
18
Fosfor juga membentuk ikatan yang dikenal dengan nama steadit, yaitu campuran antara
besi dan fosfida, ikatan ini keras, rapuh dan mempunyai titik cair yang lebih rendah. Steadit
mengandung fosfor sebanyak 10%. Dengan demikian besi dengan 0,50% fosfor akan
mengandung sekitar 5% (volume) steadit.
2.4 Jenis Baja Paduan
Berdasarkan unsur – unsur campuran dan sifat dari baja maka baja paduan dapat
digolongkan menjadi baja dengan kekuatan tarik yang tinggi, tahan pakai, tahan karat, dan baja
tahan panas
1. Baja dengan kekuatan tarik yang tinggi
Baja ini mengandung mangan, nikel, kromium dan sering juga mengandung vanadium dan
dapat digolongkan seperti berikut ini.
a. Baja mangan
Baja ini mengandung 0,35% dan 1,5% Mn dan baja ini termasuk baja murah tetapi
kekuatannya baik. Baja ini dapat didinginkan dengan minyak karena mengandung
unsur mangan sehingga temperatur pengerasannya rendah dan menambah kekuatan
struktur feritnya.
b. Baja nikel
Baja ini mengandung 0,3% C, 3% Ni, dan 0,6% Mn serta mempunyai kekuatan dan
kekerasan yang baik, dapat didinginkan dengan minyak karena mengandung unsur
nikel yang membuat temperature pengerasannya rendah. Baja ini digunakan untuk
proses engkol, batang penggerak, dan pengguna lainnya yang hampir sama.
c. Baja nikel kromium
Baja ini mempunyai sifat yang keras berhubungan dengan campuran unsure kromium
dan sifat yang liat berhubungan dengan campuran unsur nikel. Baja yang mengandung
0,3% C, 4,35% Ni, 1,25% Cr, dan 0,5% Mn (mengandung nikel dan kromium yang
tinggi), mempunyai kecepatan pendinginan yang rendah sehingga pendinginan dapat
dilakukan dalam hembusan udara dan distorsi diperkecil. Apabila unsur krom dicampur
sendiri kedalam baja akan menyebabkan kecepatan pendinginan kritis yang amat
rendah, tetapi bila dicampur dengan bersama nikel akan diperoleh baja yang bersifat
liat. Jenis baja tersebut digunakan untuk poros engkol dan batang penggerak. Baja
19
nikel kromium menjadi rapuh apabila distemper atau disepuh pada temperature 250 –
400 0C, juga kerapuhannya tergantung pada komposisinya, proses ini dikenal dengan
nama “menemper kerapuhan” dan baja ini dapat diperiksa dengan penyelidikan pukul
tarik. Penambahan sekitar 0,3% molibden akan mencegah kerapuhan karena distemper,
juga akan mengurangi pengaruh yang menyeluruh terhadap baja karena molibden
adalah unsur berbentuk karbid.
d. Baja kromium vanadium
Jika baja ini ditambahkan sekitar 0,5% vanadium sehingga dapat memperbaiki
ketahanan baja kromium terhadap guncangan atau getaran dan membuatnya dapat
ditempa dan ditumbuk dengan mudah, apabila vanadium menggantikan nikel maka
baja lebih cenderung mempengaruhi sifat – sifatnya secara menyeluruh.
2. Baja tahan pakai
Berdasarkan unsur – unsur campuran yang larut di dalamnya, baja terdiri dari dua macam,
yaitu baja mangan berlapis austenite dan baja kromium.
a. Baja mangan yang berlapis austenite
Baja ini pada dasarnya mengandung 1,2% C, 12,5% Mn, dan 0,75% Si. Selain itu juga
mengandung unsur – unsur berbentuk karbit seperti kromium atau vanadium yang
kekuatannya lebih baik.
b. Baja kromium
Jenis ini mengandung 1% C, 1,4% Cr, dan 0,45% Mn. Apabila baja ini mengandung
unsur karbon tinggi yang bercampur bersama – sama dengan kromium akan
menghasilkan kekerasan yang tinggi sebagai hasil dari pendinginan dengan minyak.
Baja ini digunakan untuk peluru – peluru bulat dan perlatan penggilingan padi.
3. Baja tahan karat
Baja tahan karat (stainless steel) mempunyai seratus lebih jenis yang berbeda – beda. Akan
tetapi, seluruh baja ini mempunyai satu sifat karena mengandung kromium yang dapat
membuatnya tahan terhadap karat. Baja tahan karat ini dapat dibagi ke dalam tiga kelompok
dasar, yakni baja tahan karat berlapis ferit, berlapis austenite, dan berlapis mertensite.
20
a. Baja tahan karat ferit
Baja ini mengandung unsur karbon yang rendah (sekitar 0,04% C) dan sebagian besar
dilarutkan di dalam besi. Sementara itu, unsur lainnya yaitu kromium sekitar13% -
20% dan tambahan kromium tergantung pada tingkat ketahanan karat yang diperlukan.
Baja ini tidak dapat dikeraskan dengan cara disepuh. Baja ini seringkali disebut besi
tahan karat dan cocok untuk dipres, ditarik, dan dipuntir. Baja ini mengandung 13%
kromium digunakan untuk garpu dan sendok, sedangkan yang mengandung 20%
kromium untuk tabung sinar katoda.
b. Baja tahan karat austenite
Baja tahan karat austenite mengandung nikel dan kromium yang amat tinggi, nikel
akan membuat temperature transformasinya rendah, sedangkan kromium akan
membuat kecepatan pendinginan kritisnya rendah. Campuran kedua unsur itu
menghasilkan struktur lapisan austenite pada temperature kamar. Baja ini tidak dapat
dikeraskan melalui perlakuan panas, tetap dapat disepuh keras. Pengerjaan dan
penyepuhan tersebut membuat baja sukar dikerjakan dengan mesin perkakas. Seperti
baja austenite yang lain, baja tahan karat austenite tidak magnetis.
Baja tahan karat yang mengandung 0,15% C, 8,5% Ni, dan 0,8% Mn sesuai untuk
digunakan sebagai alat – alat rumah tangga dan dekoratif. Baja tahan karat yang
mengandung 0,05% C, 18,55% Cr, 10% Ni, dan 0,8% Mn, baik untuk dikerjakan
dengan cara penarikan dalam karena kandungan karbonnya rendah. Baja tahan karat
yang mengandung 0,3% C, 21% Cr, 9% Ni, dan 0,7% Mn sesuai untuk dituang.
Kebanyakan baja tahan karat austensite mengandung sekitar 18% kromium dan 8%
nikel. proporsi unsur kromium dan nikel sedikit berbeda dengan penambahan dalam
proporsi yang kecil dari unsure molybdenum, titanium, dan tembaga untuk
menghasilkan sifat – sifat yang special. Baja dalam kelompok ini digunakan apabila
diperlukannya ketahanan terhadap panas.
c. Baja tahan karat mertensite
Baja tahan karat mertensit mengandung sejumlah besar unsur karbon dan dapat
dikeraskan melalui perlakuan panas, juga mempengaruhi sifat – sifatnya melalui
pengerasan dan penyepuhan. Baja yang mengandung 0,1% C, 13% Cr, dan 0,5% Mn
21
ini dapat didinginkan untuk memperbaiki kekuatannya, tetapi tidak menambah
kekerasan. Baja ini seringkali disebut besi tahan karat dan digunakan khususnya untuk
peralatan gas turbin dan pekerjaan dekoratif.
4. Baja tahan panas
Masalah utama yang berhubungan dengan penggunaan temperature tinggi adalah
kehilangan kekuatan, beban rangkak, serangan oksidasi, dan unsur kimia. Kekuatannya pada
temperature tinggi dapat diperbaiki dengan menaikkan temperature transformasinya dan
penambahan unsur kromium atau dengan merendahkan temperature transformasinya dan
penambahan unsur nikel.
Kedua pengerjaan itu akan menghasilkan struktur austensite. Sejumlah kecil tambahan
unsur titanium, aluminium, molybdenum dengan karbon akan menaikkan kekuatan dan
memperbaiki ketahanannya terhadap beban rangkak. Unsur nikel akan membantu penahanan
kekuatan pada temperature tinggi dengan memperlambat atau menahan pertumbuhan butiran –
butiran yang baru. Ketahanannya terhadap oksidasi dan serangan kimia dapat diperbaiki dengan
menambahkan silicon atau kromium.
5. Baja paduan yang digunakan pada temperature rendah
a. Baja pegas
Pegas kendaraan dibuat dari baja yang mengandung sekitar 0,8% C sesuai dengan sifat
– sifatnya yang dibutuhkan dan ditambahkan dengan lebih dari 0,4% Si dan 0,8 % Mn.
Baja pegas dikeraskan dengan pendinginan air atau minyak sesuai dengan
komposisinya. Pegas katup dibuat dari baja yang sama dengan pegas kendaraan juga
ditambahkan 1,5% Cr dan 0,17% V ke dalam karbon dan nikel.
b. Baja katup mesin (motor)
Katup yang menerima beban rendah digunakan baja yang mengandung 0,3% C, 3,5%
Ni, 0,35% Cr, dan 0,35% Si. Kandungan unsur silicon dan kromium menaikkan beban
yang dapat diterima katup sehingga dapat menerima beban yang berat. Katup untuk
motor pesawat terbang dibuat dari baja austensite dengan kandungan sekitar 10 % Ni
dan 12 -16% Cr. Katup pompa seringkali dibuat berlubang dan mengandung natrium
untuk pendinginan.
22