Baja dan logam besi
Materi
Produksi besi dan baja
Pengecoran ingot
Pengecoran kontinu
Baja karbon dan paduan
Baja tahan karat
Baja pekakas dan dies
Pembuatan Besi dan Baja
Pembuatan Besi Kasar
Bahan utama besi dan paduannya adalah besi
kasar, komposisi kimia besi yang dihasilkan
tergantung pada jenis bijih yang digunakan. Jenis
bijih besi yang lazim digunakan adalah ; hematite,
magnetit, siderite dan himosit.
Hematit (Fe2O3) adalah bijih besi yang paling
banyak dimanfaatkan karena kadar besinya tinggi,
sedangkan kadar kotorannya relative rendah.
Tanur Tinggi
Diameter tanur sekitar 8 m dan tingginya mencapai 60 m
Kapasitas perhari dari tanur tinggi berkisar antara 700 – 1600 Mg besi kasar.
Bahan baku terdiri dari campuran bijih besi, kokas, batu kapur.
Untuk menghasilkan 1000 Mg besi kasar diperlukan sekitar 2000 Mg bijih besi, 800 Mg Kokas dan 500 Mg batu kapur.
Proses
Bahan baku yang terdiri dari campuran bijih besi, kokas
dan batu kapur, dinaikkan kepuncak tanur dengan
pemuat otomatis, kemudian dimasukkan kedalam hopper.
Udara panas dihembuskan melalui tuyer sehingga
memungkinkan kokas terbakar secara efektif dan untuk
mendorong terbentuknya karbon monoksida (CO). Karbon
monoksida bereaksi dengan bijih besi dan kemudian
menghasilkan besi dan gas karbon dioksida (CO2).
Dengan digunakan udara panas dapat dihemat
penggunaan kokas sebesar 30 %, udara dipanaskan
dalam pemanas mula yang berbentuk menara silindris
sampai sekitar 500 oC.
Proses
Batu kapur digunakan sebagai fluks yang mengikat
kotoran-kotoran yang terdapat dalam bijih-bijih, dan
membentuk terak cair. Terak cair ini lebih ringan dari
besi cair yang menyebabkan terak terapung
diatasnya dan secara berkala disadap.
Disamping setiap Mg besi dihasilkan pula 0,5 Mg terak
dan 0,6 Mg gas panas.
Besi cair yang telah bebas dari kotoran-kotoran
dialirkan ke dalam cetakan setiap 5 atau 6 jam.
Manufaktur Besi dan Baja
Figure 5.1 Schematic illustration of a blast furnace.
Flowchart manufaktur besi/baja
Bahan Baku
Pada proses pembuatan besi/baja diperlukan bahan
bahan baku/mentah, antara lain :
Bijih besi,
Batu bara,
Batu kapur.
Bijih besi (Ore)
Bijih besi adalah suatu zat mineral yang
mengandung cukup kadar besi untuk dileburkan,
yaitu kira-kira 20%.
Komposisi dan bentuk bijih bijih besi itu ber-beda
beda antara sumber yang satu dengan yang
lainnya, ada yang berupa karang yang keras
sekali, ada yang berupa butiran butiran kecil dan
ada juga yang berupa tanah yang gembur dan
dengan warna yang bervariasi dari hitam sampai
merah bata.
Besi merupakan suatu komposisi kimia (biasanya
suatu oksida) dan pada umumnya kebanyakan
mengandung bahan oksida besi.
Batu Bara (Kokas)
Kokas mempunyai tiga peranan pada tanur tinggi yaitu:1. Sebagai bahan bakar untuk peleburan,
2. Sebagai sumber gas karbon monoksida (CO) yang merupakan
unsur pemisah untuk mengubah oksida besi menjadi besi,
3. Sebagai suatu bahan penahan beban tanpa terjadi
penyumbatan.
Sifat berporinya akan mempermudah lewatnya gas
melalui tanur. Hal ini bisa dibuat dengan jalan
memanggang kokas yang telah dipilih lebih dulu, dalam
pemanas yang besar dan tertutup rapat.
Zat-zat kimia yang mudah menguap akan keluar dari
kokas, dan setelah dibersihkan akan bisa digunakan
sebagai bahan bakar di bagian pabrik yang lain.
Batu gamping (limestone)
Batu gamping dibutuhkan
sebagai bahan pencair yang
akan bersatu dengan bahan-
bahan dari luar, disatukan
dengan bijih besi.
Bahan-bahan tersebut akan
bersatu dan membentuk
terak yang terpisah dari besi.
Tungku dan bahan baku
proses pembentukan besi
Besi cor (casting iron) diperoleh
dengan menggunakan dapur :
1.Dapur Basic Oksigen (Basic Oxigen Furnace)
2.Dapur Terbuka (Open Hearth Furnace)
3.Dapur Listrik (Electric Arch Furnace)
Bahan baku dapur berupa :
1. besi mentah (Pig Iron)
2. baja bekas (Steel Scrap)
3. besi bekas (Iron Scrap)
Scrap
Basic-oxygen Process
Figure 5.3 Schematic illustration showing (a) charging, (b) melting, and (c) pouring of molten iron in a basic-oxygen process.
Basic-oxygen Process
Proses tanur oksigen basa ( Basic Oxygen
Furnace, BOF) menggunakan besi kasar (65 – 85
%) yang dihasilkan oleh tanur tinggi sebagai
bahan dasar utama dicampur dengan besi
bekas dan batu kapur.
Panas ditimbulkan oleh reaksi dengan oksigen.
Gagasan ini dicetuskan oleh Bessemer sekitar
tahun 1800.
Basic-oxygen Process
Besi bekas sebanyak ± 30% dimasuk-kan kedalam bejana yang dilapisi batu tahan api basa.
Logam panas dituangkan kedalam bejana tersebut. Suatu pipa aliran oksigen yang didinginkan dengan air dimasukkan kedalam bejana 1 sampai 3 m diatas permukaan logam cair. Unsur-unsur karbon, mangan dan silicon akan
teroksidasi. Batu kapur dan kalsium fluor ditambahkan
untuk mengikat kotoran-kotoran seperti fosfor dan
belerang dan membentuk terak.
Jenis Baja yang dihasilkan oleh proses ini adalah Baja
karbon & Baja paduan 0,1 % < c < 2,0 %
Electric Furnaces
Figure 5.2 Schematic illustrations of types of electric furnaces: (a) direct arc, (b) indirect arc, and (c) induction.
Continous Casting
Figure 5.4 (a) The continuous-casting process for steel. Typically, the solidified metal descends at a speed of 25 mm/s (1 in./s). Note that the platform is about 20m (65ft.) above ground level. Source: Metalcaster’s Reference and Guide,American Foundrymen’s Society. (b) Continuous strip casting of nonferrous metal strip. Source: Courtesy of Hazelett.
Pengolahan baja lumer
Baja lumer sudah tentu harus dipadatkan dulu
sebelum pengolahan selanjutnya; bisa dibuat
dalam tiga cara yaitu :
1. dibuat ingot (bentuk padatan);
2. diolah dengan mesin pengecoran selanjutnya
(Continous Casting);
3. digunakan untuk pembuatan baja-baja cor.
Proses Manufaktur besi/baja
Keluaran dari proses pengecoran adalah :
1. Billets
2. Blooms
3. Slabs
Flowchart produk besi/baja
Pengolahan Billet, Slabs dan Bloom
Logam Besi
Logam besi
Baja karbon
Baja paduan
Baja pekakas & dies
Baja tahan karat
Besi tuang
Baja karbon
Menurut kadungan C
Baja karbon rendah: C<0,3%, untuk baut, mur, lembaran, pelat, tabung, pipa, komponen mesin berkekuatanrendah
Baja karbon menengah: 0,3%<C<0,6%, untuk roda gigi, axle, batang penghubung, crankshaft, rel, komponenuntuk mesin pengerjaan logam
Baja karbon tinggi: 0,6%<C<1,0%, untuk mata pahat, kabel, kawat musik, pegas
Contoh :
Baja seri 1045
• 1045 termasuk seri 10xx atau seri baja karbon
• Angka 45 merupakan kandungan karbon = 45/100 % = 0,45%
Klasifikasi baja menurut AISI & SAE
Baja Paduan
Baja paduan rendah berkekuatan tinggi (high strength
alloy steel)
C<0,30%
Struktur mikro: butir besi- halus, fasa kedua
martensit & besi-d
Produknya: pelat, balok, profil
Baja fasa ganda (Dual- phase steel)
Strukturmikro: campuran besi- & martensit
Baja paduan rendah berkekuatan tinggi
Kekuatan luluh Komposis kimia Deoksidasi
103 Psi MPa
35 240
S = kualitas struktur
X = paduan rendah
W = weathering
D = fasa ganda
F = kill + kontrol S
K = kill
O = bukan kill
40 275
45 310
50 350
60 415
70 485
80 550
100 690
120 830
140 970
Contoh : 50XF
50 → kekuatan luluh 50x103 PsiX → paduan rendahF → kill + kontrol S
Baja Pekakas & Dies
Baja paduan dengan ketahanan pakai dan tangguh serta berkekuatan tinggi
Tipe Grade AISI-SAE Karakter
Pengerasan dgn air W
Pengerjaan dingin O
A
D
Pengerasan dgn oli
Pengerasan dgn air
Paduan menengah, C dan Cr tinggi
Tahan kejut S
Kecepatan tinggi T
M
Basis W
Basis Mo
Pengerjaan panas H H1-H19 (Basis Cr), H20-H39 (basis W),
H40-H59 (basis Mo)
Mold plastik P
Pengunaan khusus L
F
Paduan rendah
C-W
Baja tahan karat
Sifatnya tahan korosi, kekuatan & keuletan tinggi dan
kandungan Cr tinggi
Kandungan lain : Ni, Mo, Cu, Ti, Si, Mg, Cb, Al, N dan S
Jenis baja tahan karat
Austenitik (seri 200 & 300)
Ferritik (seri 400)
Martemsitik (seri 400 & 500)
Pengerasan presipitasi
Struktur Duplek
Jenis baja tahan karat
Austenitik (seri 200 & 300)
Mengandung Cr, Ni dan Mg
Bersifat tidak magnit, tahan korosi
Untuk peralatan dapur, fitting, konstruksi, peralatan transport, tungku, komponen penukar panas, linkungan kimia
Ferritik (seri 400)
Mengandung Cr tinggi, hingga 27%
Bersifat magnit, tahan korosi
Untuk peralatan dapur.
Martemsitik (seri 400 & 500)
Mengandung 18%Cr, tidak ada Ni
Bersifat magnit, berkekuatan tinggi, keras, tahan patah dan ulet
Untuk peralatan bedah, instrument katup dan pegas
Jenis baja tahan karat
Pengerasan presipitasi
Mengandung Cr, Ni, Cu, Al, Ti, & Mo
Bersifat tahan korosi, ulet dan berkekuatan tinggi pada suhu
tinggi
Untuk komponen struktur pesawat dan pesawat ruang
angkasa
Struktur Duplek
Campuran austenit & ferrit
Untuk komponen penukar panas dan pembersih air
Besi cor
Besi tuang disusun
oleh besi, 2,11-4,50%
karbon dan 3,5%
silikon
Kandungan Si
mendekomposisi
Fe3C menjadi Fe-
dan C (garfit)
Jenis besi cor
Besi cor kelabu
Disusun oleh serpihan C (grafit) yang tersebar pada besi-
Bersifat keras & getas
Penyerap getaran
Besi cor nodular (ulet)
C (grafit)nya berbentuk bulat (nodular) tersebar pada besi-.
Nodular terbentuk karena besi cor kelabu ditambahkan sedikit unsur magnesium dan cesium
Keras & ulet
Besi cor tuang putih
Besi cor malleable
Jenis besi cor
Besi cor kelabu
Besi cor nodular (ulet)
Besi cor tuang putih
Disusun oleh besi- dan besi karbida (Fe3C)
Terbentuk melalui pendinginan cepat
Getas, tahan pakai dan sangat keras
Pengunaannya untuk connecting rod, gear transmissi, flange, fitting pipa dan komponen katup
Besi cor malleable
Disusun oleh besi- dan C (grafit)
Dibentuk dari besi cor putih yang dianil pada 800-900oC dalam atmosphere CO & CO2
LOGAM BUKAN BESI DAN PADUAN
MATERI
• Aluminium dan paduan aluminium
• Magnesium dan paduan magnesium
• Tembaga dan paduan tembaga
• Nikel dan paduan nikel
• Superalloy
• Titanium dan paduan titanium
Logam Bukan Besi
PENDAHULUAN• Logam & paduan bukan besi :
• Logam biasa: Al, Cu, Mg• Logam/paduan tahan suhu tinggi: W, Ta, Mo
• Aplikasi untuk :• Ketahanan korosi• Konduktifitas panas & listrik tinggi• Kerapatan rendah• Mudah dipabrikasi
• Contoh :• Al untuk pesawat terbang, peralatan masak• Cu untuk kawat listrik, pipa air• Zn untuk karburator• Ti untuk sudu turbin mesinjet• Ta untuk mesin roket
ALUMINIUM• Bauksit banyak terdapat di daerah Bintan dan
kalimantan. Cara penambangan terbuka.
• Bauksit kemudian dihaluskan , dicuci dan dikeringkan, sesudah itu bauksit mengalami pemurnian menjadi oksida aluminum atau alumina.
• Proses Bayer, yang dikembangkan oleh Karl Josef Bayer, seorang ahli kimia berkebangsaan Jerman, biasanya digunakan untuk memperoleh aluminium murni. Bauksit halus yang kering dimasukkan ke dalam pencampuran, diolah dengan soda api (NaOH) di bawah pengaruh tekanan dan pada suhu di atas titik didih.
ALUMINIUM
ALUMINIUM• Produk Wrough (tempa)
1xxx Al murni: 99,00%
2xxx Al+Cu
3xxx Al+Mn
4xxx Al+Si
5xxx Al+Mg
6xxx Al+Mg+Si
7xxx Al+Zn
8xxx Al+unsur lain
ALUMINIUM• Produk Cor
1xx.x Al murni: 99,00%
2xx.x Al+Cu
3xx.x Al+Si, Cu, Mg
4xx.x Al+Si
5xx.x Al+Mg
6xx.x Tidak digunakan
7xx.x Al+Zn
8xx.x Al+Pb
PERLAKUAN UNTUK PRODUK ALUMINIUM WROUGH DAN COR
F Hasil pabrikasi (pengerjaan dingin atau panas
atau cor)
O Proses anil (hasil pengerjaan dingin atau panas
atau cor)
H Pengerjaan regangan melalui pengerjaan dingin
(utk produk wrough)
T Perlakuan panas
MAGNESIUM & PADUAN MAGNESIUM
• Logam terringan dan penyerap getaran yg baik
• Aplikasi:
• Komponen pesawat dan missil
• Mesin pengankat
• Pekakas
• Tangga
• Koper
• Sepeda
• Komponen ringan lainnya.
PADUAN MAGNESIUM: PRODUK WROUGH DAN COR
Paduan Komposisi (%) Kondisi Pembentuk
kanAl Zn Mn Zr
AZ31B 3,0 1,0 0,2 F H24 Ekstrusi
lembaran
dan pelat
AZ80A 8,5 0,5 0,2 T5 Ekstrusi
dan tempa
HK31A 0,7 H24 Lembaran
dan pelat
ZK60A 5,7 0,55 T5 Ekstrusi
dan tempa
PENAMAAN PADUAN MAGNESIUM• Huruf 1 & 2 menyatakan unsur pemadu utama
• Angka 3 & 4 menyatakan % unsur pemadu utama
• Huruf 5 menyatakan standar paduan
• Huruf dan angka berikutnya menyatakan perlakuan panas
Contoh : AZ91C-T6
A→ Al
Z → Zn
9 → 9%Al
1 → 1%Zn
C → Standar C
T6 → Perlakuan panas
TEMBAGA & PADUAN TEMBAGA• Sifat paduan tembaga:
• Konduktifitas listrik dan panas tinggi
• Tidak bersifat magnit
• Tahan korosi
• Aplikasi
• Komponen listrik dan elektronik
• Pegas
• Cartridge
• Pipa
• Penukar panas
• Peralatan panas
• Perhiasan, dll
TEMBAGA• Tembaga diperoleh dari bijih tembaga yang
disebut Chalcopirit.
• Besi yang ada larut dalam terak dan tembaga yang tersisa / matte dituangkan kedalam konverter.
• Udara dihembuskan kedalamnya selama 4 atau 5 jam, kotoran teroksidasi, dan besi membentuk terak yang dibuang pada waktu tertentu. Bila udara dihentikan, oksida kupro bereaksi dengan sulfida kupro maka akan membentuk Tembaga blister dan Dioksida belerang.
• Tembaga blister ini dilebur dan dicor menjadi slab, kemudian diolah secara elektrolitik menjadi tembaga murni.
TEMBAGA
JENIS PADUAN TEMBAGA• Kuningan (Cu+Zn)
• Perunggu (Cu+Sn)
• Perunggu Al (Cu+Sn+Al)
• Perunggu Be (Cu+Sn+Be)
• Cu+Ni
• Cu+Ag
NIKEL & PADUAN NIKEL• Sifat paduan nikel
• Kuat
• Getas
• Tahan korosi pada suhu tinggi
• Elemen pemadu nikel: Cr, Co, Mo dan Cu
• Paduan nikel base = superalloy
• Paduan nikel tembaga = monel
• Paduan nikel krom = inconel
• Paduan nikel krom molybdenum = hastelloy
• Paduan nikel kron besi = nichrome
• Paduan nikel besi = invar
PROSES PENGOLAHAN BIJI NIKEL• dilakukan untuk menghasilkan nikel matte yaitu
produk dengan kadar nikel di atas 75 persen.
• Tahap-tahap utama dalam proses pengolahan :• Pengeringan di Tanur Pengering bertujuan untuk menurunkan
kadar air bijih laterit yang dipasok dari bagian Tambang dan memisahkan bijih yang berukuran 25 mm.
• Kalsinasi dan Reduksi di Tanur untuk menghilangkan kandungan air di dalam bijih, mereduksi sebagian nikel oksida menjadi nikel logam, dan sulfidasi.
• Peleburan di Tanur Listrik untuk melebur kalsin hasil kalsinasi/reduksi sehingga terbentuk fasa lelehan matte dan terak.
• Pengkayaan di Tanur Pemurni untuk menaikkan kadar Ni di dalam matte dari sekitar 27 persen menjadi di atas 75 persen.
• Granulasi dan Pengemasan untuk mengubah bentuk matte dari logam cair menjadi butiran-butiran yang siap diekspor setelah dikeringkan dan dikemas.
SUPPERALLOY• Tahan panas dan tahan suhu tinggi
• Aplikasi: mesin jet, turbin gas, mesin roket, pekakas, dies, industri nuklir, kimia dan petrokimia
• Jenis superalloy• Superalloy besi base: 32-67%Fe, 15-22%Cr, 9-
38%Ni
• Superalloy kobalt base: 35-65%Co, 19-30%Cr, 35%Ni
• Superalloy nikel base: 38-76%Ni, 27%Cr, 20%Co.
TITANIUM• Titanium adalah sejenis metal yang ringan namun
kuat. Sebagai perbandingannya adalah titanium seringan alumunium tetapi lebih kuat dari baja.
• Bentuk tidak akan berubah sekalipun telah dipakai dalam jangka waktu yang cukup lama.
• Bahan Titanium juga digunakan untuk keperluan militer baik itu darat,laut,udara, satelit, pesawat komersial maupun pesawat tempur, bahkan alat alat berat lainnya yang dimana membutuhkan daya tahan titanium.
• Bahan Titanium digunakan untuk medis, misalnya untuk mengganti tulang yang hancur atau patah.
TITANIUM• Titanium sangat penting bagi industri
penerbangan karena sebuah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol Ti dan nomor atom 22. Dia merupakan logam transisi yang ringan, kuat, 'lustrous', tahan korosi (termasuk tahan terhadap air laut dan chlorine dengan warna putih-metalik-keperakan.
• Titanium digunakan dalam alloy kuat dan ringan (terutama dengan besi dan aluminum) dan merupakan senyawa terbanyaknya, titanium dioxide, diguankan dalam pigmen
KEUNGGULAN TITANIUM• Salah satu karakteristik Titanium yang paling
terkenal adalah dia sama kuat dengan baja tapi hanya 60% dari berat baja.
• Kekuatan lelah (fatigue strength) yang lebih tinggi daripada paduan aluminium.
• Tahan suhu tinggi. Ketika temperatur pemakaian melebihi 150 C maka dibutuhkan titanium karena aluminium akan kehilangan kekuatannya seacara nyata.
• Tahan korosi. Ketahanan korosi titanium lebih tinggi daripada aluminium dan baja.
KEUNGGULAN TITANIUM• Dengan rasio berat-kekuatan yang lebih rendah
daripada aluminium, maka komponen-komponen yang terbuat dari titanium membutuhkan ruang yang lebih sedikit dibanding aluminium.
DUA PADUAN TITANIUM1. Titanium nitrida (TiN), memiliki kekerasan
ekuivalen dengan safir dan carborundum (9,0 pada Skala Mohs), sering digunakan untuk melapisi alat potong, seperti bor. Hal ini juga menemukan digunakan sebagai berwarna emas dekoratif selesai, dan sebagai penghalang logam dalam fabrikasi semikonduktor.
DUA PADUAN TITANIUM2. Titanium tetraklorida (titanium (IV) klorida,
TiCl4, kadang-kadang disebut "menggelitik" ) adalah cairan tak berwarna yang digunakan sebagai perantara dalam pembuatan titanium dioksida untuk cat. Hal ini banyak digunakan dalam kimia organik asam Lewis, misalnya dalam kondensasi aldol Mukaiyama Titanium. juga membentuk klorida yang lebih rendah, titanium (III) klorida (TiCl3), yang digunakan sebagai agen pereduksi.