Bab 4 UNSUR METALOGRAFI DALAM PROSES ENGINEERING MATERIALS Part 1

Transkripsi

1 Bab 4 UNSUR METALOGRAFI DALAM PROSES ENGINEERING MATERIALS Part 1

2 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

3 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.

4 DIAGRAM FASSA Sumber:

5 DIAGRAM FASSA Fasa 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 menyisip diantara atom atom besi.karbon dapat memperkuat baja dan meningkatkan kemampuan untuk dikeraskan melalui perlakuan panas (heat tratment). Unsur ini juga merupakan salah satu penyebab terjadinya 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 keras yang mengandung s/d 6,67%c. Simentit sangat keras, tetapi bila bercampur dengan ferit yang lunak maka kekerasan keduanya menurun. Campuran ferit dengan simentit ini bisa disebut Perlit. Laju pendinginan lambat menghasilkan perlit kasar, sehingga bajanya mudah dikerjakan dimesin tetapi memiliki ketangguhan 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 pendinginan lambat menghasilkan jarak yang semakin jauh/kasar.

6 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.

7 DIAGRAM FASSA Besi 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: a-fe-fe3c_16.html

8 DIAGRAM FASSA Transformasi allotropik yang pada besi, Fe(δ),Fe(γ), Fe(α) terjadi secara difusi sehingga membutuhkan waktu tertentu pada temperatur konstan karena reaksi mengeluarkan panas laten. Diagram Fase Besi Karbon Dalam kondisi cair karbon dapat larut dalam besi. Dalam kondisi padat besi dan karbon 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 berikatan membentuk senyawa dengan Fe.

9 DIAGRAM FASSA Struktur-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

10 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) Pearlite Eeutectoid mixture dari ferrite dan cementite (α+fe3c) Terjadi pada temperatur 723 C Mengandung 0,8 % karbon 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

11 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

12 DIAGRAM FASSA Diagram fasa Fe Fe3C Reaksi-reaksi yang terjadi pada diagram Fe Fe3C Reaksi Peritectic pada temperatur 1540 C: S + L S1 δ + L γ Reaksi Eutectic pada temperatur 1130 C : L S1 + S2 L γ + Fe3C (ledeburite) Reaksi Eutectoid pada temperatur 723 C : S S1 + S2 γ α + Fe3C (pearlite)

13 VIDEO PEMBUATAN BAJA (STEEL) Courtesy from youtube.com

14 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)

15 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.

16 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 adalah menahan 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.

17 1. PROSES KONVERTER /11/peroses-peleburan-bijih-besi -iron-ores.html

18 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.

19 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).

20 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 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%.

21 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

22 2. PROSES MARTIN /04/dapur-siemens-martin.html

23 2. PROSES MARTIN 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.

24 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 konvertorkonvertor 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.

25 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.

26 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 yaitu dapur listrik busur cahaya dan dapur listrik induksi.

27 3. PROSES DAPUR LISTRIK -tanur-listrik/

28 3. PROSES DAPUR 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.

29 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.

30 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