Top Banner
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 1
33

Makalah Konstruksi Logam Besi

Aug 12, 2015

Download

Documents

Sarah Noviatri
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 2: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 3: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 4: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 5: Makalah Konstruksi 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 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

Page 6: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 7: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 8: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 9: Makalah Konstruksi Logam Besi

- 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

Page 10: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 11: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 12: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 13: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 14: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 15: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 16: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 17: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 18: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 19: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 20: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 21: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 22: Makalah Konstruksi Logam Besi

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

Page 23: Makalah Konstruksi Logam Besi

DAFTAR PUSTAKA

23