Perhitungan dengan Goodman Method

December 29, 2011 in Uncategorized by Duta Kristianto

Hasil uji lelah (fatigue test) suatu jenis baja ditunjukkan pada table di bawah ini. Diketahui pula yield strength baja tersebut adalah 560 MPa sedang tensile strength-nya sebesar 650 Mpa.

Dengan menggunakan metode Conservative Goodman Line (metode Goodmen yang tidak dimodifikasi), manakah diantara ketiga pembebanan dinamis dibawah ini yang akan mengalami patah lelah (fatigue fracture).

 

Jawaban:

Dari metode Goodman dapat kita ketahui amplitudo tegangan dari tiap pembebanan. Rumus yang digunakan agar kita tahu seberapa besar amlpitudo dari tiap – tiap pembebanan adalah :

σa = (σmax – σ min) / 2

  • Pembebanan A, besar amplitudo yang didapat adalah:

σa = (σmax – σ min) / 2

σa = (400 [MPa] – 0 [Mpa]) / 2

σa = (400 [MPa]) / 2

σa = 200 [MPa]

  • Pembebanan B, besar amplitudo yang didapat adalah:

σa = (σmax – σ min) / 2

σa = (360 [MPa] – (-360) [Mpa]) / 2

σa = (720 [MPa]) / 2

σa = 360 [MPa]

  • Pembebanan C, besar amplitudo yang didapat adalah:

σa = (σmax – σ min) / 2

σa = (330 [MPa] – (-330) [Mpa]) / 2

σa = (660 [MPa]) / 2

σa = 330 [MPa]

 

Dari perhitugan, dapat diketahui bahwa pembebanan B yang memiliki amplitudo tegangan terbesar, sehingga bila dihubungkan dengan diagram pada soal dapat disimpulkan mengakibatkan patah lelah.

Patah Getas, Patah Ulet & Ductile to Brittle Tension

December 29, 2011 in Uncategorized by Duta Kristianto

Patah Getas (Brittle Fracture)

Merupakan fenomena patah pada material yang diawali terjadinya retakan secara cepat dibandingkan patah ulet tanpa deformasi plastis terlebih dahulu dan dalam waktu yang singkat. Dalam kehidupan nyata, peristiwa patah getas dinilai lebih berbahaya daripada patah ulet, karena terjadi tanpa disadari begitu saja. Biasanya patah getas terjadi pada material berstruktur martensit, atau material yang memiliki komposisi karbon yang sangat tinggi sehingga sangat kuat namun rapuh.

Gambar Martensite Structure

Sumber: https://www.mb.hs-mittweida.de/en/webs/cw/metallography/micrographs.html?Size=3

Ciri-cirinya:

  • Permukaannya  terlihat berbentuk  granular, berkilat  dan  memantulkan  cahaya.
  • Terjadi secara tiba-tiba tanpa ada deformasi plastis terlebih dahulu sehingga tidak tampak gejala-gejala material tersebut akan patah.
  • Tempo terjadinya patah lebih cepat
  • Bidang patahan relatif tegak lurus terhadap tegangan tarik.
  • Tidak ada reduksi luas penampang patahan, akibat adanya tegangan multiaksial.

 

Gambar Spesimen Patah Getas

Sumber: http://okasatria.blogspot.com/2008/02/pengujian-tarik.html

 

Patah Ulet (Ductile Fracture)

Patah ulet merupakan patah yang diakibatkan oleh beban statis yang diberikan pada material, jika beban dihilangkan maka penjalaran retak akan berhenti. Patah ulet ini ditandai dengan penyerapan energi disertai adanya deformasi plastis yang cukup besar di sekitar patahan, sehingga permukaan patahan nampak kasar, berserabut (fibrous), dan berwarna kelabu. Selain itu komposisi material juga mempengaruhi jenis patahan yang dihasilkan, jadi bukan karena pengaruh beban saja. Biasanya patah ulet terjadi pada material berstruktur bainit yang merupakan baja dengan kandungan karbon rendah.

 Metallographic micrograph of Steel Bainite structure

Gambar Bainite Structure

Sumber: http://www.metallographic.com/Procedures/1018%20quenched%20steel.htm

 

Ciri-ciri patah ulet:

  • Ada reduksi luas penampang patahan, akibat tegangan uniaksial
  • Tempo terjadinya patah lebih lama.
  • Pertumbuhan retak lambat, tergantung pada beban
  • Permukaan  patahannya  terdapat  garis-garis  benang  serabut  (fibrosa),  berserat, menyerap cahaya, pempilannya buram

Gambar Spesimen Patah Ulet

Sumber: http://okasatria.blogspot.com/2008/02/pengujian-tarik.html

 

Ductile to Brittle Tension

Adalah fenomena perubahan sifat yang disebabkan faktor-faktor tertentu di mana pada saat suatu material mengalami patah mengalami pergeseran sifat, awalnya merupakan material ulet tetapi mengalami patah getas.

Berikut adalah factor-faktor yang menyebabkan Ductile to Brittle Tension:

  • Temperatur

Material pada temperature tinggi sifatnya ulet, molekul dan ikatannya dapat meregang dan bergerak, tetapi pada temperatur rendah sifatnya menjadi brittle (getas).

  • Kecepatan regangan kecepatan pembebanan

Jika material ulet mengalami  kenaikan  laju  pembebanan  maka  energi  yang  diserap  semakin kecil sehingga mengakibatkan terjadinya patah getas.

  • Kandungan air

Material yang memiliki kandungan air tinggi / basah cenderung memiliki sifat ulet, apabila material menjadi kering mska cenderung memiliki sifat getas.

  • Perbedaan jenis ikatan kimia

Kwarsa, olifin, dan feldspar cenderung brittle, sedangkan mineral lempung, mika, dan kalsit cenderung memiliki sifat ductile.

 

Sumber:

http://okasatria.blogspot.com/2008/02/pengujian-tarik.html

elearning.gunadarma.ac.id/…/bab2_baja_dan_sifat_sifatnya.pdf

Fatigue 2 (Tambahan)

December 28, 2011 in Uncategorized by Duta Kristianto

Contoh Fatigue

Fatigue terjadi pada piston di motor bakar. Gerakan piston pada ruang bakar sering sekali terjadi cracking/patah pada kondisi tertentu. Bila piston menerima tekanan yang luar biasa ( melebihi batas maksimum ) maka piston akan mengalami kelelahan hingga terjadilah cracking. Hal ini bisa disebabkan oleh material piston yang kurang baik atau kompresi pada ruang bakar yang cukup besar melebihi kompresi standar. Ditambah kekuatan dari connecting road dan crankshaft yang lebih baik dari pistonnya.

Gambar Piston Cracking

Sumberhttp://www.fordwiki.co.uk/index.php/Pistons_for_the_2.5L_and_3.0L_Duratec

Fatigue (Kelelahan)

December 22, 2011 in Uncategorized by Duta Kristianto

Tugas Kuliah Material Teknik

December 8, 2011 in Uncategorized by Duta Kristianto

Soal:
  1. Apa perbedaan dari dapur tinggi dan dapur baja ?
  2. Mengapa dapur baja listrik dapat menghasilkan baja yang baik ?
  3. Berikan contoh baja paduan rendah dan baja paduan tinggi, apakah bisa melalui dapur-dapur tersebut ?
  4. Apa perbedaan dari besi kasar dan besi bekas ?
  5. Apakah bisa baja dikuatkan lagi ? Jika bisa, menggunakan teknik apa ?
Jawaban:
1. Perbedaan dari dapur tinggi dan dapur baja

Perbedaan keduanya adalah pada material yang dihasilkan. Dapur tinggi dan dapur baja merupakan bagian dari proses pembuatan material baja mulai dari biji besi hingga mencapai proses pengolahan lanjut.

  • Dapur tinggi merupakan tahapan awal pengolahan biji besi. Proses pada dapur tinggi adalah dengan meniupkan udara panas ke dalam dapur tinggi untuk membakar kokas dengan temperatur sekitar 2000 oC. Cairan besi dan terak akan turun ke dasar dapur tinggi secara perlahan-lahan dan selanjutnya dituang ke penampungan  khusus. Hasil ini disebut besi kasar, yang kemudian dapat diproses lebih lanjut menjadi baja.
  • Dapur baja merupakan tahapan lanjutan untuk mengolah besi kasar dari tahapan dapur tinggi. Beberapa jenis dapur baja:

A. Dapur baja oksidasi (Bassemer)
Dapur Bassemer disebut juga Konvertor Bessemer, adalah sebuah bejana baja dengan lapisan batu tahan api yang bersifat asam. Di bagian atasnya terbuka sedangkan pada bagian bawahnya terdapat sejumlah lubang-lubang untuk saluran udara. Bejana ini dapat diguling-gulingkan.

Hasil dari konvertor Bessemer disebut baja Bessemer yang banyak digunakan untuk bahan konstruksi. Proses Bessemer juga disebut proses asam karena muatannya bersifat asam dan batu tahan apinya juga bersifat asam. Apabila digunakan muatan yang bersifat basa lapisan batu itu akan rusak akibat reaksi penggaraman.

B. Dapur baja terbuka (Siemens 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.

C. Dapur baja listrik
Panas yang dibutuhkan untuk pencairan baja adalah berasal arus listrik yang disalurkan dengan tiga buah elektroda karbon dan dimasukkan/diturunkan mendekati dasar dapur. Penggunaan arus listrik untuk pemanasan tidak akan mempengaruhi atau mengkontaminasi cairan logam, sehingga proses dengan dapur baja listrik merupakan salah satu proses yang terbaik untuk menghasilkan baja berkualitas tinggi dan baja tahan karat (stainless steel). Dapur baja listrik dibagi menjadi:

a)      Dapur Induksi

b)      Dapur busur cahaya

 

2. Dapur Listrik menghasilkan baja yang baik

Dapur Baja Listrik memiliki prinsip merubah energi listrik dengan berbagai macam cara agar menjadi energy panas yang optimal dalam usaha meleburkan logam.

Berikut kelebihan dari dapur listrik disbanding dapur peleburan baja lainnya:

  • Temperatur yang dihasilkan dapat mencapai 2000 oC. Sehingga dapat mencairkan logam dengan titik cair yang tinggi seperti baja dengan paduan paduan chrom, molybdenum, nikel, tungsten dan lain-lain. Selain itu temperature yang dihasilkan dapat diatur sesuai dengan jenis yang akan dileburkan.
  • Tidak ada pengaruh zat asam pada baja yang dileburkan, tidak seperti peleburan lainnya yang menggunakan material tambahan yang bersifat asam ataupun basa.
  • Susunan struktur atom dari Fe tidak mengalami perubahan, karena peleburan dapat diatur tanpa mencapai titik didihnya
  • Menghasilkan cairan baja yang berkualitas tinggi dengan jumlah minimum baja terbakar
3. Seluruh jenis Baja paduan dapat dilebur melalui dapur baja listrik. Hal ini dikarenakan dalam penggunaannya dapur baja listrik dapat disesuaikan dengan kebutuhan peleburan baja paduan rendah maupun baja paduan tinggi.
4. Perbedaan Besi Kasar dan besi bekas

Perbedaan yang paling mendasar adalah besi bekas telah mengalami perubahan struktur di dalam atomnya akibat penggunaan sebelumnya (misal: sebagai bahan konstruksi). Selain itu besi bekas telah mengandung unsur kimia seperti karat ataupun asam dan basa sehingga apabila dileburkan terdapat terak atau kotoran sisah pemakaian besi tersebut. Sedangkan Besi kasar adalah hasil pengolahan dari bijih besi dengan melalui beberapa proses. Proses awal adalah dengan mengurangi senyawa-senyawa dan zat-zat lain yang terkandung dalam bijih besi dengan tahap sebagai berikut :

  • Dibersihkan.
  • Dipecah-pecah dan digiling sampai menjadi halus, sehingga partikel besi dapat dipisahkan dari bahan yang tidak diperlukan dengan menggunakan magnit.
  • Dibentuk menjadi “pellet” (bulatan-bulatan kecil) dengan diameter + 14 mm.
Untuk memudahkan dalam pembentukan “pellet” maka ditambahkan tanah liat, sehingga dapat dirol menjadi bentuk bulat. Setelah proses awal dilakukan, maka bijih besi diproses pada dapur tinggi. Dapur tinggi mempunyai konstruksi yang cukup besar dengan ketinggian mencapai 100 meter. Dinding luar terbuat dari baja dan bagian dalam dilapisi batu tahan api yang mampu menahan temperature tinggi.
Pada bagian atas dapur tinggi terdapat corong untuk memasukkan bahan baku, yaitu bijih besi, kokas dan batu kapur. Kokas adalah batu bara yang telah diproses (disuling kering) sehingga dapat menghasilkan panas yang tinggi. Batu kapur berfungsi untuk mengikat bahan-bahan yang tidak diperlukan.
Proses pada dapur tinggi adalah dengan meniupkan udara panas ke dalam dapur tinggi untuk membakar kokas dengan temperatur + 2000oC. Cairan besi dan terak akan turun ke dasar dapur tinggi secara perlahan-lahan dan selanjutnya dituang ke kereta khusus. Hasil ini disebut besi kasar, yang kemudian dapat diproses lebih lanjut menjadi baja.

5. Baja bisa dikuatkan lagi, tergantung dari jenis kekuatan yang diinginkan. Berikut contohnya:

  • Kekuatan tarik

Kekuatan tarik merupakan kemampuan bahan untuk menerima beban tarik tanpa mengalami kerusakan dan dinyatakan sebagai tegangan maksimum sebelum putus. Tegangan maksimum adalah data terpenting  karena perhitungan banyak menggunakan nilai tegangan tersebut.

Cara meningkatkan kekuatan tarik yaitu melalui perlakuan panas hardening. Hardening merupakan perlakuan panas yang bertujuan untuk memperoleh kekerasan dan kekuatan tarik maksimum pada logam baja. Baja tersebut dipanaskan sampai mendapatkan struktur austenite, selanjutnya ditahan, dan dilakukan pendinginan secara cepat (quenching).

  • Kekuatan puntir

Kekuatan puntir merupakan kemampuan material untuk menahan putaran atau torsi yang tegak lurus terhadap material tersebut pada kedua ujungnya secara berlawanan tanpa mengalami deformasi / pecah.

Cara meningkatkan kekuatan puntir sama dengan cara untuk meningkatkan kekuatan tarik, yaitu dengan menggunakan perlakuan panas hardening

  • Kekuatan Impact

Kekuatan impact adalah kemampuan suatu bahan untuk menahan beban dinamis atau mendadak yang dapat menyebabkan rusak atau patah. Cara untuk meningkatkan kekuatan impact adalah dengan melakukan normalizing.

Normalizing merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih keras dan kuat dari hasil annealing. Secara teknis prosesnya hampir sama dengan annealing, yakni biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 50 Derajat Celcius diatas garis Acm). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan pada udara.

Normalizing memiliki energi patah terbesar dari spesimen lainnya. Hal ini diseabkan karena pendinginan yang lambat oleh udara, sehingga terbentuk butiran yang besar. Sehingga untuk mematahkan spesimen memerlukan energi yang besar pada pengujian impact.

BAJA DAN PADUAN

December 6, 2011 in Uncategorized by Duta Kristianto

Baja

Baja pada dasarnya merupakan campuran antarmaksima logam Fe dan sedikit kandungan C ( dibawah 2 %). Baja pada penggunaannya dalam kehidupan manusia umumnya dicampur dengan kandungan logam lain menjadi baja paduan, jenis yang banyak digunakan saat ini. Unsur paduan yang biasa ditambahkan antara lain: Cr, Mn, Si, Ni, W, Mo, Ti, Al, Cu, Nb dan Zr. Penambahan unsur-unsur lain dalam baja dapat dilakukan dengan satu atau lebih unsur, tergantung dari karakteristik atau sifat khusus yang dikehendaki.

 

Struktur Baja

1. Pearlit : Baja pearlit (sorbit dan troostit), didapat jika unsur-unsur paduan relatif kecil maximum 5%.  Baja ini mampu     dalam permesinan, sifat mekaniknya maningkat oleh heat treatment (hardening & tempering).

2. Martensit : unsur pemadunya lebih dari 5 %, sangat keras dan machinability kurang. (heat resistant steel)

3. Austenit  : terdiri dari 10 – 30% unsur pemadu tertentu (Ni, Mn atau CO). Misalnya : Baja tahan karat (Stainlees steel), nonmagnetic dan baja tahan panas.

4. Ferrit : terdiri dari sejumlah besar unsur pemadu (Cr, W atau Si) tetapi kandungan karbonnya rendah. Tidak dapat dikeraskan.

5. Ladeburit / karbid :  terdiri sejumlah karbon dan unsur-unsur penbentuk karbid (Cr, W, Mn, Ti, Zr).

 

Cara Pembuatan Baja

  • Proses dalam dapur tinggi

Prinsip dari proses dapur tinggi adalah prinsip reduksi. Pada proses ini zat karbon monoksida dapat menyerap zat asam dari ikatan-ikatan besi zat asam pada suhu tinggi. Pada pembakaran suhu tinggi + 1800 0C dengan udara panas, maka dihasilkan suhu yang dapat menyelenggarakan reduksi tersebut. Agar tidak terjadi pembuntuan karena proses berlangsung maka diberi batu kapur sebagai bahan tambahan. Bahan tambahan bersifat asam apabila bijih besinya mempunyai sifat basa dan sebaliknya bahan tambahan diberikan yang bersifat basa apabila bijih besi bersifat asam.

Gas yang terbentuk dalam dapur tinggi selanjutnya dialirkan keluar melalui bagian atas dan ke dalam pemanas udara. Terak yang menetes kebawah melindungi besi kasar dari oksida oleh udara panas yang dimasukkan, terak ini kemudian dipisahkan.

Proses reduksi di dalam dapur tinggi tersebut berlangsung sebagai berikut:

Zat arang dari kokas terbakar menurut reaksi :

C+O2→ CO2

sebagian dari CO2 bersama dengan zat arang membentuk zat yang berada ditempat yang lebih atas yaitu gas CO.

CO + C→ 2CO

Di bagian atas dapur tinggi pada suhu 300 sampai 800 0C oksida besi yang lebih tinggi diubah menjadi oksida yang lebih rendah oleh reduksi tidak langsung dengan CO tersebut menurut prinsip :

Fe O + CO→ 2FeO+CO

Pada waktu proses berlangsung muatan turun ke bawah dan terjadi reduksi tidak langsung menurut prinsip :

FeO+CO→ FeO+CO2

Reduksi ini disebut tidak langsung karena bukan zat arang murni yang mereduksi melainkan persenyawaan zat arang dengan oksigen. sEdangkan reduksi langsung terjadi pada bagian yang terpanas dari dapur,yaitu langsung di atas pipa pengembus. Reduksi ini berlangsung sebagai berikut.

FeO+C→Fe+CO

CO yang terbentuk itulah yang naik ke atas untuk mengadakan reduksi tidak langsung tadi.

Setiap 4 sampai 6 jam dapur tinggi dicerat, pertama dikeluarkan teraknya dan baru kemudian besi. Besi yang keluar dari dapur tinggi disebut besi kasar atau besi mentah yang digunakan untuk membuat baja pada dapur pengolahan baja atau dituang menjadi balok-balok tuanganyang dikirimkan pada pabrik-pabrik pembuatan baja sebagai bahan baku. Besicair dicerat dan dituang menjadi besi kasar dalam bentuk balok-balokbesi kasar yang digunakan sebagai bahan ancuran untuk pembuatan besi tuang (di dalam dapur kubah) atau masih dalam keadaan cair dipindahkan pada bagian pembuatan baja (dapur Siemen Martin).

Terak yang keluar dari dapur tinggi dapat pula dimanfaatkan menjadi bahan pembuatan pasir terak atau wol terak sebagai bahan isolasi atau sebagai bahan campuran semen. Besi cair yang dihasilkan dari proses dapur tinggi sebelum dituang menjadi balok besin kasar sebagai bahan ancuran di pabrik penuangan, perlu dicampur dahulu di dalam bak pencampur agar kualitas dan susunannya seragam. Dalam bak pencampur dikumpulkan

Besi kasar cair dari bermacam-macam dapur tinggi yang ada untuk mendapatkan besi kasar cair yang sama dan merata. Untuk menghasilkan besi kasar yang sedikit mengandung belerang di dalam bak pencampur tersebut dipanaskan lagi menggunakan gas dapur tinggi.

 

  • Proses Peleburan Baja

Pada gambar 3 dan 4 ditunjukkan proses peleburan baja dengan menggunakan bahan baku berupa besi kasar (pig iron) atau berupa besispons (sponge iron). Disamping itu bahan baku lainnya yang biasanya digunakan adalah skrap baja dan bahan-bahan penambah seperti ingotferosilikon, feromangan dan batu kapur. Proses peleburan dapat dilakukan pada tungku BOF (Basic Oxygen Furnace) atau pada tungku busur listrik (Electric ArcFurnace atau disingkat EAF). Tanpa memperhatikan tungku atau proses yang diterapkan, proses peleburan baja pada umumnya mempunyai tiga tujuan utama,yaitu :

  • mengurangi sebanyak mungkin bahan-bahan impuritas
  • mengurangi sebanyak mungkin bahan-bahan impuritas.
  • mengatur kadar karbon agar sesuai dengan tingkat grade/spesifikasi baja yang diinginkan.
  • menambah elemen-elemen pemadu yang diinginkan.

 Gambar Skema Produksi Baja

Sumber :http://aguzher.wordpress.com/2008/01/18/proses-produksi-baja/

 

  • Proses Peleburan Baja Dengan BOF

Gambar Peralatan BOF

Sumber : http://yefrichan.wordpress.com/2010/10/26/proses-pembuatan-baja-dengan-tanur-oksigen-basa-basic-oxygen-furnace/

Proses ini termasuk proses yang paling baru dalm industri pembuatan baja. Gambar sketsa dari tungku ini ditunjukkan dalam gambar . Terlihat bahwa dalam gambar tersebut bahwa konstruksi BOF relatif sederhana, bagian luarnya dibuat dari pelat baja sedangkan dinding bagian dalamnya dibuat dari bata tahan api (firebrick). Kapasitas BOF ini biasanya bervariasi antara 35 ton sampai dengan 200 ton.

Bahan-bahan utama yang digunakan dalam proses peleburan dengan BOF adalah : besi kasar cair (65-85%), skrap baja (15-35%), batu kapur dan gas oksigen (kemurnian 99,5%). Keunggulan proses BOF dibandingkan proses pembuatan baja lainnya adalah dari segi waktu peleburannya yang relatif singkat yaitu hanya berkisar sekitar 60 menit untuksetiap proses peleburan.

Tingkat efisiensi yang demikian tinggi dari BOF ini disebabkan oleh pemakaian gas oksigen dengan kemurnian yang tinggi sebagai gas oksidator utama untuk memurnikan baja. Gas oksigen dialirkan ke dalam tungku melalui pipa pengalir (oxygen lance) dan bereaksi dengan cairan logam di dalam tungku. Gas oksigen akan mengikat karbondari besi kasar berangsur-angsur turun sampai mencapai tingkat baja yang dibuat. Disamping itu, selama proses oksidasi berlangsung terjadi panas yang tinggi sehingga dapat menaikkan temperatur logam cair sampai diatas 1650 0C. Pada saat oksidasi berlangsung, ke dalam tungku ditambahkan batu kapur. Batu kapur tersebut kemudian mencair dan bercampur dengan bahan- bahan impuritas (termasuk bahan-bahan yang teroksidasi) membentuk terak yang terapung diatas baja cair.

Bila proses oksidasi selesai maka aliran oksigen dihentikan dan pipapengalir oksigen diangkat/dikeluarkan dari tungku. Tungku BOF kemudiandimiringkan dan benda uji dari baja cair diambil untuk dilakukan analisakomposisi kimia.

Bila komposisi kimia telah tercapai maka dilakukan penuangan (tapping).Penuangan tersebut dilakukan ketika temperatur baja cair sekitar 1600 0C.Penuangan dilakukan dengan memiringkan perlahan- lahan sehingga cairan baja akan tertuang masuk kedalam ladel. Di dalam ladel biasanya dilakukan skimming untuk membersihkan terak dari permukaan baja cair danproses perlakuan logamcair (metal treatment). Metal treatment tersebut terdiri dari proses pengurangan impuritas dan penambahan elemen-elemen pemadu atau lainnya dengan maksud untuk memperbaiki kualitas baja cair sebelum dituang ke dalam cetakan

 

  • Proses Peleburan Baja Dengan EAF

Proses peleburan dalam EAF ini menggunakan energi listrik. Konstruksi tungku ini ditunjukkan dalam gambar . Panas dihasilkan dari busur listrik yang terjadi pada ujung bawah dari elektroda. Energi panas yang terjadi sangat tergantung pada jarak antara elektroda dengan muatan logam di dalam tungku. Bahan elektroda biasanya dibuat dari karbon atau grafit. Kapasitas tungku EAF ini dapat berkisar antara 2 – 200 ton dengan waktu peleburannya berkisar antara 3 – 6 jam. Bahan baku yang dilebur biasanya berupa besi spons (sponge iron) yang dicampur dengan skrap baja. Penggunaan besi spons dimaksudkan untuk menghasilkan kualitas baja yang lebih baik. Tetapi dalam banyak hal (terutama untuk pertimbangan biaya) bahan baku yang dilebur seluruhnya berupa skrap baja, karena skrap baja lebih murah dibandingkan dengan besi spons. Disamping bahan baku diatas, seperti halnya pada proses BOF, bahan-bahan lainnya yang ditambahkan pada EAF adalah batu kapur, ferosilikon, feromangan, dan lain-lain dengan maksud yang sama pula. Proses basa dan asam dapat diterapkan dalam EAF. Untuk pembuatan baja berupa produk cor maka biasanya digunakan proses asam, sedangkan untuk pembuatan baja spesial biasanya digunakan proses basa. Peleburan baja dengan EAF ini dapat menghasilkan kualitas baja yang lebih baik karena tidak terjadi kontaminasi oleh bahan bakar atau gas yang digunakan untuk proses pemanasannya.

  •  Tanur tiup
Ekstraksi besi

Gambar ekstraksi besi

Sumber: http://metaltransition.wordpress.com/2009/11/30/proses-ekstraksi-besi-dan-pembuatan-baja/

Besi diekstraksi dari bijih besi yang mengandung senyawa besi seperti hematit

(Fe2O3), limonit (2Fe2O3 3H2O), magnetit (Fe3O4), dan siderit (FeCO3). Proses ekstraksi dilakukan dalam tungku yang disebut tanur tiup (blast furnace) dengan menggunakan metode reduksi. Simak proses ekstraksinya berikut ini. Berikut tahapan ekstraksi Fe dari bijih besi:

  • Bijih besi, batu kapur (CaCO3), dan kokas (C) dimasukkan dari bagian atas tanur.
  • Kemudian, udara panas ditiupkan ke bagian bawah tungku agar C bereaksi dengan OZ membentuk CO2.

C(s) +O2(S) →   CO2(S)

Gas CO2 yang terbentuk selanjutnya akan bergerak ke atas dar lebih lanjut dengan C untuk membentuk CO. Reaksi ini bersifi endotermik, sehingga terjadi sedikit penurunan suhu proses.

CO2(g) + C(s)  →   2CO(S)

Produk reaksi yakni gas CO kemudian bergerak naik dan mulai  mereduksi senyawa-senyawa besi pada bijih besi.

3Fe2O3(5) + CO(g)  →  4 2Fe3O4(s) + CO2(g)

Fe3O4(s) + CO(g) → 3FeO(6) + CO2(g)

FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g)

Reaksi keseluruhannya dapat ditulis sebagai berikut:

Fe2O3(s) + 3CO(s) →  2Fe(l) + 3CO2(g)

Fe yang terbentuk akan mengalir dan berkumpul di bawah. Karena suhu di bawah tinggi sekitar 2 000°C, Fe akan berada dalam bentuk lelehannya.

  • Sementara itu, CaCO3 dalam tanur akan terurai menjadi CaO.

CaCO3(s)—> CaO(s) + CO2(g)

  • CaO yang terbentuk akan bereaksi dengan pengotor yang bersifat asam yang ada dalam bijih besi, seperti pasir silika. Reaksi ini menghasilkan senyawa dengan titik didih rendah yang disebut terak (slag).

CaO(S) + SiO2(s) → CaSiO3(l)

  • Lelehan terak kemudian akan mengalir ke bagian bawah tanur. Karena kerapatan lelehan terak yang lebih rendah dibandingkan lelehan besi, maka lelehan terak berada di atas lelehan besi sehingga keduanya dapat dikeluarkan secara terpisah. (Secara tidak langsung, lelehan terak ini melindungi lelehan besi dari teroksidasi kembali)

Besi yang terbentuk di dalam tanur tiup masih mengandung pengotor dan bersifat cukup rapuh. Besi ini disebut juga besi gubal (pig iron). Besi gubal mengandung sekitar 3 – 4% C, 2% Si, dan sejumlah pengotor lain seperti P dan S. Besi gubal dapat dicetak langsung menjadi besi tuang (cast iron) atau diproses lebih lanjut menjadi baja, tergantung dari aplikasinya.

Pembuatan baja
Gambar Pembuatan Baja

Pembuatan Tahapan proses adalah sebagai berikut.

-Sekitar 70% lelehan besi gubal dari tanur tiup dan 30% besi/baja bekas dimasukkan ke dalam tungku, bersama dengan batu kapur (CaCO3).

- Selanjutnya, O2 murni dilewatkan melalui campuran lelehan logam. O2 akan bereaksi dengan karbon (C) di dalam besi dan juga zat pengotor lainnya seperti Si dan P, dan membentuk senyawa-senyawa oksida. Senyawa-senyawa oksida ini kemudian direaksikan dengan CaO, yang berasal dari peruraian batu kapur (CaCO3), membentuk terak, seperti CaSiOdan Ca3(PO4)2.

Klasifikasi Baja

1. Berdasarkan persentase paduannya

  • Baja paduan rendah : Bila jumlah unsur tambahan selain karbon lebih kecil dari 8% (menurut Degarmo. Sumber lain, misalnya Smith dan Hashemi menyebutkan 4%)
  • Baja paduan tinggi : Bila jumlah unsur tambahan selain karbon lebih dari atau sama dengan 8% (atau 4% menurut Smith dan Hashemi), misalnya : baja HSS (High Speed Steel) atau SKH 53 (JIS) atau M3-1 (AISI) mempunyai kandungan unsur : 1,25%C; 4,5%Cr; 6,2%Mo; 6,7%W; 3,3%V.

Sumber lain menyebutkan:

a. Low alloy steel (baja paduan rendah), jika elemen paduannya ≤ 2,5 %

b. Medium alloy steel (baja paduan sedang), jika elemen paduannya 2,5 – 10 %c. High alloy steel (baja paduan tinggi), jika elemen paduannya > 10 %

 

2. Berdasarkan jumlah komponennya:

  • Baja tiga komponen : Terdiri satu unsur pemadu dalam penambahan Fe dan C.
  • Baja empat komponen atau lebih :Terdiri dua unsur atau lebih pemadu dalam penambahan Fe dan C. Sebagai contoh baja paduan yang terdiri: 0,35% C, 1% Cr,3% Ni dan 1% Mo.

3. Berdasarkan strukturnya:

  • Baja pearlit (sorbit dan troostit): Unsur-unsur paduan relatif kecil maximum 5% Baja ini mampu dimesin, sifat mekaniknya meningkat oleh heat treatment (hardening &tempering)
  • Baja martensit : Unsur pemadunya lebih dari 5 %, sangat keras dan sukar dimesin
  • Baja austenit : Terdiri dari 10 – 30% unsur pemadu tertentu (Ni, Mn atau CO) Misalnya : Baja tahan karat (Stainless steel), nonmagnetic dan baja tahan panas (heat resistant steel).
  • Baja ferrit : Terdiri dari sejumlah besar unsur pemadu (Cr, W atau Si) tetapi karbonnya rendah. Tidak dapat dikeraskan.
  • Karbid atau ledeburit : Terdiri sejumlah karbon dan unsur-unsur pembentuk karbid (Cr, W, Mn, Ti, Zr).

 

4. Berdasarkan penggunaan dan sifat-sifatnya

  • Baja konstruksi (structural steel)

Dibedakan lagi menjadi tiga golongan tergantung persentase unsur pemadunya, yaitu baja paduan rendah (maksimum 2 %), baja paduan menengah (2- 5 %), baja paduan tinggi (lebih dari 5 %). Sesudah di-heat treatment baja jenis ini sifat-sifat mekaniknya lebih baik dari pada baja karbon biasa.

  • Baja perkakas (tool steel)

Dipakai untuk alat-alat potong, komposisinya tergantung bahan dan tebal benda yang dipotong/disayat, kecepatan potong, suhu kerja. Baja paduan jenis ini dibedakan lagi menjadi dua golongan, yaitu baja perkakas paduan rendah (kekerasannya tak berubah hingga pada suhu 250 °C) dan baja perkakas paduan tinggi (kekerasannya tak berubah hingga pada suhu 600°C). Biasanya terdiri dari 0,8% C, 18% W, 4% Cr, dan 1% V, atau terdiri dari 0,9% C, 9 W,4% Cr dan 2-2,5% V.

  • Baja dengan sifat fisik khusus

Dibedakan lagi menjadi tiga golongan, yaitu baja tahan karat (mengandung 0,1-0,45% C dan 12-14% Cr), baja tahan panas (yang mengandung 12-14% Cr tahan hingga suhu 750-800oC, sementara yang mengandung 15-17% Crtahan hingga suhu 850-1000oC), dan baja tahan pakai pada suhu tinggi (adayang terdiri dari 23-27% Cr, 18-21% Ni, 2-3% Si, ada yang terdiri dari 13-15% Cr, 13-15% Ni, yang lainnya terdiri dari 2-2,7% W, 0,25-0,4% Mo, 0,4-0,5% C).

  • Baja paduan istimewa

Baja paduan istimewa lainnya terdiri 35-44% Ni dan 0,35% C,memiliki

koefisien muai yang rendah yaitu :

- Invar : memiliki koefisien muai sama dengan nol pada suhu 0 – 100 °C, digunakan untuk alat ukur presisi.

- Platinite : memiliki koefisien muai seperti glass, sebagai pengganti platina.

- Elinvar : memiliki modulus elastisitet tak berubah pada suhu 50°C sampai 100°C. Digunakan untuk pegas arloji dan berbagai alat ukur fisika.

 

e. Baja Paduan dengan Sifat Khusus

• Baja Tahan Karat (Stainless Steel)

Sifatnya antara lain:

–   Memiliki daya tahan yang baik terhadap panas, karat dan goresan/gesekan

–    Tahan temperature rendah maupun tinggi

–    Memiliki kekuatan besar dengan massa yang kecil

–    Keras, liat, densitasnya besar dan permukaannya tahan aus

–    Tahan terhadap oksidasi

–    Kuat dan dapat ditempa

–    Mudah dibersihkan

–    Mengkilat dan tampak menarik

• High Strength Low Alloy Steel (HSLA)

Sifat dari HSLA adalah memiliki tensile strength yang tinggi, anti bocor, tahan terhadap abrasi, mudah dibentuk, tahan terhadap korosi, ulet, sifat mampu mesin yang baik dan sifat mampu las yang tinggi (weldability). Untuk mendapatkan sifat-sifat di atas maka baja ini diproses secara khusus dengan menambahkan unsur-unsur seperti: tembaga (Cu),nikel (Ni), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Vanadium (Va) danColumbium.

• Baja Perkakas (Tool Steel)

Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh baja perkakas adalah tahan pakai, tajam atau mudah diasah, tahan panas, kuat dan ulet. Kelompok dari toolsteel berdasarkan unsur paduan dan proses pengerjaan panas yang diberikan antara lain:

– Later hardening atau carbon tool steel (ditandai dengan tipe W oleh AISI), Shock resisting (Tipe S), memiliki sifat kuat dan ulet dantahan terhadap beban kejut dan repeat loading. Banyak dipakai untuk pahat, palu dan pisau.

– Cool work tool steel, diperoleh dengan proses hardening dengan pendinginan yang berbeda-beda. Tipe O dijelaskan dengan mendinginkan pada minyak sedangkan tipe A dan D didinginkan diudara.

– Hot Work Steel (tipe H), mula-mula dipanaskan hingga (300 – 500) ºC dan didinginkan perlahan-lahan, karena baja ini banyak mengandung tungsten dan molybdenum sehingga sifatnya keras.

– High speed steel (tipe T dan M), merupakan hasil paduan baja dengan tungsten dan molybdenum tanpa dilunakkan. Dengan sifatnya yang tidak mudah tumpul dan tahan panas tetapi tidak tahan kejut.

Campuran carbon-tungsten (tipe F), sifatnya adalah keras tapi tidak tahan aus dan tidak cocok untuk beban dinamis serta untuk pemakaian pada temperatur tinggi.

 

Sifat Mekanis Baja Paduan

Baja paduan merupakan campuran dari baja dan beberapa jenis logam lainnya dengan tujuan untuk memperbaiki sifat baja karbon yang relatif mudah berkarat dan getas bila kadar karbonnya tinggi. Selain itu, penambahan unsur paduan juga bertujuan untuk memperbaiki sifat mekanik diantaranya:

• Kekuatan

Kekuatan merupakan kemampuan suatu bahan untuk menahan perubahan bentuk di bawah tekanan. Penambahan logam (Ni, Cr, Molibdenum) dengan komposisi sesuai akan menambah kekuatan baja, sebab Ni dan Cr yang ditambahkan akan masuk ke susunan atom dan menggantikan berapa atom C. Penambahan tersebut dapat meningkatkan kekuatan sampai lima kali lipat.

•Elasisitas

Elastisitas adalah kemampuan suatu bahan unuk kembali kebentuk semula setelah pembebanan ditiadakan atau dilepas. Modulus elastisitas merupakan indikator dari sifatelastis. Adanya penambahan logam pada baja akan meningkatkan kemampuan elastisitasnya dengan nilai modulus elastisitas yang lebih besar dari sebelumnya. Berikut beberapa logam dan nilai modulus elastisitasnya jika ditambahkan pada baja:

•Batas mulur (Plastisitas)

Plastisitas adalah kemampuan suatu bahan untuk berubah bentuk secara permanen setelah diberi beban. Logam yang ditambahkan berupa nikel, vanadium, titanium, tungsten, chrome dsb akan meningkatkan nilai batas mulur. Hal tersebut disebabkan dengan penambahan logam yang memiliki batas mulur tinggi akan menghasilkan baja paduan yang batas mulurnya tinggi pula.

•Kekuatan Tarik

Kekuatan tarik adalah kemampuan suatu material untuk menahan tarikan dua gaya yang saling berlawanan arah dan segaris. Logam Ni dan Cr merupakan bahan yang biasa ditambahankan untuk meningkatkan kemampuan menahan tariakan, selain sebagai penambah kekutan tekan.

•Keuletan

Keuletan adalah kemampuan suatu material untuk diregang atau ditekuk secara permanent tanpa mengakibatkan pecah atau patah. Baja dengan kandungan karbon rendah memiliki keuletan yang tinggi, sehingga dengan paduan logam lain kadar karbonnya akan turun. Selain itu, kandungan fosfor pada baja paduan yang rendah akan meningkatkan keuletannya.

•Tahan aus

Tahan aus merupakan. Paduan logam yang digunakan untuk meningkatkan kemampuan tahan aus diantaranya nikel, chrom, dan vanadium.