Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Bab 4UNSUR METALOGRAFI DALAM PROSES ENGINEERING MATERIALS – Part 1
• 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
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.
DIAGRAM FASSA
Sumber: http://ariadisuhermanto.blogspot.com/2014/01/diagram-fasa-baja-karbon.html
DIAGRAM FASSAFasa – 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 menyisipdiantara atom – atom besi.Karbon dapat memperkuat baja dan meningkatkan kemampuan untukdikeraskan melalui perlakuan panas (heat tratment). Unsur ini juga merupakan salah satu penyebabterjadinya 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 kerasyang mengandung s/d 6,67%c. Simentit sangat keras, tetapi bila bercampur dengan ferit yang lunakmaka kekerasan keduanya menurun. Campuran ferit dengan simentit ini bisa disebut Perlit. Laju pendinginan lambat menghasilkan perlit kasar, sehingga bajanya mudah dikerjakan dimesin tetapi memilikiketangguhan 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 pendinginanlambat menghasilkan jarak yang semakin jauh/kasar.
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.
DIAGRAM FASSABesi 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:http://fajrisaputra.blogspot.com/2011/04/diagram-fasa-fe-fe3c_16.html
DIAGRAM FASSA
Transformasi allotropik yang pada besi, Fe(δ) ,Fe(γ), Fe(α) terjadi secara difusisehingga membutuhkan waktu tertentu pada temperatur konstan karena reaksimengeluarkan panas laten.
Diagram Fase Besi – Karbon
Dalam kondisi cair karbon dapat larut dalam besi. Dalam kondisi padat besi dankarbon 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 berikatanmembentuk senyawa dengan Fe.
DIAGRAM FASSAStruktur-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
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)
• 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
• Pearlite– Eeutectoid mixture dari ferrite dan cementite
(α+Fe3C)– Terjadi pada temperatur 723 C– Mengandung 0,8 % karbon
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
DIAGRAM FASSA
Diagram fasa Fe – Fe3C
Reaksi-reaksi yang terjadi pada diagram Fe – Fe3C• Reaksi Peritectic pada temperatur 1540 C:S + L ↔ S1δ + L ↔ γ
• Reaksi Eutectic pada temperatur 1130 C :L ↔ S1 + S2L ↔ γ + Fe3C (ledeburite)
• Reaksi Eutectoid pada temperatur 723 C :S ↔ S1 + S2γ ↔ α + Fe3C (pearlite)
VIDEO PEMBUATAN BAJA (STEEL)
Courtesy from youtube.com
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)
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.
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 adalahmenahan 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.
1. PROSES KONVERTER
http://bangkusekolah-id.blogspot.com/2012/11/peroses-peleburan-bijih-besi-iron-ores.html
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.
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).
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 10-20 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%.
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
2. PROSES MARTIN
http://harizsanderos69.blogspot.com/2013/04/dapur-siemens-martin.html
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.
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 konvertor-
konvertor 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.
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.
2. PROSES MARTIN
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 yaitudapur listrik busur cahaya dan dapur listrik induksi.
3. PROSES DAPUR LISTRIK
http://yefrichan.wordpress.com/2011/04/16/proses-tanur-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.
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.
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
3. PROSES DAPUR LISTRIK