Baja dan Cara Pembuatannya

2

Pengelompokan logam

Fe 3 C

cementite

Metal Alloys

Steels

Ferrous Nonferrous

Cast Irons Cu Al Mg Ti<1.4wt%C 3-4.5 wt%C

1600

1400

1200

1000

800

6 00

4 000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

γ"austenite

γ+L

γ+Fe 3 Cα"

ferriteα +Fe 3 C

α+ γ

L+Fe 3 C

δ

(Fe) C o , wt% C

Eutectic:

Eutectoid:0.77

4.30

727°C

1148°C

T(°C)

Steels<1.4wt%C

Cast Irons3-4.5 wt%C

microstructure: ferrite, graphite cementite

3

Low Alloy High Alloy

low carbon <0.25wt%C

med carbon 0.25-0.6wt%C

high carbon 0.6-1.4wt%C

Uses auto struc. sheet

bridges towers press. vessels

crank shafts bolts hammers blades

pistons gears wear applic.

wear applic.

drills saws dies

high T applic. turbines furnaces V. corros. resistant

Example 1010 4310 1040 4340 1095 4190 304

Additions noneCr,V Ni, Mo

noneCr, Ni Mo

noneCr, V, Mo, W

Cr, Ni, Mo

plain HSLA plainheat

treatableplain tool

austentitic stainless

Name

Hardenability 0 + + ++ ++ +++ 0TS - 0 + ++ + ++ 0EL + + 0 - - -- ++

increasing strength, cost, decreasing ductilityBased on data provided in Tables 11.1(b), 11.2(b), 11.3, and 11.4, Callister 6e.

Steel (Baja)

Logam nir-besi

NonFerrous Alloys

• Cu AlloysBrass: Zn is subst. impurity (costume jewelry, coins, corrosion resistant)Bronze: Sn, Al, Si, Ni are subst. impurity (bushings, landing gear)Cu-Be: precip. hardened for strength

• Al Alloys-lower ρ: 2.7g/cm3 -Cu, Mg, Si, Mn, Zn additions -solid sol. or precip. strengthened (struct.

aircraft parts & packaging)

• Mg Alloys-very low ρ: 1.7g/cm3 -ignites easily -aircraft, missles

• Refractory metals-high melting T -Nb, Mo, W, Ta• Noble metals

-Ag, Au, Pt -oxid./corr. resistant

• Ti Alloys-lower ρ: 4.5g/cm3

vs 7.9 for steel -reactive at high T -space applic.

STEEL MAKING• Bijih besi mengandung 60% Fe • Selama iron making, biji besi diubah menjadi besi mentah (pig iron)

melalui reduksi sehingga kadar Fe naik menjadi 94 %• Pada steel making, unsur-unsur C,Si,S,P dan Mn dioksidasi dan diatur

persentasenya. Kadar Fe meningkat menjadi 98,5%• Baja merupakan paduan Fe-C dg kadar C < 2%

Biji Besi Besi Kasar

94% FeBaja Karbon

Reduksidengan C di Dapur

Oksidasi danRefining dalam Dapur

UNSUR-UNSUR PADA PROSES PEMBUATAN BAJA

BERDASARKAN SUMBERNYA, UNSUR-UNSUR PADA BAJA DIKELOMPOKKAN MENJADI 4 :

! Unsur-unsur hasil kontaminasi dari baja sekrap! Unsur-unsur yang terkandung dalam bahan baku baja : besi

mentah, fluks dan bahan bakar! Gas-gas yang diserap selama steel making! Unsur-unsur yang sengaja ditambahkan (unsur paduan) untuk

mendapatkan baja dengan sifat-sifat yang diinginkan

BERDASARKAN SIFAT KIMIA, UNSUR-UNSUR PADA BAJA DIKELOMPOKKAN MENJADI 4 :

1. Unsur-unsur yang bisa dieliminasi selama prosespembuatan baja : Pb, Zn dan Al

2. Unsur-unsur yang tidak terpengaruh oleh prosespembuatan baja : Cu, Ni, Sn, Co, Mo dan W

3. Unsur-unsur gas-gas : oksigen, nitrogen danhidrogen

4. Karbon (C) dan unsur-unsur partisi antara terakdan logam : Si, S, P dan Mn

KETERANGAN

! KETERANGAN 1 :Pb dan Zn merupakan unsur yang tidak diinginkan. Pb membentuklapisan pada dinding dapur sedangkan Zn mudah menguap danmerusak dinding dapur yang terbuat dari batu tahan api (refractory)

! KETERANGAN 2 :Unsur-unsur ini kurang reaktif terhadap oksigen sehingga tidak bisadihilangkan melalui refining. Cu untuk meningkatkan ketahanan korosi, Ni, Mo dan W untuk unsur paduan tool steel.

! KETERANGAN 3 :Oksigen dapat menyebabkan inklusi (oksida) dan menurunkan keuletanbajaNitrogen dapat menyebabkan penggetasan baja.Hidrogen dapat menyebkan retak rambut (hairline crack)

KETERANGAN (LANJUTAN)

! KETERANGAN 4 :

Proses pembuatan baja pada prinsipnyamerupakan pengendalian unsur-unsur Si, S, P danMn pada tingkat tertentu.

Perbandingan kadar Si, S, P dan Mn pada besikasar dan baja karbon :

0,150,0150,015-0,05Baja karbon0,550,070,040,654,6Besi kasar (pig iron)

MnPSSiCKOMPOSISI

KARBON (C)Kadar C dalam baja dibuat rendah, kurang 2%.Kadar C diatur dengan jalan oksidasi : [C] + [O] → CO

SLAG BASICITYUnsur-unsur Si, S, P dan Mn dapat dikelompokkan seperti Tabel di bawah.

P2O5Al2O3MnOMgOSiO2Fe2O3FeOCaO

ASAM KUATASAM LEMAH

BASA LEMAH

BASA KUAT

SLAG BASICITY merupakan derajat kebasaan atau keasaman terak (slag)

Slag Basicity = % (CaO)

% (SiO2)

SILIKON, MANGAN, BELERANG DAN FOSFOR

! Si dapat dihilangkan menurut reaksi : [Si] +[O2] → (SiO2)! Mn mengalami oksidasi : [Mn] +[1/2O2] = (MnO)! Kandungan S dapat dikurangi dengan : [S]Fe + (O-2) = (S -2) +[O] Fe

! Unsur S dapat dikurangi dengan jika reaksi di atas bergeser ke kanandengan jalan :1) Konsentrasi S dalam baja cair [S]Fe tinggi2) Konsentrasi ion oksigen dalam terak (O-2) tinggi3) Konsentrasi ion belerang (S -2) rendah.

! Selanjutnya S dapat dihilangkan dengan pemberian Mn atau Cu sehingga membentuk MnS dan CuS

! Fosfor dapat dihilangkan melalui reaksi :2[P]+ 5(FeO) + 3CaO → 3CaOP2O5 + 5Fe

DEOKSIDASI

! Proses pembuatan baja adalah proses oksidasi untukmenghilangkan unsur-unsur pengotor

! Kadar Oksigen dalam baja menjadi tinggi akibat oksidasi danrefining sehingga dapat menyebabkan terbentuknya inklusi ataukeropos akibat gas CO yang terjebak saat pembekuan

! Pada baja perlu dilakukan deoksidasi untuk menurunkan kadaroksigen melalui pemberian deoksidizer seperti Mn, Si dan Al sesuai dengan reaksi berikut :

[Mn] + [O] → (MnO)[Si] + 2[O] → (SiO2)2[Al] + 3[O] → (Al2O3)

JENIS-JENIS PROSES PEMBUATAN BAJA

CONVERTOR BESSEMER! Ditemukan oleh Henry Bessemer

tahun 1856! Bahan baku hematite (Fe2O3)

dengan kadar P dan S rendah! Convertor dilapisi batu tahan api dari

silika (SiO2) ! Proses Bessemer dilakukan dengan

menghembuskan udara ke dalambesi cair (blowing) sehingga terjadireaksi eksothermis antara O denganC, Si dan Mn.

CONVERTOR BESSEMER (LANJUTAN)

REAKSI KIMIA

! Pada tahap awal hembusan terjadi reaksi:2FeO + O2 = 2FeO (terak)Si + 2FeO → SiO2 + 2Fe Mn + FeO →MnO + FeReaksi terjadi pada 1250-1650 oC slag forming period

! Tahap kedua : hembusan karbon, kadarC berkurang.C + FeO = Fe + COReaksi bersifat endothermis

! Pada akhir hembusan, dinamakanreddish smoke period

PROSES OPEN HEARTH

! Ditemukan oleh William Siemens (1865)

! Bahan baku : baja sekrap, besikasar dan fluks (batu kapur)

! Proses pembuatan baja melalui 4 tahap : 1) Pengisian (charging)2) Peleburan (melting)3) Pengaturan unsur-unsur

paduan (refining)4) Perbaikan dapur (fettling)

! Udara pembakaran mengalamipemanasan saat melewati ‘checker chamber’

DAPUR BUSUR LISTRIK (ELECTRIC ARC FURNACE)

KEUNTUNGAN! Tidak tergantung pada besi mentah

karena bahan pengisi berupa bajasekrap dan kokas

! Kapasitas produksi tinggi, yaitu 20-80 ton/jam

! Dapur dirancang untuk bisamelakukan gerakan miring

! Pemakaian panas sangat efisienkarena terkonsentrasi dalam bentukpanas radiasi

! Karena tidak memakai udara makabaja yang dihasilkan lebih bersihdari inklusi

! Kotoran dapat dihilangkan denganpersamaan :FeS + C + CaO → Fe + CO + CaS

BASIC OXYGEN FURNACE (BOF)

! Proses BOF proses pembuatan baja dimana besi cair pada suhu±1400 oC diubah menjadi baja pada suhu 1650 oC melalui oksidasieksothermis antara oksigen dengan unsur-unsur yang larut dalambesi cair.

! Oksigen dialirkan dengan ke besi cair melalui pipa tembagaberpendingin air

! Setelah hembusan oksigen, komposisi kimia baja seperti padaTabel di bawah.

0,2%-0,05%Baja cair (1400 oC )0,4%0,7%4,6%Besi cair (1400 oC )MnSiCMATERIAL

PROSES CONTINUOUS CASTING

Baja cair dituang ke dalam cetakanyang didinginkan dengan air, bagianluar akan membeku dahulu. sehingga baja dapat berjalansepanjang rol.

SECONDARY STEEL MAKING

Tujuan : Membuat baja dengan komposisi seperti yang direncanakan dengan cara :

!Pengadukan (stirring)!Pengurangan gas (degassing)!Pengaturan komposisi

LANJUTAN

! PENGADUKANPengadukan menggunakan gas

argon atau nitrogen darilubang (plug) di bawah laddle.

Terak sintetis diinjeksikan keladdle untuk mengikat oksidayang naik ke permukaanakibat pengadukan

LANJUTAN

! DEGASSINGProses degassing dilakukan

dengan jalan memompa udarakeluar sehingga gas hidrogenyang tidak bisa hilang karenapengadukan dapat dikeluarkandari baja cair

Gas argon menyebabkanterjadinya aliran logam kepermukaan.

LANJUTAN

! PENGATURAN KOMPOSISISetelah degassing, proses selanjutnya

adalah desulfurisasi denganmenginjeksikan serbuk calcium carbide, calcium silicon ataumagnesium silicon

Setelah desulfurisasi, dilakukanpenambahan unsur-unsur tertentudalam bentuk serbuk.

1. Unsur paduan : ferro boron, ferrotitanium

2. Menambahkan kadar C yang hilang

DIAGRAM ALIRPEMBUATAN BAJA