BAB III BESI DAN BAJAPendahuluan

Besi dan Baja paling banyak dipakai sebagai bahan industri, dimana sebagian penggunaannya ditentukan oleh nilai ekonominya, tetapi yang paling penting karena sifatsifatnya yang bervariasi. Mulai dari sifat yang paling lunak dan mudah dibuat sampai yang paling keras dan tajam seperti pisau. Dari unsur besi berbagai struktur logam dapat dibuat sehingga besi dan baja disebut bahan yang kaya akan sifat-sifatnya. 3.1. Struktur mikro besi dan baja (1) Diagram fasa besi-karbon Selain karbon pada besi, untuk baja terkandung kira-kira 0,25% Si, 0,31,5% Mn dan unsure pengotor lain seperti P, S, dsb. Karena unsure-unsur ini tidak memberikan pengaruh pada utama pada diagram fasa, maka diagram fasa tersebut dipergunakan tanpa menghiraukan adanya unsureunsur tersebut. Pada paduan besi karbon terdapat fasa karbida yang disebut sementit dan juga grafit lebih stabil daripada sementit. Berikut ini titik-titik penting pada diagram fasa : A: Titik cair besi B: Titik pada cairan yang ada hubungannya dengan reaksi peritektik. H: Larutan padat yang ada hubungan dengan peritektik. Kelarutan karbon maksimum adalah 0,1% J: Titik peritektik. Selama pendinginan austenit pada komposisi J, fasa terbentuk dari larutan padat pada komposisi H dan cairan pada komposisi B. N: Titik transformasi dari besi besi , titik transformasi A4 dari besi murni.

III - 1

C: Titik eutektik. Selama pendinginan fasa dengan komposisi E dan sementit dengan pada komposisi F(6,67% C) terbentuk dari cairan pada komposisi C. Fasa eutektik ini disebut ledeburit. E: Titik yang menyatakan , ada hubungan dengan reaksi eutektik. Kelarutan maksimum dari karbon 2,14%. Paduan besi karbon sampai pada komposisi ini disebut baja. G: Titik transformasi besi besi . Titik transformasi A3 untuk besi. P: Titik yang menyatakan ferit, fasa , ada hubungan dengan reaksi eutectoid. Kelarutan maksimum dari karbon kira-kira 0,02%. S: Titik eutektoid. Selama pendinginan,ferit pada komposisi P dan sementit pada komposisi K (sama dengan F) terbentuk simultan dari austenit pada komposisi S. Reaksi eutektoid ini dinamakan transformasi A1, dan fasa eutektoid ini dinamakan perlit. GS: Garis yang menyatakan hubungan antara temperatur dan komposisi, dimana mulai terbentuk ferit dari austenit. Garis ini disebut garis A3. ES: Garis yang menyatakan hubungan antara temperatur dan komposisi; dimana mulai terbentuk sementit dari austenit, dinamakan garis Acm. A2: Titik transformasi magnetic untuk besi dan ferit . A0 : Titik transformasi magnetic untuk sementit.

III - 2

Gambar 3.1 Diagram keseimbangan besi-karbon sebagai dasar dari bahan yang berupa besi baja. Baja yang berkadar karbon sama dengan komposisi eutectoid dinamakan baja eutectoid, yang berkadar karbon kurang dari komposisi eutectoid disebut baja hipoeutektoid, dan berkadar karbon lebih dari komposisi eutectoid disebut baja hipereutektoid .

III - 3

(2) Perubahan struktur pada perlakuan panas Baja dan besi diharapkan mempunyai kekuatan statik dan dinamik, ulet, mudah diolah, tahan korosi dan mempunyai sifat elektromagnetik agar dapat dipakai sebagai bahan untuk konstruksi mesin-mesin. Baja dapat digolongkan menurut jenis kristal dan perlakuan panas yaitu: 1). Ferit () pada temperature kamar dalam keseimbangan dapat diproses menjadi berbagai struktur dengan jalan perlakuan panas. Ferit mempunyai sel satuan kubus pusat badan atau body centered cubic (bcc), dan menjadi getas pada temperature rendah.(dingin). 2). Austenit () mempunyai sel satuan kubus muka atau face centered cubic(fcc) dan tidak getas pada temperature yang rendah.(dingin).Akan tetapi pada temperature rendah pengerjaannya akan membentuk fasa . 3). Martensit () adalah fasa larutan padat lewat jenuh dari karbon dalam sel satuan tetragonal atau body centered tetragonal (bct). Makin tinggi derajat kelewatan jenuhan karbon, makin keras dan makin getas martensit tersebut. 4). Bainit () mempunyai sifat-sifat antara martensit dan ferit. Berdasarkan jenis fasa, kadar unsur paduan dalam fasa, jumlah fasa, struktur kimia yang sesuai dan perlakuan panas yang tepat merupakan faktor-faktor yang diperlukan untuk mendapatkan sifat-sifat mekanik yang diinginkan pada baja. Berikut ini beberapa metode perlakuan panas yang lazim dilakukan: 1. Pengerasan (hardening) Pada proses ini , baja dipanaskan dari 30 s/d 50oC diatas suhu kritis atas (untuk baja-baja hypo-eutectoid) dan pada suhu yang sama diatas suhu kritis bawah (untuk baja-baja hyper-eutectoid). Baja dipanaskan pada temperatur ini untuk beberapa saat kemudian dicelupkan dalam media seperti air, minyak, atau brine. Semakin lama pencelupan, maka makin keras struktur baja yang dihasilkan. Untuk pengerasan, baja dan paduannya biasanya dipanaskan sampai 1100oC s/d 1300oC, yang diikuti pendinginan dengan udara yang mengalir.

2.

Tempering

III - 4

Baja yang dikeraskan dengan pencelupan secara cepat memiliki sifat brittle, keras, dan mengandung tegangan internal yang terdistribusi tidak merata. Tempering adalah proses pemanasan ulang terhadap baja yqang dikeraskan pda suhu dibawah suhu kritis (700oC). Baja dipanaskan pada suhu tersebut untuk beberapa saat kemudian dicelupkan dalam air , minyak, atau brine. Tujuan dari proses ini adalah untuk menghilangkan tegangan-tegangan internal yang dihasilkan pada pengerasan sehingga baja menjadi sedikit brittle, dan lebih lunak. 3. Annealing Menghilangkan tegangan internal Membuat lunak dan menambah keliatan (ductility), ketangguhan (toughness) dan sifat-sifat mekanik lainnya. Proses annealing meliputi pemanasan baja pada suhu 30-50oC diatas suhu kritis atas untuk baja hypo-eutectoid. Baja dipanaskan pada suhu tersebut untuk beberapa lama dan kemudian didinginkan secara lambat di dalam furnace. Untuk menghindari terjadinya dekarburisasi terhadap baja selama proses annealing, maka baja diletakkan didalam suatu kotak dari bahan besi cor berisi campuran dari arang kayu, kapur atau pasir. 4. Normalising 1) memperbaiki struktur ukuran partikel baja 2) menghilangkan tegangan-tegangan yang disebabkan karena proses pengerjaan dingin seperti : pemukulan (hammering), pembengkokan atau pengerolan (bending atau rolling) dsb. Proses normalising meliputi baja pada suhu 30-50C di atas suhu kritis selama kirakira 15 menit dan kemudian pendinginan dengan udara tenang. Normalising bertujuan untuk : Tujuan dari annealing adalah :

3.2

Baja karbon rendah bentuk pelat.

III - 5

Baja karbon rendah merupakan produk utama dalam produksi besi dan baja. Baja jenis ini dibuat dalam bentuk pelat tipis sebagai bahan peralatan rumah tangga dan pelat tebal dipakai untuk jembatan dan konstruksi. 3.2.1. Struktur dan mampu bentuk baja pelat tipis Penggunaan utama baja pelat tipis yang dirol panas, dilunakkan, dirol dingin dan dilunakkan adalah untuk benda yang dibentuk dengan pres. Pembentukan dengan pres terdiri dari pengguntingan dan pembentukan, dimana pengepresan merupakan proses utama. Sifat-sifat penting yaitu : regangan pada titik mulur, titik tarik, regangan uniform dan regangan setempat yang didapat dengan pengujian tarik biasa. Eksponen pengerasan regangan (n) dan perbandingan regangan plastis (r). Makin besar n makin baik mampu bentuknya. Baja pelat dirol dingin umumnya n=0,180,25. contoh; bejana berbentuk selinder dari bahan bulat tipis(blank). 3.2.2. Pemilihan baja pelat tipis dengan mampu bentuk baik Ukuran butiran memberikan pengaruh yang jelas pada harga r . Makin kecil nomor ukuran butir makin besar butir kristal maka makin tinggi harga r kalau butiran makin besar. Makin besar ukuran butir makin kecil kekuatan mulur, jadi bukan hanya harga r saj tetapi juga harga n cenderung menjadi lebih baik, tetapi bila ukuran butir menjadi sangat besar, maka pembentukan permukaan menjadi kasar, disebut kulit jeruk.

III - 6

Gambar 3.2 Hubungan antara harga r dengan ukuran butiran Penarikan dalam pelat baja tipis, menghasilkan titik mulur berbentuk pola tertentu yang disebut regangan pembentang (stretcher strain) , jadi pelat baja tipis bagi proses penarikan diolah lebih dulu dengan pengerolan ringan setelah pelunakan, yang disebut pengerolan temper (temper rolling). (lihat gambar 3.3) Lembaran baja tipis yang dapat dibentuk secara baik, maksimum mengandung 0,18% karbon, tetapi karena kadar karbon membuat harga r menurun, maka sebaiknya kadar karbon diturunkan sampai kira-kira 0,03% .

Gambar 3.3 Pengerolan temper

III - 7

3.3

Penggunaan baja untuk kekuatan dan keuletan Pemilihan baja yang akan dipakai sebagai bahan konstruksi ialah kekuatan

dan keuletan yang memadai. Satu dari sekian sifat-sifat baja yang penting ialah kekuatan, tetapi pada umumnya apabila kekuatan ditingkatkan, keuletan menurun sehingga kekuatan yang berlebihan akan menyebabkan kerusakan pada saat benturan. 3.3.1. Kekerasan baja setelah dicelup dingin dan mampu keras Kekerasan baja setelah dicelup dingin terutama tergantung pada kadar karbonnya. Kekerasan baja setelah dicelup dingin meningkat hampir berbanding lurus dengan kadar karbon sampai 0,6% selanjutnya peningkatan gradien lebih kecil kalau kadar karbon meningkat.

Gambar 3.4

Hubungan antara kekerasan baja setelah dicelup dingin dan dinormalkan dengan kadar karbon.

Untuk memberikan kekuatan dan keuletan pada baja, pertama-tama dikeraskan dengan dicelup dingin. Mampu keras adalah sifat yang menunjukkan

III - 8

bahwa baja dikeraskan dalam keadaan tertentu, dan pada beberapa dari permukaan yang didinginkan strukturnya menjadi martensit. Pengaruh kadar karbon pada laju pendinginan kritis adalah jika kadar karbon meningkat, maka mampu keras menjadi lebih baik dan mencapai tertinggi pada 0,8-0,9% C. Baja komersial mempunyai mampu keras yang lebih baik karena mengandung Si, Mn, dan unsur-unsur lain. Unsur Co : menurunkan laju pendinginan kritis dan memperbaiki mampu keras dengan penambahan sekurang-kurangnya sampai jumlah tertentu. Unsur Mn, Cr, Mo, Ni, Si, dsb: memperbaiki mampu keras yang lebih baik dengan kadar yang lebih. Unsur Ti, V, Zr, W, U, dsb: penambahan yang berlebihan menurunkan mampu keras. Unsur Be: penambahan yang sedikit sangat memperbaiki mampu keras, tetapi tidak pernah dipakai karena mahal dan beracun. 3.3.2. Baja paduan untuk konstruksi mekanik Unsur paduan untuk baja paduan yang dipergunakan bagi konstruksi mekanik adalah Ni-Cr, Ni-Cr-Mo, Cr, Cr-Mo, Mn, dan Mn-Cr. Baja paduan mempunyai kelebihan sebagai berikut: 1). Mempunyai mampu keras yang baik meskipun berukuran besar dapat dikeraskan sampai kedalam. Disamping kekuatan yang lebih tinggi dan keuletan yang lebih baik yang dihasilkan. 2). Karena mempunyai mampu keras yang lebih baik tidak perlu pendinginan yang cepat pada pengerasannya, hal ini disebabkan rendahnya tegangan sisa. Pada gambar 3.5 menunjukkan contoh perubahan pada sifat mekanik untuk baja yang ditemper dan dikeraskan. Kekuatan tarik, kekerasan dan kekuatan mulur menurun kalau temperature tempering meningkat dan harga impak meningkat kecuali diantara daerah 200-300oC. Baja Ni-Cr-Mo sangat baik kekuatan dan keuletan, tetapi Ni mahal; hal ini merupakan suatau pembatas, usaha dilakukan dalam teknik produksi ini untuk mencoba menggantikannya dengan baja Cr-Mo atau baja Cr.

III - 9

Gambar 3.5 Pengaruh penemperan pada sifat-sifat mekanik dari baja martensit yang ditemper. 3.3.3. Pengerasan kulit Beberapa komponen mesin mempunyai permasalahan bukan hanya dalam soal keuletan tetapi juga dalam kelelehan yang disebabkan keausan permukaan tegangan yang bolak balik seperti pada roda gigi. . Untuk mengatasi masalh tersebut maka perlu kekekrasan yang lebih tinggi pada permukaan. Caranya dengan jalan pengerasan pada permukaan atau kulit yaitu; 1. Pengarbonan Reaksi pengarbonan dapat dijelaskan sebagai berikut : CO2 + C(arang) 2CO 2CO + CO2 + C (larut ke dalam baja) Pengarbonan dipakai arang yang dicampur 10% NaCO3 dan BaCO3, ke dalam campuran baja yang akan dikeraskan, lalu dipanaskan pada 900950oC. Sehingga diperoleh permukaan baja berkadar karbon tinggi. Tetapi permukaan baja menjadi kasar karena pemanasan yang lama, oleh karena itu

III - 10

perlu dihaluskan dengan jalan pengerasan kedua dan ditemper pada 150200oC sebelum dipergunakan. Selain arang sebagai bahan pengarbon dipakai juga pengarbon cair yaitu garam cair mengandung NaCN sebagai komponen utama, dan juga pengarbon gas seperti; butane, propana, dll. Dicampur dengan udara dengan katalis Ni. Pada pengarbonan dengan gas dapat dikontrol kadar karbon pada permukaan benda kerja dan dapat langsung dicelup dingin setelah pengarbonan. 2. Penitridan Proses ini dimaksudkan untuk membuat kulit nitride pada permukaan baja dengan jalan menempatkan baja di dalam tungku yang dialiri gas amoniak dan dipanaskan kira-kira 500oC. Karena baja telah dikeraskan dan ditemper pada temperature proses yang lebih rendah daripada temperature penemperan, maka struktur didalam tidak berubah . Baja untuk keperluan ini mngandung Al, Cr, Te, V, Mn, dan Si, yang mempunyai afinitas kuat dengan N. Sekarang ini digunakan penitridan ion yaitu; tungku divakumkan diisi dengan gas N2 atau N2+H2 pada tekanan 1-10 Torr. Penitridan adalah suatu proses yang sangat baik dimana sukar terjadi transformasi atau perubahan struktur dari logam induk, yang menghasilkan kulit nitride yang keras dan sangat tahan aus 3. Pengerasan frekuensi tinggi dan pengerasan nyala api. Baja ditempatkan dalam lilitan, dan lilitan diliri arus frekuensi tinggi dengan demikian permukaan baja terpanaskan, kemudian baja dicelup dingin. Pengerasan dengan nyala api yaitu; mempergunakan api yang ditimbulkan oleh gas oksigen asetilen untuk memanaskan permukaan baja. 3.4 Baja Tahan Karat Salah satu cacat pada penggunaan baja adalah terjadinya karat, yang dapat cegah dengan menngunakan pelapisan atau pengecatan. Ada beberapa baja yang digolongkan secara metalurgi sebagai baja tahan karat austenit, baja tahan karat ferit, baja tahan karat martensit dan baja tahan karat presipitasi.

III - 11

Pengaruh unsur-unsur paduan pada ketahanan karat dari besi. 1. Cr : dipadukan dengan besi diatas 12-13%, karat yang berwarna merah tidak terbentuk, karena adanya oksigen di udara terjadi permukaan yang stabil sehingga disebut baja tahan karat.. 2. Kalau baja mengandung lebih dari 17% Cr akan terbentuk suatu lapisan yang stabil . Karat pada bagian yang dilas dari baja ini disebabkan oleh presipitasi karbida Cr dan oksidasi Cr. 3. Ni dipadukan pada besi, kehilangan berat yang disebabkan korosi dalam asam berkurang sehingga korosi bias diperbaiki. Baja tahan karat adalah baja paduan yang memanfaatkan keefektifan unsur paduan tersebut seperti Cr dan Ni dan dapat dibagi menjadi system Fe-Cr dan Fe-Cr-Ni. Baja tahan karat martensit dan ferit yang pertama diidentifikasi sebagai baja tahan karat dan terakhir adalah austenit. Penggunaan Cu, Mo dll, pada baja untuk memenuhi maksud tertentu. 3.4.1. Pemilihan baja tahan karat 1. Baja tahan karat martensit Komposisi baja tahan martensit adalah 12-13% Cr dan 0,1-0,3 C. Kadar Cr sebanyak ini merupakan batas terendah untuk ketahanan terhadap asam, oleh karena itu sukar berkarat di udara dan ketahanan karat pada suatu larutan juga cukup. Sampai 500oC, baja ini banyak dipakai karena ketahannnya terhadap panas dan melalui pengerasan dan penemperan sehingga baja ini memiliki sifat mekanik yang baik. 2. Baja tahan karat ferit Baja tahan karat ferit adalah baja yang terutama mengandung Cr sekitar 1618% atau lebih. Kebanyakan komponen dibuat dari pelat tipis dan bila berada dalam air netral dapat terjadi korosi lubang. Ketahanan terhadap korosi lubang meningkat bila ditambahkan Cr dan Mo dan lebih baik lagi dengan Ni tetapi lebih mahal. Untuk penggunaannya; 18%Cr-1%Mo, 1819%Cr-2%Mo pada perangkat luar mobil dan komponen pemanas air. Sedangkan untuk persyaratan yang lebih tinggi dapat dipakai baja 26%Cr -1%Mo, dsb.

III - 12

Baja tahan karat ferit 18%Cr bersifat getas dan keuletannya tergantung kadar C dan N. Perkembangan teknik pembuatan baja sekarang ini, maka dibuat baja 18-19%Cr dengan kadar C+N