Baja dan logam besi

Materi

Produksi besi dan baja

Pengecoran ingot

Pengecoran kontinu

Baja karbon dan paduan

Baja tahan karat

Baja pekakas dan dies

Pembuatan Besi dan Baja

Pembuatan Besi Kasar

Bahan utama besi dan paduannya adalah besi

kasar, komposisi kimia besi yang dihasilkan

tergantung pada jenis bijih yang digunakan. Jenis

bijih besi yang lazim digunakan adalah ; hematite,

magnetit, siderite dan himosit.

Hematit (Fe2O3) adalah bijih besi yang paling

banyak dimanfaatkan karena kadar besinya tinggi,

sedangkan kadar kotorannya relative rendah.

Tanur Tinggi

Diameter tanur sekitar 8 m dan tingginya mencapai 60 m

Kapasitas perhari dari tanur tinggi berkisar antara 700 – 1600 Mg besi kasar.

Bahan baku terdiri dari campuran bijih besi, kokas, batu kapur.

Untuk menghasilkan 1000 Mg besi kasar diperlukan sekitar 2000 Mg bijih besi, 800 Mg Kokas dan 500 Mg batu kapur.

Proses

Bahan baku yang terdiri dari campuran bijih besi, kokas

dan batu kapur, dinaikkan kepuncak tanur dengan

pemuat otomatis, kemudian dimasukkan kedalam hopper.

Udara panas dihembuskan melalui tuyer sehingga

memungkinkan kokas terbakar secara efektif dan untuk

mendorong terbentuknya karbon monoksida (CO). Karbon

monoksida bereaksi dengan bijih besi dan kemudian

menghasilkan besi dan gas karbon dioksida (CO2).

Dengan digunakan udara panas dapat dihemat

penggunaan kokas sebesar 30 %, udara dipanaskan

dalam pemanas mula yang berbentuk menara silindris

sampai sekitar 500 oC.

Proses

Batu kapur digunakan sebagai fluks yang mengikat

kotoran-kotoran yang terdapat dalam bijih-bijih, dan

membentuk terak cair. Terak cair ini lebih ringan dari

besi cair yang menyebabkan terak terapung

diatasnya dan secara berkala disadap.

Disamping setiap Mg besi dihasilkan pula 0,5 Mg terak

dan 0,6 Mg gas panas.

Besi cair yang telah bebas dari kotoran-kotoran

dialirkan ke dalam cetakan setiap 5 atau 6 jam.

Manufaktur Besi dan Baja

Figure 5.1 Schematic illustration of a blast furnace.

Flowchart manufaktur besi/baja

Bahan Baku

Pada proses pembuatan besi/baja diperlukan bahan

bahan baku/mentah, antara lain :

Bijih besi,

Batu bara,

Batu kapur.

Bijih besi (Ore)

Bijih besi adalah suatu zat mineral yang

mengandung cukup kadar besi untuk dileburkan,

yaitu kira-kira 20%.

Komposisi dan bentuk bijih bijih besi itu ber-beda

beda antara sumber yang satu dengan yang

lainnya, ada yang berupa karang yang keras

sekali, ada yang berupa butiran butiran kecil dan

ada juga yang berupa tanah yang gembur dan

dengan warna yang bervariasi dari hitam sampai

merah bata.

Besi merupakan suatu komposisi kimia (biasanya

suatu oksida) dan pada umumnya kebanyakan

mengandung bahan oksida besi.

Batu Bara (Kokas)

Kokas mempunyai tiga peranan pada tanur tinggi yaitu:1. Sebagai bahan bakar untuk peleburan,

2. Sebagai sumber gas karbon monoksida (CO) yang merupakan

unsur pemisah untuk mengubah oksida besi menjadi besi,

3. Sebagai suatu bahan penahan beban tanpa terjadi

penyumbatan.

Sifat berporinya akan mempermudah lewatnya gas

melalui tanur. Hal ini bisa dibuat dengan jalan

memanggang kokas yang telah dipilih lebih dulu, dalam

pemanas yang besar dan tertutup rapat.

Zat-zat kimia yang mudah menguap akan keluar dari

kokas, dan setelah dibersihkan akan bisa digunakan

sebagai bahan bakar di bagian pabrik yang lain.

Batu gamping (limestone)

Batu gamping dibutuhkan

sebagai bahan pencair yang

akan bersatu dengan bahan-

bahan dari luar, disatukan

dengan bijih besi.

Bahan-bahan tersebut akan

bersatu dan membentuk

terak yang terpisah dari besi.

Tungku dan bahan baku

proses pembentukan besi

Besi cor (casting iron) diperoleh

dengan menggunakan dapur :

1.Dapur Basic Oksigen (Basic Oxigen Furnace)

2.Dapur Terbuka (Open Hearth Furnace)

3.Dapur Listrik (Electric Arch Furnace)

Bahan baku dapur berupa :

1. besi mentah (Pig Iron)

2. baja bekas (Steel Scrap)

3. besi bekas (Iron Scrap)

Scrap

Basic-oxygen Process

Figure 5.3 Schematic illustration showing (a) charging, (b) melting, and (c) pouring of molten iron in a basic-oxygen process.

Basic-oxygen Process

Proses tanur oksigen basa ( Basic Oxygen

Furnace, BOF) menggunakan besi kasar (65 – 85

%) yang dihasilkan oleh tanur tinggi sebagai

bahan dasar utama dicampur dengan besi

bekas dan batu kapur.

Panas ditimbulkan oleh reaksi dengan oksigen.

Gagasan ini dicetuskan oleh Bessemer sekitar

tahun 1800.

Basic-oxygen Process

Besi bekas sebanyak ± 30% dimasuk-kan kedalam bejana yang dilapisi batu tahan api basa.

Logam panas dituangkan kedalam bejana tersebut. Suatu pipa aliran oksigen yang didinginkan dengan air dimasukkan kedalam bejana 1 sampai 3 m diatas permukaan logam cair. Unsur-unsur karbon, mangan dan silicon akan

teroksidasi. Batu kapur dan kalsium fluor ditambahkan

untuk mengikat kotoran-kotoran seperti fosfor dan

belerang dan membentuk terak.

Jenis Baja yang dihasilkan oleh proses ini adalah Baja

karbon & Baja paduan 0,1 % < c < 2,0 %

Electric Furnaces

Figure 5.2 Schematic illustrations of types of electric furnaces: (a) direct arc, (b) indirect arc, and (c) induction.

Continous Casting

Figure 5.4 (a) The continuous-casting process for steel. Typically, the solidified metal descends at a speed of 25 mm/s (1 in./s). Note that the platform is about 20m (65ft.) above ground level. Source: Metalcaster’s Reference and Guide,American Foundrymen’s Society. (b) Continuous strip casting of nonferrous metal strip. Source: Courtesy of Hazelett.

Pengolahan baja lumer

Baja lumer sudah tentu harus dipadatkan dulu

sebelum pengolahan selanjutnya; bisa dibuat

dalam tiga cara yaitu :

1. dibuat ingot (bentuk padatan);

2. diolah dengan mesin pengecoran selanjutnya

(Continous Casting);

3. digunakan untuk pembuatan baja-baja cor.

Proses Manufaktur besi/baja

Keluaran dari proses pengecoran adalah :

1. Billets

2. Blooms

3. Slabs

Flowchart produk besi/baja

Pengolahan Billet, Slabs dan Bloom

Logam Besi

Logam besi

Baja karbon

Baja paduan

Baja pekakas & dies

Baja tahan karat

Besi tuang

Baja karbon

Menurut kadungan C

Baja karbon rendah: C<0,3%, untuk baut, mur, lembaran, pelat, tabung, pipa, komponen mesin berkekuatanrendah

Baja karbon menengah: 0,3%<C<0,6%, untuk roda gigi, axle, batang penghubung, crankshaft, rel, komponenuntuk mesin pengerjaan logam

Baja karbon tinggi: 0,6%<C<1,0%, untuk mata pahat, kabel, kawat musik, pegas

Contoh :

Baja seri 1045

• 1045 termasuk seri 10xx atau seri baja karbon

• Angka 45 merupakan kandungan karbon = 45/100 % = 0,45%

Klasifikasi baja menurut AISI & SAE

Baja Paduan

Baja paduan rendah berkekuatan tinggi (high strength

alloy steel)

C<0,30%

Struktur mikro: butir besi- halus, fasa kedua

martensit & besi-d

Produknya: pelat, balok, profil

Baja fasa ganda (Dual- phase steel)

Strukturmikro: campuran besi- & martensit

Baja paduan rendah berkekuatan tinggi

Kekuatan luluh Komposis kimia Deoksidasi

103 Psi MPa

35 240

S = kualitas struktur

X = paduan rendah

W = weathering

D = fasa ganda

F = kill + kontrol S

K = kill

O = bukan kill

40 275

45 310

50 350

60 415

70 485

80 550

100 690

120 830

140 970

Contoh : 50XF

50 → kekuatan luluh 50x103 PsiX → paduan rendahF → kill + kontrol S

Baja Pekakas & Dies

Baja paduan dengan ketahanan pakai dan tangguh serta berkekuatan tinggi

Tipe Grade AISI-SAE Karakter

Pengerasan dgn air W

Pengerjaan dingin O

A

D

Pengerasan dgn oli

Pengerasan dgn air

Paduan menengah, C dan Cr tinggi

Tahan kejut S

Kecepatan tinggi T

M

Basis W

Basis Mo

Pengerjaan panas H H1-H19 (Basis Cr), H20-H39 (basis W),

H40-H59 (basis Mo)

Mold plastik P

Pengunaan khusus L

F

Paduan rendah

C-W

Baja tahan karat

Sifatnya tahan korosi, kekuatan & keuletan tinggi dan

kandungan Cr tinggi

Kandungan lain : Ni, Mo, Cu, Ti, Si, Mg, Cb, Al, N dan S

Jenis baja tahan karat

Austenitik (seri 200 & 300)

Ferritik (seri 400)

Martemsitik (seri 400 & 500)

Pengerasan presipitasi

Struktur Duplek

Jenis baja tahan karat

Austenitik (seri 200 & 300)

Mengandung Cr, Ni dan Mg

Bersifat tidak magnit, tahan korosi

Untuk peralatan dapur, fitting, konstruksi, peralatan transport, tungku, komponen penukar panas, linkungan kimia

Ferritik (seri 400)

Mengandung Cr tinggi, hingga 27%

Bersifat magnit, tahan korosi

Untuk peralatan dapur.

Martemsitik (seri 400 & 500)

Mengandung 18%Cr, tidak ada Ni

Bersifat magnit, berkekuatan tinggi, keras, tahan patah dan ulet

Untuk peralatan bedah, instrument katup dan pegas

Jenis baja tahan karat

Pengerasan presipitasi

Mengandung Cr, Ni, Cu, Al, Ti, & Mo

Bersifat tahan korosi, ulet dan berkekuatan tinggi pada suhu

tinggi

Untuk komponen struktur pesawat dan pesawat ruang

angkasa

Struktur Duplek

Campuran austenit & ferrit

Untuk komponen penukar panas dan pembersih air

Besi cor

Besi tuang disusun

oleh besi, 2,11-4,50%

karbon dan 3,5%

silikon

Kandungan Si

mendekomposisi

Fe3C menjadi Fe-

dan C (garfit)

Jenis besi cor

Besi cor kelabu

Disusun oleh serpihan C (grafit) yang tersebar pada besi-

Bersifat keras & getas

Penyerap getaran

Besi cor nodular (ulet)

C (grafit)nya berbentuk bulat (nodular) tersebar pada besi-.

Nodular terbentuk karena besi cor kelabu ditambahkan sedikit unsur magnesium dan cesium

Keras & ulet

Besi cor tuang putih

Besi cor malleable

Jenis besi cor

Besi cor kelabu

Besi cor nodular (ulet)

Besi cor tuang putih

Disusun oleh besi- dan besi karbida (Fe3C)

Terbentuk melalui pendinginan cepat

Getas, tahan pakai dan sangat keras

Pengunaannya untuk connecting rod, gear transmissi, flange, fitting pipa dan komponen katup

Besi cor malleable

Disusun oleh besi- dan C (grafit)

Dibentuk dari besi cor putih yang dianil pada 800-900oC dalam atmosphere CO & CO2

LOGAM BUKAN BESI DAN PADUAN

MATERI

• Aluminium dan paduan aluminium

• Magnesium dan paduan magnesium

• Tembaga dan paduan tembaga

• Nikel dan paduan nikel

• Superalloy

• Titanium dan paduan titanium

Logam Bukan Besi

PENDAHULUAN• Logam & paduan bukan besi :

• Logam biasa: Al, Cu, Mg• Logam/paduan tahan suhu tinggi: W, Ta, Mo

• Aplikasi untuk :• Ketahanan korosi• Konduktifitas panas & listrik tinggi• Kerapatan rendah• Mudah dipabrikasi

• Contoh :• Al untuk pesawat terbang, peralatan masak• Cu untuk kawat listrik, pipa air• Zn untuk karburator• Ti untuk sudu turbin mesinjet• Ta untuk mesin roket

ALUMINIUM• Bauksit banyak terdapat di daerah Bintan dan

kalimantan. Cara penambangan terbuka.

• Bauksit kemudian dihaluskan , dicuci dan dikeringkan, sesudah itu bauksit mengalami pemurnian menjadi oksida aluminum atau alumina.

• Proses Bayer, yang dikembangkan oleh Karl Josef Bayer, seorang ahli kimia berkebangsaan Jerman, biasanya digunakan untuk memperoleh aluminium murni. Bauksit halus yang kering dimasukkan ke dalam pencampuran, diolah dengan soda api (NaOH) di bawah pengaruh tekanan dan pada suhu di atas titik didih.

ALUMINIUM

ALUMINIUM• Produk Wrough (tempa)

1xxx Al murni: 99,00%

2xxx Al+Cu

3xxx Al+Mn

4xxx Al+Si

5xxx Al+Mg

6xxx Al+Mg+Si

7xxx Al+Zn

8xxx Al+unsur lain

ALUMINIUM• Produk Cor

1xx.x Al murni: 99,00%

2xx.x Al+Cu

3xx.x Al+Si, Cu, Mg

4xx.x Al+Si

5xx.x Al+Mg

6xx.x Tidak digunakan

7xx.x Al+Zn

8xx.x Al+Pb

PERLAKUAN UNTUK PRODUK ALUMINIUM WROUGH DAN COR

F Hasil pabrikasi (pengerjaan dingin atau panas

atau cor)

O Proses anil (hasil pengerjaan dingin atau panas

atau cor)

H Pengerjaan regangan melalui pengerjaan dingin

(utk produk wrough)

T Perlakuan panas

MAGNESIUM & PADUAN MAGNESIUM

• Logam terringan dan penyerap getaran yg baik

• Aplikasi:

• Komponen pesawat dan missil

• Mesin pengankat

• Pekakas

• Tangga

• Koper

• Sepeda

• Komponen ringan lainnya.

PADUAN MAGNESIUM: PRODUK WROUGH DAN COR

Paduan Komposisi (%) Kondisi Pembentuk

kanAl Zn Mn Zr

AZ31B 3,0 1,0 0,2 F H24 Ekstrusi

lembaran

dan pelat

AZ80A 8,5 0,5 0,2 T5 Ekstrusi

dan tempa

HK31A 0,7 H24 Lembaran

dan pelat

ZK60A 5,7 0,55 T5 Ekstrusi

dan tempa

PENAMAAN PADUAN MAGNESIUM• Huruf 1 & 2 menyatakan unsur pemadu utama

• Angka 3 & 4 menyatakan % unsur pemadu utama

• Huruf 5 menyatakan standar paduan

• Huruf dan angka berikutnya menyatakan perlakuan panas

Contoh : AZ91C-T6

A→ Al

Z → Zn

9 → 9%Al

1 → 1%Zn

C → Standar C

T6 → Perlakuan panas

TEMBAGA & PADUAN TEMBAGA• Sifat paduan tembaga:

• Konduktifitas listrik dan panas tinggi

• Tidak bersifat magnit

• Tahan korosi

• Aplikasi

• Komponen listrik dan elektronik

• Pegas

• Cartridge

• Pipa

• Penukar panas

• Peralatan panas

• Perhiasan, dll

TEMBAGA• Tembaga diperoleh dari bijih tembaga yang

disebut Chalcopirit.

• Besi yang ada larut dalam terak dan tembaga yang tersisa / matte dituangkan kedalam konverter.

• Udara dihembuskan kedalamnya selama 4 atau 5 jam, kotoran teroksidasi, dan besi membentuk terak yang dibuang pada waktu tertentu. Bila udara dihentikan, oksida kupro bereaksi dengan sulfida kupro maka akan membentuk Tembaga blister dan Dioksida belerang.

• Tembaga blister ini dilebur dan dicor menjadi slab, kemudian diolah secara elektrolitik menjadi tembaga murni.

TEMBAGA

JENIS PADUAN TEMBAGA• Kuningan (Cu+Zn)

• Perunggu (Cu+Sn)

• Perunggu Al (Cu+Sn+Al)

• Perunggu Be (Cu+Sn+Be)

• Cu+Ni

• Cu+Ag

NIKEL & PADUAN NIKEL• Sifat paduan nikel

• Kuat

• Getas

• Tahan korosi pada suhu tinggi

• Elemen pemadu nikel: Cr, Co, Mo dan Cu

• Paduan nikel base = superalloy

• Paduan nikel tembaga = monel

• Paduan nikel krom = inconel

• Paduan nikel krom molybdenum = hastelloy

• Paduan nikel kron besi = nichrome

• Paduan nikel besi = invar

PROSES PENGOLAHAN BIJI NIKEL• dilakukan untuk menghasilkan nikel matte yaitu

produk dengan kadar nikel di atas 75 persen.

• Tahap-tahap utama dalam proses pengolahan :• Pengeringan di Tanur Pengering bertujuan untuk menurunkan

kadar air bijih laterit yang dipasok dari bagian Tambang dan memisahkan bijih yang berukuran 25 mm.

• Kalsinasi dan Reduksi di Tanur untuk menghilangkan kandungan air di dalam bijih, mereduksi sebagian nikel oksida menjadi nikel logam, dan sulfidasi.

• Peleburan di Tanur Listrik untuk melebur kalsin hasil kalsinasi/reduksi sehingga terbentuk fasa lelehan matte dan terak.

• Pengkayaan di Tanur Pemurni untuk menaikkan kadar Ni di dalam matte dari sekitar 27 persen menjadi di atas 75 persen.

• Granulasi dan Pengemasan untuk mengubah bentuk matte dari logam cair menjadi butiran-butiran yang siap diekspor setelah dikeringkan dan dikemas.

SUPPERALLOY• Tahan panas dan tahan suhu tinggi

• Aplikasi: mesin jet, turbin gas, mesin roket, pekakas, dies, industri nuklir, kimia dan petrokimia

• Jenis superalloy• Superalloy besi base: 32-67%Fe, 15-22%Cr, 9-

38%Ni

• Superalloy kobalt base: 35-65%Co, 19-30%Cr, 35%Ni

• Superalloy nikel base: 38-76%Ni, 27%Cr, 20%Co.

TITANIUM• Titanium adalah sejenis metal yang ringan namun

kuat. Sebagai perbandingannya adalah titanium seringan alumunium tetapi lebih kuat dari baja.

• Bentuk tidak akan berubah sekalipun telah dipakai dalam jangka waktu yang cukup lama.

• Bahan Titanium juga digunakan untuk keperluan militer baik itu darat,laut,udara, satelit, pesawat komersial maupun pesawat tempur, bahkan alat alat berat lainnya yang dimana membutuhkan daya tahan titanium.

• Bahan Titanium digunakan untuk medis, misalnya untuk mengganti tulang yang hancur atau patah.

TITANIUM• Titanium sangat penting bagi industri

penerbangan karena sebuah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol Ti dan nomor atom 22. Dia merupakan logam transisi yang ringan, kuat, 'lustrous', tahan korosi (termasuk tahan terhadap air laut dan chlorine dengan warna putih-metalik-keperakan.

• Titanium digunakan dalam alloy kuat dan ringan (terutama dengan besi dan aluminum) dan merupakan senyawa terbanyaknya, titanium dioxide, diguankan dalam pigmen

KEUNGGULAN TITANIUM• Salah satu karakteristik Titanium yang paling

terkenal adalah dia sama kuat dengan baja tapi hanya 60% dari berat baja.

• Kekuatan lelah (fatigue strength) yang lebih tinggi daripada paduan aluminium.

• Tahan suhu tinggi. Ketika temperatur pemakaian melebihi 150 C maka dibutuhkan titanium karena aluminium akan kehilangan kekuatannya seacara nyata.

• Tahan korosi. Ketahanan korosi titanium lebih tinggi daripada aluminium dan baja.

KEUNGGULAN TITANIUM• Dengan rasio berat-kekuatan yang lebih rendah

daripada aluminium, maka komponen-komponen yang terbuat dari titanium membutuhkan ruang yang lebih sedikit dibanding aluminium.

DUA PADUAN TITANIUM1. Titanium nitrida (TiN), memiliki kekerasan

ekuivalen dengan safir dan carborundum (9,0 pada Skala Mohs), sering digunakan untuk melapisi alat potong, seperti bor. Hal ini juga menemukan digunakan sebagai berwarna emas dekoratif selesai, dan sebagai penghalang logam dalam fabrikasi semikonduktor.

DUA PADUAN TITANIUM2. Titanium tetraklorida (titanium (IV) klorida,

TiCl4, kadang-kadang disebut "menggelitik" ) adalah cairan tak berwarna yang digunakan sebagai perantara dalam pembuatan titanium dioksida untuk cat. Hal ini banyak digunakan dalam kimia organik asam Lewis, misalnya dalam kondensasi aldol Mukaiyama Titanium. juga membentuk klorida yang lebih rendah, titanium (III) klorida (TiCl3), yang digunakan sebagai agen pereduksi.