SLIDE KULIAHSLIDE KULIAHPENGETAHUAN BAHAN TEKNIKPENGETAHUAN BAHAN TEKNIKAGRICULTURAL ENGINEERINGAGRICULTURAL ENGINEERING

BOGOR AGRICULTURAL UNIVERSITYBOGOR AGRICULTURAL UNIVERSITY

Pembuatan Besi dan Pembuatan Besi dan PaduannyaPaduannya

Sejarah bajaSejarah baja Besi ditemukan digunakan pertama kali pada sekitar 1500 SMBesi ditemukan digunakan pertama kali pada sekitar 1500 SM Tahun 1100 SM, Bangsa hittites yang merahasiakan pembuatan tersebut Tahun 1100 SM, Bangsa hittites yang merahasiakan pembuatan tersebut

selama 400 tahun dikuasai oleh bangsa asia barat, pada tahun tersebut selama 400 tahun dikuasai oleh bangsa asia barat, pada tahun tersebut proses peleburan besi mulai diketahui secara luas.proses peleburan besi mulai diketahui secara luas.

Tahun 1000 SM, bangsa yunani, mesir, jews, roma, carhaginians dan asiria Tahun 1000 SM, bangsa yunani, mesir, jews, roma, carhaginians dan asiria juga mempelajari peleburan dan menggunakan besi dalam kehidupannya.juga mempelajari peleburan dan menggunakan besi dalam kehidupannya.

Tahun 800 SM, India berhasil membuat besi setelah di invansi oleh bangsa Tahun 800 SM, India berhasil membuat besi setelah di invansi oleh bangsa arya.arya.

Tahun 700 – 600 SM, Cina belajar membuat besi.Tahun 700 – 600 SM, Cina belajar membuat besi. Tahun 400 – 500 SM, baja sudah ditemukan penggunaannya di eropa.Tahun 400 – 500 SM, baja sudah ditemukan penggunaannya di eropa. Tahun 250 SM bangsa India menemukan cara membuat bajaTahun 250 SM bangsa India menemukan cara membuat baja Tahun 1000 M, baja dengan campuran unsur lain ditemukan pertama kali Tahun 1000 M, baja dengan campuran unsur lain ditemukan pertama kali

pada 1000 M pada kekaisaran fatim yang disebut dengan baja damascus.pada 1000 M pada kekaisaran fatim yang disebut dengan baja damascus. 1300 M, rahasia pembuatan baja damaskus hilang.1300 M, rahasia pembuatan baja damaskus hilang. 1700 M, baja kembali diteliti penggunaan dan pembuatannya di eropa 1700 M, baja kembali diteliti penggunaan dan pembuatannya di eropa Proses pembuatan baja diperkenalkan oleh Sir Henry Bessemer dari Inggris Proses pembuatan baja diperkenalkan oleh Sir Henry Bessemer dari Inggris

sekitar tahun 1800, sedang William Kelly dari Amerika pada tahun yang sekitar tahun 1800, sedang William Kelly dari Amerika pada tahun yang hampir sama menemukan Besi mampu Tempa (malleablem iron). hampir sama menemukan Besi mampu Tempa (malleablem iron).

Pembuatan Besi KasarPembuatan Besi Kasar Bahan utama besi dan paduannya adalah besi kasar, yang Bahan utama besi dan paduannya adalah besi kasar, yang

dihasilkan dalam tanur tinggi. dihasilkan dalam tanur tinggi. Bijih besi yang dicampur dengan kokas dan batu gamping, Bijih besi yang dicampur dengan kokas dan batu gamping,

dilebur dalam tanur tinggi. Jenis bijih besi yang lazim dipakai dilebur dalam tanur tinggi. Jenis bijih besi yang lazim dipakai adalah : hematit, magnetit, siderit, dan himosit. Hematit adalah : hematit, magnetit, siderit, dan himosit. Hematit (Fe2O3) adalah bijih besi yang paling banyak digunakan, (Fe2O3) adalah bijih besi yang paling banyak digunakan, karena kadar besinya tinggi dan kotorannya paling sedikit. karena kadar besinya tinggi dan kotorannya paling sedikit.

Hematite - Fe2O3 - 70 % iron Magnetite - Fe3O4 - 72 % iron

Limonite - Fe2O3 + H2O - 50 % to 66 % iron Siderite - FeCO3 - 48 % iron

Pembuatan Besi KasarPembuatan Besi KasarPemurnian Besi:Pemurnian Besi:

Prinsip dasar : Menghilangkan kandungan oksigen dalam Prinsip dasar : Menghilangkan kandungan oksigen dalam bijih besi.bijih besi.

Cara tradisional : Cara tradisional : blomery, blomery, pada proses ini bijih besi dibakar pada proses ini bijih besi dibakar dengan dengan charcoal, dimana banyak mengandung carbon , dimana banyak mengandung carbon sehingga terjadi pengikatan oksigen, pembakaran tersebut sehingga terjadi pengikatan oksigen, pembakaran tersebut menghasilkan karbondioksida (CO2) dan karbon monoksida menghasilkan karbondioksida (CO2) dan karbon monoksida (CO) yang terlepas ke udara, sehingga besi murni didapat (CO) yang terlepas ke udara, sehingga besi murni didapat dan dikeluarkan dari dapur,kekurangnya tidak semua besi dan dikeluarkan dari dapur,kekurangnya tidak semua besi dapat melebur sehingga terbentuk spoge, spoge berisi besi dapat melebur sehingga terbentuk spoge, spoge berisi besi dan silica.dan silica.

Proses lebih modern adalah dengan blas furnace, blast Proses lebih modern adalah dengan blas furnace, blast furnace diisi oleh bijih besi, charcoal atau coke (coke adalah furnace diisi oleh bijih besi, charcoal atau coke (coke adalah charcoal yang terbuat dari coal) dan limestone (CaCO3). charcoal yang terbuat dari coal) dan limestone (CaCO3). Angin secara kencang dan kontinu ditiupkan dari bawah Angin secara kencang dan kontinu ditiupkan dari bawah dapur. Hasil peluburan besi akan berada di bawah, cairan dapur. Hasil peluburan besi akan berada di bawah, cairan besi yang keluar ditampung dan disebut dengan besi yang keluar ditampung dan disebut dengan pig ironpig iron..

Tanur TinggiTanur Tinggi

KupolaKupola

Proses Pembuatan BajaProses Pembuatan Baja

Baja diproduksi didalam dapur Baja diproduksi didalam dapur pengolahan baja dari besi kasar pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun cair, besi bekas baik padat maupun cair, besi bekas ( Skrap ) dan beberapa paduan ( Skrap ) dan beberapa paduan logam. logam.

Beberapa proses pembuatan baja:Beberapa proses pembuatan baja: Proses Basic Oxygen FurnaceProses Basic Oxygen Furnace Proses Dapur ListrikProses Dapur Listrik

Proses Basic Oxygen FurnaceProses Basic Oxygen Furnace

Logam cair dimasukkan ke ruang bakar Logam cair dimasukkan ke ruang bakar (dimiringkan lalu ditegakkan)(dimiringkan lalu ditegakkan)

Oksigen (± 1000 Oksigen (± 1000 00C) ditiupkan lewat C) ditiupkan lewat Oxygen Oxygen LanceLance ke ruang bakar dengan kecepatan tinggi. ke ruang bakar dengan kecepatan tinggi. (55 m3 (99,5 %O2) tiap satu ton muatan) dengan (55 m3 (99,5 %O2) tiap satu ton muatan) dengan tekanan 1400 kN/m2.tekanan 1400 kN/m2.

ditambahkan bubuk kapur (CaO) untuk ditambahkan bubuk kapur (CaO) untuk menurunkan kadar P dan S.menurunkan kadar P dan S.

Keuntungan dari BOF adalah:Keuntungan dari BOF adalah:– BOF menggunakan O2 murni tanpa NitrogenBOF menggunakan O2 murni tanpa Nitrogen– Proses hanya lebih-kurang 50 menit.Proses hanya lebih-kurang 50 menit.– Tidak perlu tuyer di bagian bawahTidak perlu tuyer di bagian bawah– Phosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbonPhosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon

Biaya operasi murah Biaya operasi murah

Tanur Tanur Basic Oxygen FurnaceBasic Oxygen Furnace

Tanur Oksigen Tanur Oksigen

Proses Tanur ListrikProses Tanur Listrik

temperatur tinggi dengan menggunkan temperatur tinggi dengan menggunkan busur cahaya electrode dan induksi listrik.busur cahaya electrode dan induksi listrik.

Keuntungan :Keuntungan :– Mudah mencapai temperatur tinggi dalam Mudah mencapai temperatur tinggi dalam

waktu singkat waktu singkat – Temperatur dapat diatur Temperatur dapat diatur – Efisiensi termis dapur tinggi Efisiensi termis dapur tinggi – Cairan besi terlindungi dari kotoran dan Cairan besi terlindungi dari kotoran dan

pengaruh lingkungan sehingga kualitasnya pengaruh lingkungan sehingga kualitasnya baikbaik

– Kerugian akibat penguapan sangat kecilKerugian akibat penguapan sangat kecil

Tanur ListrikTanur Listrik

Tanur Tinggi pada PT. Krakatau SteelTanur Tinggi pada PT. Krakatau Steel

Kandungan Carbon dan Sifat Mekanik Bahan LogamKandungan Carbon dan Sifat Mekanik Bahan Logam

Diagram Fase Iron-ironcarbide

CEMENTITE (Fe3C): Cementite is also known as iron carbide which has a chemical formula, Fe3C. It contains 6.67 % Carbon by weight. It is a

typical hard and brittle interstitial compound of low tensile strength (approximately 5,000 psi) but high compressive strength. Its crystal structure is orthorhombic.

AUSTENITE ( iron): It is also known as ( ) gamma-iron, which is an interstitial solid solution of carbon dissolved in iron with a face centered cubic crystal (F.C.C) structure. Average properties of austenite are:

Figure 2. Austenite (gamma iron) crystal structure

Tensile strength 150,000 psi.

Elongation 10 % in 2 in gage length.

Hardness Rockwell C 40

Toughness High

FERRITE ( iron): It is also known as ( ) alpha -iron, which is an interstitial solid solution of a small amount of carbon dissolved in iron with a Body Centered Cubic (B.C.C.) crystal structure. It is the softest structure on the iron-iron carbide diagram. Average properties are:

Figure 2. Ferrite (alpha iron) crystal structure

Tensile strength 150,000 psi.

Elongation 10 % in 2 in gage length.

Hardness Rockwell C 40

Toughness High

PEARLITE ( + Fe3C) It is the eutectoid mixture containing 0.83 % Carbon and is formed at 1333oF on very slow cooling. It is very fine platelike or lamellar mixture of ferrite and cementite. The structure of pearlite includes a white matrix (ferritic background) which includes thin plates of cementite. Average properties are:

Tensile strength 150,000 psi.

Elongation 10 % in 2 in gage length.

Hardness Rockwell C 40

Toughness High

Pearlite microstructure (Light background is the ferrite matrix, dark lines are the cementite network)

 LEDEBURITE ( + Fe3C)

It is the eutectic mixture of austenite and cementite. It contains 4.3 % Carbon and represents the eutectic of cast iron. Ledeburite exists when the carbon content is greater than 2 %, which represents the dividing line on the equilibrium diagram between steel and cast iron.

 ( ) DELTA IRON:

Delta iron exists between 2552 and 2802 oF. It may exist in combination with the melt to about 0.50 % Carbon, in combination with austenite to about 0.18 % Carbon and in a single phase state out to about 0.10 % carbon. Delta iron has the Body Centered Cubic (B.C.C) crystal structure and is magnetic.

Klasifikasi bajaKlasifikasi baja

Baja karbon (Baja karbon (carbon steelcarbon steel), ), Baja paduan (Baja paduan (alloy steelalloy steel)) Cast Iron (besi Cor) Cast Iron (besi Cor)

Baja karbon (Baja karbon (carbon steelcarbon steel), ), Baja karbon rendah (Baja karbon rendah (low carbon steellow carbon steel) ) machine, machinery dan mild machine, machinery dan mild

steel (0,05 % - 0,30% Csteel (0,05 % - 0,30% C ))Sifatnya mudah ditempa dan mudah di mesinSifatnya mudah ditempa dan mudah di mesin Penggunaannya:Penggunaannya: • 0,05 % - 0,20 % C : automobile bodies, buildings, pipes, 0,05 % - 0,20 % C : automobile bodies, buildings, pipes,

chains, rivets, screws, nails.chains, rivets, screws, nails.• 0,20 % - 0,30 % C : gears, shafts, bolts, forgings, bridges, buildings0,20 % - 0,30 % C : gears, shafts, bolts, forgings, bridges, buildings

Baja karbon menengah (medium carbon steelBaja karbon menengah (medium carbon steel ) )– Kekuatan lebih tinggi daripada baja karbon rendah. Kekuatan lebih tinggi daripada baja karbon rendah. – Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong. Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong. Penggunaan: Penggunaan: – 0,30 % - 0,40 % C : 0,30 % - 0,40 % C : connecting rods, crank pins, axles. connecting rods, crank pins, axles. – 0,40 % - 0,50 % C : 0,40 % - 0,50 % C : car axles, crankshafts, rails, boilers, auger bits, car axles, crankshafts, rails, boilers, auger bits,

screwdriversscrewdrivers. . – 0,50 % - 0,60 % C : 0,50 % - 0,60 % C : hammershammers dan sledges dan sledges

Baja karbon tinggi (Baja karbon tinggi (high carbon steelhigh carbon steel) ) tool steeltool steelSifatnya sulit dibengkokkan, dilas dan dipotong. Kandungan 0,60 % - 1,50 Sifatnya sulit dibengkokkan, dilas dan dipotong. Kandungan 0,60 % - 1,50 % C% CPenggunaanPenggunaan : :screw drivers, blacksmiths hummers, tables knives, screws,screw drivers, blacksmiths hummers, tables knives, screws, hammers, vise hammers, vise jaws,jaws, knives, drillsknives, drills. . tools for turning brass and wood, reamerstools for turning brass and wood, reamers, , tools for tools for turning hard metals, saws for cutting steel, wire drawing dies, fine cuttersturning hard metals, saws for cutting steel, wire drawing dies, fine cutters

Baja paduan (Baja paduan (alloy steelalloy steel))Tujuan dilakukan penambahan unsur yaitu:Tujuan dilakukan penambahan unsur yaitu: Untuk menaikkan sifat mekanik baja (kekerasan, keliatan, kekuatan tarik dan sebagainya)Untuk menaikkan sifat mekanik baja (kekerasan, keliatan, kekuatan tarik dan sebagainya) Untuk menaikkan sifat mekanik pada temperatur rendahUntuk menaikkan sifat mekanik pada temperatur rendah Untuk meningkatkan daya tahan terhadap reaksi kimia (oksidasi dan reduksi)Untuk meningkatkan daya tahan terhadap reaksi kimia (oksidasi dan reduksi) Untuk membuat sifat-sifat spesial Untuk membuat sifat-sifat spesial

Baja paduan yang diklasifikasikan menurut kadar karbonnya dibagi menjadi:Baja paduan yang diklasifikasikan menurut kadar karbonnya dibagi menjadi: Low alloy steelLow alloy steel, jika elemen paduannya ≤ 2,5 %, jika elemen paduannya ≤ 2,5 % Medium alloy steelMedium alloy steel, jika elemen paduannya 2,5 – 10 %, jika elemen paduannya 2,5 – 10 % High alloy steelHigh alloy steel, jika elemen paduannya > 10 %, jika elemen paduannya > 10 %

Selain itu baja paduan dibagi menjadi dua golongan yaitu baja campuran khusus (Selain itu baja paduan dibagi menjadi dua golongan yaitu baja campuran khusus (special alloy special alloy steelsteel) dan ) dan highhigh speed steelspeed steel. .

Baja Paduan Khusus (Baja Paduan Khusus (special alloy steelspecial alloy steel))Baja jenis ini mengandung satu atau lebih logam-logam seperti nikel, chromium, Baja jenis ini mengandung satu atau lebih logam-logam seperti nikel, chromium, manganese, molybdenum, tungsten dan vanadium. Dengan menambahkan logam manganese, molybdenum, tungsten dan vanadium. Dengan menambahkan logam tersebut ke dalam baja maka baja paduan tersebut akan merubah sifat-sifat mekanik dan tersebut ke dalam baja maka baja paduan tersebut akan merubah sifat-sifat mekanik dan kimianya seperti menjadi lebih keras, kuat dan ulet bila dibandingkan terhadap baja kimianya seperti menjadi lebih keras, kuat dan ulet bila dibandingkan terhadap baja karbon (karbon (carbon steelcarbon steel). ).

High Speed Steel High Speed Steel (HSS) (HSS) Self Hardening SteelSelf Hardening SteelKKandungan karbon : 0,70 % - 1,50 %. Penggunaan membuat alat-alat potong seperti drills, andungan karbon : 0,70 % - 1,50 %. Penggunaan membuat alat-alat potong seperti drills, reamers, countersinks, lathe tool bits dan milling cutters. Disebut High Speed Steel karena reamers, countersinks, lathe tool bits dan milling cutters. Disebut High Speed Steel karena alat potong yang dibuat dengan material tersebut dapat dioperasikan dua kali lebih cepat alat potong yang dibuat dengan material tersebut dapat dioperasikan dua kali lebih cepat dibanding dengan carbon steel. Sedangkan harga dari HSS besarnya dua sampai empat dibanding dengan carbon steel. Sedangkan harga dari HSS besarnya dua sampai empat kali daripada carbon steelkali daripada carbon steel

Baja paduan (Baja paduan (alloy steelalloy steel)) Baja Paduan dengan Sifat KhususBaja Paduan dengan Sifat Khusus

• Baja Tahan Karat (Baja Tahan Karat (Stainless SteelStainless Steel)) Tahan temperature rendah maupun tinggiTahan temperature rendah maupun tinggi Memiliki kekuatan besar dengan massa yang kecilMemiliki kekuatan besar dengan massa yang kecil Keras, liat, densitasnya besar dan permukaannya tahan ausKeras, liat, densitasnya besar dan permukaannya tahan aus Tahan terhadap oksidasiTahan terhadap oksidasi Kuat dan dapat ditempaKuat dan dapat ditempa Mudah dibersihkanMudah dibersihkan Mengkilat dan tampak menarikMengkilat dan tampak menarik Memiliki daya tahan yang baik terhadap panas, karat dan goresan/gesekanMemiliki daya tahan yang baik terhadap panas, karat dan goresan/gesekan

• High Strength Low Alloy SteelHigh Strength Low Alloy Steel (HSLS) (HSLS)Sifat dari HSLA adalah memiliki Sifat dari HSLA adalah memiliki tensile strengthtensile strength yang tinggi, anti bocor, tahan terhadap abrasi, yang tinggi, anti bocor, tahan terhadap abrasi, mudah dibentuk, tahan terhadap korosi, ulet, sifat mampu mesin yang baik dan sifat mampu las yang 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 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 dengan menambahkan unsur-unsur seperti: tembaga (Cu), nikel (Ni), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Vanadium (Va) dan Columbium(Mo), Vanadium (Va) dan Columbium

• Baja Perkakas (Baja Perkakas (Tool SteelTool Steel))Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh baja perkakas adalah tahan pakai, tajam atau mudah diasah, tahan Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh baja perkakas adalah tahan pakai, tajam atau mudah diasah, tahan

panas, kuat dan ulet. panas, kuat dan ulet. Kelompok dari tool steel berdasarkan unsur paduan dan proses pengerjaan panas yang diberikan antara Kelompok dari tool steel berdasarkan unsur paduan dan proses pengerjaan panas yang diberikan antara

lain:lain:– Later hardeningLater hardening atau atau carbon tool steelcarbon tool steel (ditandai dengan tipe W oleh AISI), (ditandai dengan tipe W oleh AISI), Shock resistingShock resisting (Tipe S), (Tipe S),

memiliki sifat kuat dan ulet dan tahan terhadap beban kejut dan repeat loading. Banyak dipakai memiliki sifat kuat dan ulet dan tahan terhadap beban kejut dan repeat loading. Banyak dipakai untuk pahat, palu dan pisau.untuk pahat, palu dan pisau.

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

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

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

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

Klasifikasi lainnya: Klasifikasi lainnya:

• Baja dengan sifat fisik dan kimia khusus:Baja dengan sifat fisik dan kimia khusus:– Baja tahan garam (Baja tahan garam (acid-resisting steelacid-resisting steel))– Baja tahan panas (Baja tahan panas (heat resistant steelheat resistant steel))– Baja tanpa sisik (Baja tanpa sisik (non scaling steelnon scaling steel))– Electric steelElectric steel– Magnetic steelMagnetic steel– Non magnetic steelNon magnetic steel– Baja tahan pakai (Baja tahan pakai (wear resisting steelwear resisting steel))– Baja tahan karat/korosiBaja tahan karat/korosi

Klasifikasi lainnya:Klasifikasi lainnya:

Dengan mengkombinasikan dua klasifikasi baja menurut Dengan mengkombinasikan dua klasifikasi baja menurut kegunaan dan komposisi kimia maka diperoleh lima kegunaan dan komposisi kimia maka diperoleh lima kelompok baja yaitu:kelompok baja yaitu:

Baja karbon konstruksi (Baja karbon konstruksi (carbon structural steelcarbon structural steel)) Baja karbon perkakas (Baja karbon perkakas (carbon tool steelcarbon tool steel)) Baja paduan konstruksi (Baja paduan konstruksi (Alloyed structural steelAlloyed structural steel)) Baja paduan perkakas (Baja paduan perkakas (Alloyed tool steelAlloyed tool steel)) Baja konstruksi paduan tinggi (Baja konstruksi paduan tinggi (Highly alloy structural steelHighly alloy structural steel))

Selain itu baja juga diklasifisikan menurut kualitas:Selain itu baja juga diklasifisikan menurut kualitas: Baja kualitas biasaBaja kualitas biasa Baja kualitas baikBaja kualitas baik Baja kualitas tinggiBaja kualitas tinggi