Google+ Followers

Sabtu, 11 Mei 2013

MENGENAL JENIS - JENIS BESI

BESI


Besi adalah unsur dalam jadual berkala yang mempunyai simbol Fe dan nombor atom 26. Besi adalah kumpulan 8 dan kala (period) 4 logam. Besi adalah logam transisi yang paling banyak dipakai karena relatif melimpah di alam dan mudah diolah. Besi murni tidak begitu kuat, tetapi bila dicampur dengan logam lain dan karbon didapat baja yang sangat keras. Biji besi biasanya mengandung hematite (Fe2O3) yang dikotori oleh pasir (SiO2) sekitar 10 %, serta sedikit senyawa sulfur, posfor, aluminium dan mangan.

v  Sejarah Besi

ð  Tanda-tanda pertama kegunaan besi datangnya dari Sumeria dan Mesir, di mana sekitar 4000 SM, benda kecil, seperti mata lembing dan perhiasan, dihasilkan dari besi yang didapati dari meteor. Oleh kerana meteor jatuh dari langit sebagian ahli bahasa menjangkakan bahwa perkataan Inggris iron, yang which has cognates in many northern and bahasa Eropa barat, terhasil dari perkataan Etruska aisar yang bererti "Dewa-dewa".
ð  Sekitar 3000 SM hingga 2000 SM, semakin banyak objek besi yang dikerjakan dihasilkan (dibedakan dengan besi meteor melalui ketiadaan nikel dalam barangan besi tersebut) di Mesopotamia, Anatolia, dan Mesir. Bagaimanapun, kegunaannya kemungkinannya untuk upacara tertentu, dan besi merupakan logam yang mahal, lebih mahal berbanding emas. Dalam epik Iliad, kebanyakan senjata merupakan gangsa, tetapi ketulan besi digunakan untuk perdagangan. Sebagian sumber (lihat rujukan What Caused the Iron Age? di bawah) mencadangkan bahwa besi dihasilkan sebagai hasil sampingan dari penyucian tembaga ketika itu, sebagai besi span, dan tidak dihasilkan oleh pakar logam masa itu. Pada 1600 SM hingga 1200 SM, besi digunakan secara lebih meluas di Timur Tengah, tetapi tidak menggantikan kegunaan gangsa.
ð  Dari tempoh abad ke-12 SM hingga abad ke-10 SM, terdapat peralihan pantas di Timur Tengah dari segi peralatan dan senjata gangsa kepada besi. Faktor utama peralihan ini tidak kelihatannya sebagai kelebihan teknologi kerjabesi, tetapi sebaliknya disebabkan gangguan bekalan timah. Tempoh peralihan ini, yang berlaku pada tempoh berlainan ditempat berlainan di dunia, mengorak langkah ke zaman tamadun yang dikenali sebagai Zaman Besi.
ð  Serentak dengan peralihan dari gangsa kepada besi adalah jumpaan proses pengkarbonan, yang merupakan proses menambah karbon kepada besi masa itu. Besi yang dihasilkan adalah besi span, campuran besi dan sanga dengan karbon dan karbida, yang kemudiannya diketuk dan dilipat untuk membebaskan jismi slag dan mengoksidakan kandungan karbon, dengan itu menghasilkan besi tempa. Besi tempa amat kurang kandungan karbon dan tidak mudah dikeraskan melalui celupan. Orang-orang Timur Tengah mendapati bahawa hasil yang lebih keras boleh dihasilkan dengan memanaskan objek besi tempa dalam campuran arang untuk tempoh yang lama, dan kemudiannya dicelup dalam air atau minyak. Barangan yang terhasil, yang mempunyai permukaan besi waja, adalah lebih keras dan tahan berbanding gangsa yang digantikannya.
ð  Di negara China besi pertama digunakan juga adalah besi meteor, dengan bukti arkeologi mengenai barangan besi tempa muncul di barat laut, berhampiran Xinjiang, pada abad ke-8 SM. Barangan ini dibuat dengan besi tempa, dicipta melalui proses yang sama dengan yang digunakan di Timur Tengah dan Eropah, dan dipercayai diimport oleh penduduk bukan Cina.
ð  Pada tahun-tahun terakhir Dinasti Zhou (ca 550 BC), keupayaan penghasilan barangan besi bermula disebabkan teknologi tanur yang berkembang tinggi. Menghasilkan rerelau bagas (blast furnace) yang berupaya menghasilkan suhu melebihi 1,300 K, negara Cina telah memajukan penghasilan besi tuang, atau besi mentah.
ð  Jika bijih besi dipanaskan serentak dengan karbon sehingga 1420–1470 K, cecair likat terbentuk, satu aloi sekitar 96.5% besi dan 3.5% karbon. Hasil ini kuat, boleh dibentuk menjadi bentuk halus, tetapi terlalu rapuh untuk dibentuk, kecuali ia dinyahkarbon (decarburized) untuk menyingkir kebanyakan karbon. Sebahagian besar penghasilan besi zaman Dinasti Zhou berikut, adalah besi tuang. Besi, bagaimanapun, kekal sebagai penghasilan orang bawahan, digunakan oleh peladang selama beberapa ratus tahun, dan tidak menarik minat kaum bangsawan China sehingga Sinasti Qin (sekitar 221 SM)
ð  Besi tuang mundur di Eropah, disebabkan pelebur Eropah hanya mampu mencapai suhu sekitar 1000 K. Sebahagian besar Abad Pertengahan, di Eropah Barat, besi masih dihasilkan dengan menggunakan besi sponge menjadi besi tempa. Contoh besi tuang yang terawal di Eropah dijumpai dua tempat di Sweden, Lapphyttan dan Vinarhyttan, antara 1150 hingga 1350. Terdapat cadangan oleh para penyelidik bahawa ia mungkin diperkenalkan oleh puak Mongol menyeberangi Russia ketapak tersebut, tertapi tidak terdapat bukti kepada hipothesis ini. Bagaimanapun, menjelang akhir abad ke empat belas, pasaran bagi besi tuang mulai terbentuk, sebagai permintaan bagi peluru meriam yang diperbuat daripada besi tuang.
ð  Peleburan besi awal (sebagaimana proses ini dikenali) menggunakan arang sebagai sumber haba dan agen penurun. Pada abad ke-18 bekalan kayu di England kehabisan dan kok(arang), bahanapi fosil, digunakan sebagai ganti. Innovasi ini oleh Abraham Darby membekalkan tenaga untuk Revolusi Perindustrian di England.
v  Sejarah Baja
·         Besi ditemukan digunakan pertama kali pada sekitar 1500 SM
·         Tahun 1100 SM, Bangsa hittites yang merahasiakan pembuatan tersebut selama 400 tahun dikuasai oleh bangsa asia barat, pada tahun tersebbut proses peleburan besi mulai diketahui secara luas.
·         Tahun 1000 SM, bangsa yunani, mesir, jews, roma, carhaginians dan asiria juga mempelajari peleburan dan menggunakan besi dalam kehidupannya.
·         Tahun 800 SM, India berhasil membuat besi setelah di invansi oleh bangsa arya.
·         Tahun 700 – 600 SM, Cina belajar membuat besi.
·         Tahun 400 – 500 SM, baja sudah ditemukan penggunaannya di eropa.
·         Tahun 250 SM bangsa India menemukan cara membuat baja
·         Tahun 1000 M, baja dengan campuran unsur lain ditemukan pertama kali pada 1000 M pada kekaisaran fatim yang disebut dengan baja damascus.
·         1300 M, rahasia pembuatan baja damaskus hilang.
·         1700 M, baja kembali diteliti penggunaan dan pembuatannya di eropa.

v  Tahap Pengerjaan Logam



v  Proses Pembuatan Logam Besi
Pembuatan Besi Kasar
Bahan utama untuk membuat besi kasar adalah bijih besi. Berbagai macam bijih besi yang terdapat di dalam kulit bumi berupa oksid besi dan karbonat besi, diantaranya yang terpenting adalah sebagai berikut:
1.      Batu besi coklat (2Fe2O3 + 3H2O) dengan kandungan besi berkisar 40%.
2.      Batu besi merah yang juga disebut hematit (Fe2O3) dengan kandungan besi berkisar 50%.
3.      Batu besi magnet (Fe2O4) berwarna hijau tua kehitaman, bersifat magnetis dengan mengandung besi berkisar 60%.
4.      Batu besi kalsit atau spat (FeCO3) yang juga disebut sferosiderit dengan mengandung besi berkisar 40%.
Bijih besi dari tambang biasanya masih bercampur dengan pasir, tanah liat, dan batu-batuan dalam bongkah-bongkahan yang tidak sama besar. Untuk kelancaran proses pengolahan bijih besi, bongkah-bongkah tersebut dipecahkan dengan mesin pemecah, kemudian disortir antara bijih besih dan batu-batuan ikutan dengan tromol magnet. Pekerjaan selanjutnya adalah mencuci bijih besi tersebut dan mengelompokkan menurut besarnya, bijih-bijih besi halus dan butir-butir yang kecil diaglomir di dalam dapur sinter atau rol hingga berupa bola-bola yang dapat dipakai kembali sebagai isi dapur.
Setelah bijih besi itu dipanggang di dalam dapur panggang agar kering dan unsur-unsur yang mudah menjadi gas keluar dari bijih kemudian dibawa ke dapur tinggi diolah menjadi besi kasar. Dapur tinggi mempunyai bentuk dua buah kerucut yang berdiri satu di atas yang lain pada alasnya. Pada bagian atas adalah tungkunya yang melebar ke bawah, sehingga muatannya dengan mudah meluncur kebawah dan tidak terjadi kemacetan. Bagian bawah melebar ke atas dengan maksud agar muatannya tetap berada di bagian ini.
Dapur tinggi dibuat dari susunan batu tahan api yang diberi selubung baja pelat untuk memperkokoh konstruksinya. Dapur diisi dari atas dengan alat pengisi. Berturut-turut dimasukkan kokas, bahan tambahan (batu kapur) dan bijih besi. Kokas adalah arang batu bara yaitu batu bara yang sudah didestilasikan secara kering dan mengandung belerang yang sangat rendah sekali. Kokas berfungsi sebagai bahan bakarnya dan membutuhkan zat asam yang banyak sebagai pengembus. Agar proses dapat berjalan dengan cepat udara pengembus itu perlu dipanaskan terlebih dahulu di dalam dapur pemanas udara. Proses pada dapur tinggi seperti dalam gambar 1.
                                                 Mulut dapur
                                                                  3000 C
                                                                                                                Reduksi tidak langsung
mengubah oksida tinggi
menjadi FeO oleh CO
Fe2O3+CO                     2FeO+CO2
                                                                8000 C

                                                               

                                                                                11000 C
                                                                                                                Reduksi tidak langsung CO
FeO+CO                   Fe+CO2

                     CO2+C              2CO
                                                               
18000 C
                          C+O2              CO2

Besi cair di dalam dapur tinggi, kemudian dicerat dan dituang menjadi besi kasar, dalam bentuk balok-balok besi kasar yang digunakan sebagai bahan ancuran untuk pembuatan besi tuang (di dalam dapur kubah), atau dalam keadaan cair dipindahkan pada bagian pembuatan baja di dalam konvertor atau dapur baja yang lain, misalnya dapur Siemen Martin.
Batu kapur sebagai bahan tambahan gunanya untuk mengikat abu kokas dan batu-batu ikutan hingga menjadi terak yang dengan mudah dapat dipisahkan dari besi kasar. Terak itu sendiri di dalam proses berfungsi sebagai pelindung cairan besi kasar dari oksida yang mungkin mengurangi hasil yang diperoleh karena terbakarnya besi kasar cair itu. Batu kapur (CaCO3) terurai mengikat batu-batu ikutan dan unsur-unsur lain.
Proses dalam Dapur Tinggi
Prinsip dari proses dapur tinggi adalah prinsip reduksi. Pada proses ini zat karbon monoksida dapat menyerap zat asam dari ikatan-ikatan besi zat asam pada suhu tinggi. Pada pembakaran suhu tinggi + 18000 C dengan udara panas, maka dihasilkan suhu yang dapat menyelenggarakan reduksi tersebut.
Agar tidak terjadi pembuntuan karena proses berlangsung maka diberi batu kapur sebagai bahan tambahan. Bahan tambahan bersifat asam apabila bijih besinya mempunyai sifat basa dan sebaliknya bahan tambahan diberikan yang bersifat basa apabila bijih besi bersifat asam.
Gas yang terbentuk dalam dapur tinggi selanjutnya dialirkan keluar melalui bagian atas dan ke dalam pemanas udara. Terak yang menetes ke bawah melindungi besi kasar dari oksida oleh udara panas yang dimasukkan, terak ini kemudian dipisahkan.
Proses reduksi di dalam dapur tinggi tersebut berlangsung sebagai berikut: Zat arang dari kokas terbakar menurut reaksi : C+O2 à CO2 sebagian dari CO2 bersama dengan zat arang membentuk zat yang berada ditempat yang lebih atas yaitu gas CO.
CO2 + C à 2CO
Di bagian atas dapur tinggi pada suhu 300o sampai 8000 C oksid besi yang lebih tinggi diubah menjadi oksid yang lebih rendah oleh reduksi tidak langsung dengan CO tersebut menurut prinsip :
Fe2O3 + CO à 2FeO + CO2
Pada waktu proses berlangsung muatan turun ke bawah dan terjadi reduksi tidak langsung menurut prinsip :
FeO + CO à FeO + CO2
Reduksi ini disebut tidak langsung karena bukan zat arang murni yang mereduksi melainkan persenyawaan zat arang dengan oksigen. Sedangkan reduksi langsung terjadi pada bagian yang terpanas dari dapur, yaitu langsung di atas pipa pengembus. Reduksi ini berlangsung sebagai berikut.
FeO + C à Fe + CO
CO yang terbentuk itulah yang naik ke atas untuk mengadakan reduksi tidak langsung tadi.
Setiap 4 sampai 6 jam dapur tinggi dicerat, pertama dikeluarkan teraknya dan baru kemudian besi. Besi yang keluar dari dapur tinggi disebut besi kasar atau besi mentah yang digunakan untuk membuat baja pada dapur pengolahan baja atau dituang menjadi balok-balok tuangan yang dikirimkan pada pabrik-pabrik pembuatan baja sebagai bahan baku.
Besi cair dicerat dan dituang menjadi besi kasar dalam bentuk balok-balok besi kasar yang digunakan sebagai bahan ancuran untuk pembuatan besi tuang (di dalam dapur kubah) atau masih dalam keadaan cair dipindahkan pada bagian pembuatan baja (dapur Siemen Martin).
Terak yang keluar dari dapur tinggi dapat pula dimanfaatkan menjadi bahan pembuatan pasir terak atau wol terak sebagai bahan isolasi atau sebagai bahan campuran semen.
Besi cair yang dihasilkan dari proses dapur tinggi sebelum dituang menjadi balok besin kasar sebagai bahan ancuran di pabrik penuangan, perlu dicampur dahulu di dalam bak pencampur agar kualitas dan susunannya seragam. Dalam bak pencampur dikumpulkan besi kasar cair dari bermacam-macam dapur tinggi yang ada untuk mendapatkan besi kasar cair yang sama dan merata. Untuk menghasilkan besi kasar yang sedikit mengandung belerang di dalam bak pencampur tersebut dipanaskan lagi menggunakan gas dapur tinggi.
Bijih Besi (Iron Ore)
              Bijih besi adalah bahan baku utama untuk pembuatan besi kasar, sedangkan besi kasar tersebut adalah bahan baku untuk pembuatan besi tempa, besi tuang dan baja. Bijih besi didapat dari hasil penambangan bijih besi. Sedangkan bahan-bahan lain yang bercampur dengan bijih tersebut selain kotoran yang merugikan antara lain belerang ,pospor silika , tanah liat juga ada kotoran yang menguntungkan antara lain emas, platina, perak.
              Adapun yang termasuk bijih besi tersebut antara lain:
1.           HAEMATITE ( Fe2O3 )
            Bijih besi jenis ini, mempunyai kandungan besi sekitar 65 – 70 %. Sedangkan warnanya adalah: merah tua sampai hitam. Berat Jenis : sekitar 4,5 s/d 5,3. Bijih besi ini banyak terdapat di negara: India ,Brasilia, Rusia, Spanyol , AS dan Afrika serta Jerman.
2.         MAGNETITE ( Fe3 O4)
            Kandungan besinya sekitar 70 % s/d 73% ,Bijih besi ini merupakan bijih besi yang terbanyak mengandung kadar besi, sedangkan warnanya :hitam atau abu-abu ,Berat jenisnya berkisar: 4,9 s/d 5,2 ,Bijih besi ini sangat kuat dan keras. Bijih besi ini banyak terdapat di Negara: India, Swedia, Rusia, A S, Norwegia dan Kanada.
3.           PYRITIES (FeS2)
        Bijih besi ini termasuk besi sulpat, dengan kandungan besinya berkisar 45 s/d 47 %, sedangkan warnanya kuning sampai coklat. Berat Jenis berkisar : 4,8 s/d 5,1
Bijih besi ini banyak terdapat di negara: India, AS, Rusia dan Kanada.
4.           LIMONITE (2Fe2O3.3H2O )
              Bijih besi ini disebut juga sebagai Hydratited-Haematite, warnanya dari kuning sampai hitam, dan kandungan Fe nya sekitar 60 %, sedang kadar air sekitar 14,5 %. Berat jenisnya berkisar: 3,6 s/d 4 . Bijih besi ini terdapat di negara: India, Jerman dan AS.
5.           SIDERITES (FeCO3)
              Kandungan besinya sekitar 40 s/d 48 % ,sedangkan Berat jenisnya berkisar: 3,7 s/d 3,9 Warnanya kuning sampai coklat. Terdapat di negara: Rusia dan Inggris.

Besi Kasar (Pig Iron)
              Besi kasar adalah hasil pemurnian tingkat pertama dari pada bijih besi. Kandungan besinya berkisar: 92 s/d 95% dan kadar karbonnya sekitar 3 s/d 4% ,selain itu masih ada sedikit kandungan belerang, pospor dan mangan.
              Besi kasar adalah bahan utama pembuatan :
1.      Besi tuang ( cast iron )
Besi tuang (Cast iron) mengandungi 2% – 3.5% karbon dan sejumlah kecil mangan. Bendasing yang terdapat di dalam besi mentah yang dapat memberikan kesan buruk kepada sifat bahan, seperti belerang dan fosforus, telah dikurangkan kepada tahap boleh diterima. Ia mempunyai takat lebur pada julat 1420–1470 K, yang lebih rendah berbanding dua komponen utamanya, dan menjadikannya hasil pertama yang melebur apabila karbon dan besi dipanaskan serentak. Sifat mekanikalnya berubah-ubah, bergantung kepada bentuk karbon yang diterap ke dalam aloi. Besi tuang 'putih' mengandungi karbon dalam bentuk cementite, atau besi karbida. Sebagian keras dan rapuh ini mendominasi sifat- sifat utama besi tuang 'putih', menyebabkannya keras, tetapi tidak tahan kejutan. Dalam besi tuang 'kelabu', karbon hadir dalam bentuk serpihan halus grafit, dan ini juga menyebabkan bahan menjadi rapuh kerana ciri-ciri grafit yang mempunyai pinggir-pinggir tajam yang merupakan kawasan tegasan tinggi. Jenis besi kelabu yang baru, yang dinamakan 'besi mulur', adalah dicampur dengan kandungan surih magnesium untuk mengubah bentuk grafit menjadi sferoid, atau nodul, lantas meningkatkan ketegaran dan kekuatan besi.
Sebaimana namanya besi ini dibuat dengan cara dituang atau dicor, bahan ini diperoleh dari besi gubal, besi gubal ini dilebur untuk memperoleh tingkat kandungan karbon yang diinginkan kemudian dituang atau dicor atau dicetak untuk mendapatkan bentuk yang diinginkan. Besi cor kelabu merupakan salah satu jenis besi cor yang tergolong penggunaannya paling banyak, untuk:
  • Bagian kendaraan bermotor: blok mesin, tutup silinder, rumah engkol, selubung silinder, roda daya, tromol rem, dst
  • Mesin perkakas: gear box, badan mesin, meja, pegangan, dst.
·         Mesin hidrolis: rumah pompa, turbin, motor, katup, dst
·         Peralatan pabrik: ragum, kupling, rumah roda gigi, roda gigi, dst
Komposisi Besi Tuang
Komposisi besi tuang adalah unsur-unsur kimia yang digunakan dalam proses pengolahan dan pengecoran, terutama pada komponen-komponen mesin yang menggunakan besi tuang.
Ø Komposisi dari besi tuang terdiri dari 5  yaitu:
1)        Karbon
Karbon sebagai unsur paling penting mempunyai pengaruh sangat besar terhadap sifat mekanik, seperti: kekuatan tarik, regangan patah, kekerasan, dll. Jumlah karbon di dalam besi tuang sekitar 2-3,7 %, dia menempatkan diri pada dua kondisi, yaitu membentuk senyawa kimia Fe3C yang dikenal dengan sementit, dan dalam keadaan bebas yang dikenal dengan grafit.
2)        Silikon
Silikon memiliki pengaruh yang cukup besar terhadap perubahan sifat mekanik. Karbon dan silikon mempunyai fungsi yang mirip, kedua-duanya mendorong pembentukan grafit sehingga kandungan kedua unsur ditentukan berdasarkan harga tingkat kejenuhan karbon (sattigungsgrad). Silikon ditambahkan sekitar 1,4-2,3% untuk menggalakkan pembentukan grafit. Silikon didalam besi menempatkan diri didalam ferit.
3)        Fosfor
Fosfor bahan ini membuat besi mudah mencair dan bertambah getas. bila kandungan fosfor lebih dari 0.3 persen besi tuang menjadi kehilangan kekuatannya dan tidak mudah dikerjakan dan bila besi yang diinginkan amat halus dan tipis maka kandungan fosfornya bervariasi antara 1% - 1,5% .
fosfor di dalam besi tuang hingga 0,3% akan membentuk senyawa Fe3P dan mampu alir menjadi lebih tinggi karena suhu eutektik turun hingga 956 0C. fosfor diperlukan untuk pembuatan benda cor tipis, namun pemberian terlalu banyak bisa mengakibatkan timbulnya lubang-lubang kecil pada permukaan, maka kandungan fosfor dibatasi antara 0,2-2,0%.  
4)        Mangan
Bahan ini membuat besi tuang kuat dan getas dan kandungan mangan tidak boleh dari 0,7%. Mangan dibutuhkan untuk merangsang pembentukan struktur perlit, juga diperlukan untuk mengikat sulfur membentuk senyawa MnS. Jumlah kandunngan mangan sekitar 0,5-0,7%.
5)        Sulfur
Sulfur bahan ini membuat besi tuang keras dan gatas. adanya bahan ini membuat besi tuang cepat mengeras , yang berakibat adanya cacat yang berupa pori2 udara yang terperangkap kandungan belerang umumnya tidak lebih dari 0.1 persentidak memberikan keuntungan, justru merugikan karena pada saat cair, besi menjadi kental dan pada saat padat besi menjadi rapuh. Kandungan sulfur maksimal 0,15%. Sulfur masuk ke dalam besi karena kontak langsung dengan kokas atau terbawa oleh bahan baku: pig iron (besi kasar), besi cor bekas atau baja bekas.
Jenis Besi Tuang
Ada beberapa jenis Besi Tuang (Cast Iron) yaitu :
  1. Besi Tuang Putih (White Cast Iron).
Dimana Besi Tuang ini seluruh karbonnya berupa Sementit sehingga mempunyai sifat sangat keras dan getas. Mikrostrukturnya terdiri dari Karbida yang menyebabkan berwarna Putih.
  1. Besi Tuang Mampu Tempa (Malleable Cast Iron)
Besi Tuang jenis ini dibuat dari besi tuang Putih dengan melakukan heat treatment kembali yang tujuannya menguraikan seluruh gumpalan graphit (Fe3C) akan terurai menjadi matriks Ferrite, Pearlite dan Martensite. Mempunyai sifat yang mirip dengab Baja.
  1. Besi Tuang Kelabu (Grey Cast Iron).
Jenis Besi Tuang ini sering dijumpai (sekitar 70% besi tuang berwarna abu-abu). Mempunyai graphite yang berbentuk FLAKE. Sifat dari Besi Tuang ini kekuatan tariknya tidak begitu tinggi dan keuletannya rendah sekali (Nil Ductility).
  1. Besi Tuang Nodular (Nodular Cast Iron)
Nodular Cast Iron adalah perpaduan besi tuang kelabu. Ciri besi tuang ini bentuk graphite flake dimana ujung – ujung flake berbentuk takik-an yang mempunyai pengaruh terhadap ketangguhan, keuletan & kekuatan oleh karena untuk menjadi lebih baik, maka graphite tersebut berbentuk bola (spheroid) dengan menambahkan sedikit inoculating agent, seperti magnesium atau calcium silicide. karena besi tuang mempunyai keuletan yang tinggi maka besi tuang ini di kategorikan ductile cast iron.
Sifat Besi Tuang
Sifat-sifat besi tuang diantaranya :
a.    Keras dan mudah melebur dan mencair
b.    Getas sehingga tidak dapat menahan lenturan.
c.     Temperatur leleh 1250 0C.
d.   Tidak berkarat.
e.    Tidak dapat diberi muatan magnet.
f.    Dapat dikeraskan dengan cara dipanasi kemudian didinginkan secara mendadak Menyusut waktu pendinginan.
g.    Kuat dalam menaha gaya desak tetapi lemah dalam menahan gaya tarik .kuat desaknya sekitar 600 Mpa, ada yang kuat tariknya sekitar 50 Mpa.
h.   Tidak dapat disambung dengan paku keling atau dilas, dua buah besi tuang hanya dapat disambung dengan baut dan sekrup.


Aplikasi Besi Tuang
Aplikasi pada besi tuang :
a.       pipa yang menahan tekanan luar sangat tinggi
b.      tutup lubang saluran drainase dan alat saniter yang lain
c.        bagian struktur rangka yang menahan gaya desak
d.       bagian mesin, blok mesin, dan sebagainya
e.      pintu gerbang, tiang lampu dan sebagainya,
f.         sendi, roll, jembatan
Proses Pengolahan
            Besi tuang di hasilkan dengan cara mencairkan besi kasar di dalam dapur yang sesuai, terlebih dulu di tambahkan besi bekas atau baja bekas sebelum proses pencairan berlangsung atau sebelum proses penuangan selesai. Peleburan besi tuang biasanya di lakukan di dalam tungku yang sering di sebut kupola, proses peleburannya terjadi secara continue, artinya begitu muatan logam mencair maka langsung mengalir ke luar tungku, di tampung di alat perapian depan yang kemudian di angkut menggunakan ladel untuk di tuang ke dalam cetakan. Proses pengolahan meliputi, peleburan, pembuatan model dan membuat cetakan .
2.      Besi tempa (wrought iron )
      Proses pembuatan material yang tangguh, paduan Malleable yang dikenal dengan Besi Tempa karena proses pembuatannya. Prosesnya dikenal dengan puddling, membutuhkan kemampuan tangan buruh. Produksi besi tempa dalam jumlah ton tidak memungkinkan. Pengembangan  proses baru dengan bessemer converters dan furnaces perapian terbuka meningkatkan kuantitas besi tempa.
      Besi tempa  tidak lagi diproduksi secara komersial, karena dapat diganti dengan Low-carbon Steel pada hampir semua aplikasi, yang lebih murah untuk memproduksinya dan lebih uniform kualitasnya dibandingkan besi tempa.
Puddling Furnace menggunakan arched roof dan depressed hearth yang dipisahkan oleh dinding dari pembakaran saat arang terbakar. Setelah furnace panas, Puddler atau Furnace operator, “Fettles” dengan melapisi perapian dan dinding dengan pasta oksida Fe, biasanya Hematite Ore.
Furnace diisi dengan 270 kg pig iron dan pintunya ditutup. Setelah 30 menit Iron meleleh dan Puddler ditambahkan oksida besi atau mill scale untuk mengisinya, perlakuan oksida ke dalam besi dengan bent iron bar disebut Raddle. Si, dan Mn dalam oksida besi serta S dan P dihilangkan. Temperature meningkat drastis dan carbon mulai terbakar menjadi gas carbon-oxide. Saat carbon terbakar, temperatur lebur paduan meningkat dan logam menjadi lebih pucat. Fe menjadi murni, Puddler mengendalikan muatan dengan raddle untuk memastikan komposisi yang seragam.
      Spongelike dipisahkan jadi gumpalan (lumps) yang disebut balls, sekitar 80-90 kg. Balls dikeluarkan dari furnace dengan tongs dan ditempatkan pada squeezer. Besi dipotong jadi tipis dan ditumpuk, kemudian dipanaskan sampai welding temperature. Akhirnya di-rolled menjadi single piece. Rolling terkadang dilakukan berulang kali untuk meningkatkan kualitas produk.
3. Baja (steel )
     Besi dan baja merupakan logam yang banyak digunakan dalam teknik; dan meliputi 95% dari seluruh produksi logam dunia. untuk penggunaan tertentu, besi dan baja merupakan satu-satunya logam yang memenuhi persyaratan teknis maupun ekonomis, namun di beberapa bidang lainnya logam ini mulai mendapat persaingan dari logam bukan besi dan bahan bukan logam. diperkirakan bahwa besi telah dikenal manusia disekitar tahun 1200 SM.
     Proses pembuatan baja diperkenalkan oleh Sir Henry Bessemer dari Inggris sekitar tahun 1800, sedang William Kelly dari Amerika pada waktu yang hampir bersamaan berhasil membuat besi malleable. hal ini menyebabkan  timbulnay persengketaan mengenai masalah paten. Dalam sidang-sidang pengasilan terbukti bahwa WIlliam Key lebih dahulu mendapatkan hak paten.

                                               
 


                                                                                                

Gambar 2.2
Pembuatan Besi Kasar
              Bahan utama besi dan paduannya adalah besi kasar, yang dihasilkan dalam tanur tinggi. Bijih besi yang dicampur dengan kokas dan batu gamping (batu kapur) dilebur dalam tanur ini. Komposisi kimia besi yang dihasilkan bergantung pada jenis bijih yang digunakan. Jenis bijih besi yang lazim digunakan adalah hematit, magnetit, siderit dan himosit.
              Hematit (Fe2O3) adalah bijih besi yang paling banyak dimanfaatkan karena kadar besinya tinggi, sedangkan kadar kotorannya relatif rendah. Meskipun pirit (FeS2) banyak ditemukan, jenis bijih ini tidak digunakan karena kadar sulfur yang tinggi sehingga diperlukan tahap pemurnian tambahan.
              Karena di alam ini besi berbentuk oksida dan karbonat, atau sulfida sehingga hampir semua proses produksinya diawali dengan reduksi dengan gas reduktor H2 atau CO.

Proses Reduksi Tidak Langsung (Indirect Reduction)
              Pada proses ini menggunakan tungku tanur tinggi (blast furnace) dengan porsi 80% diproduksi dunia.
              Besi kasar dihasilkan dalam tanur tinggi. Diameter tanur tinggi sekitar 8m dan tingginya mencapai 60 m. Kapasitas perhari dari tanur tinggi berkisar antara 700 - 1600 Megagram besi kasar. Bahan baku yang terdiri dari campuran bijih, kokas, dan batu kapur, dinaikkan ke puncak tanur dengan pemuat otomatis, kemudian dimasukkan ke dalam hopper. Untuk menghasilkan 100 Megagram besi kasar diperlukan sekitar 2000 Megagram bijih besi, 800 Megagram kokas, 500 Megagram batu kapur dan 4000 Megagram udara panas. Bahan baku tersebut disusun secara berlapis-lapis.
              Udara panas dihembuskan melalui tuyer sehingga memungkinkan kokas terbakar secara efektif dan untuk mendorong terbentuknya karbon monoksida (CO) yang bereaksi dengan bijih besi dan kemudian menghasilkan besi dan gas karbon dioksida (CO2). Dengan digunakannya udara panas, dapat dihemat penggunaan kokas sebesar 30% lebih. Udara dipanaskan dalam pemanas mula yang berbentuk menara silindris, sampai sekitar 500*C. Kalor yang diperlukan berasal dari reaksi pembakaran gas karbon monoksida yang keluar dari tanur. Udara panas tersebut memasuki tanur melalui tuyer yang terletak tepat di atas pusat pengumpulan besi cair.
              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 dna terapung diatasnya dan secara berkala disadap. Besi cair yang telah bebas dari kotoran-kotoran dialirkan kedalam cetakan setiap 5 - 6 jam.
              Disamping setiap Megagram besi dihasilkan pula 0,5 Megagram terak dan 6 Megagram gas panas. Terak dapat dimanfaatkan sebagai bahan bangunan (campuran beton) atau sebagai bahan isolasi panas. Gas panas dibersihkan dan digunakan untuk pemanas mula udara, untuk membangkitkan energi atau sebagai media pembakar dapur-dapur lainnya.
blast furnace              Komposisi besi kasar dapat dikendalikan melalui pengaturan kondisi operasi dan pemilihan susunan campuran bahan baku.













Gambar 2.3     Blast Furnace
Proses Reduksi Langsung (Direct Reduction)
              Pada proses reduksi langsung bijih besi bereaksi dengan gas atau bahan padat reduksi membentuk sponge iron. Proses ini diterapkan di PT Krakatau Steel, CIlegon.* Disini bijih besi / pellet direaksikan dengan gas alam dalam dua unit pembuat sponge iron, yang masing-masing berkapasitas 1juta ton pertahun.
              Sponge iron yang dihasilkan PT Krakatau Steel memiliki komposisi kimia :
Fe : 88 - 91 %; C : 1,5 - 2,5%; SiO2 : 1,25 - 3,43%; Al2O3 : 0,61 - 1,63%; CaO : 0,2 - 2,1%; MgO : 0,31 - 1,62%; P : 0,014 - 0,027%; Cu : 0,001 - 0,004 %; Kotoran (oksida lainnya) : 0,1 - 0,5 %.
Tingkat metalisasi : 86 - 90 %.
              Sponge Iron yang berbentuk butiran kemudian diolah lebih lanjut dalam dapur listrik. Disini sponge iron bersama-sama besi tua (scrap), dan paduan ferro dilebur dan diolah menjadi billet baja.
              Untuk menghasilkan 63 megagram sponge iron diperlukan sekitar 100 megagram besi pellet. Proses ini sangat efektif untuk mereduksi oksida-oksida dan belerang sehingga dapat dimanfaatkan bijih besi berkadar rendah.
Metode Lain Untuk Pemurnian Besi
              Hampir semua besi dan baja diproduksi dengan menggunakan pig iron dengan proses blast furnance, tetapi ada metode lain yang digunakan dalam pembuatan baja dan besi yaitu metode pembuatan langsung besi dan baja dari bijih besi tanpa pembuaan pig iron. Pada proses ini bijih besi dan coke dicampur pada alat pencampur yang disebut revolving kiln, dan dipanaskan sampai temperatur 9500C. Carbon monoksida diberikan
Dari hasil pemanasan coke seperti pada blast furnance dan mereduksi oksida dari bijih besi menjadi besi metalik. Proses reaksi kedua pada blast furnance tidak terjadi sehingga terbentuk sponge iron. Spong iron memiliki kemurnian yang lebih tinggi dari pada daripada pig iron. Besi murni juga didapat dari proses elektrolisis, tetapi proses elektrolisis tidak digunakan untuk mendapatkan besi secara komersil.
v  Proses Pembuatan Baja
Baja diproduksi didalam dapur pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun cair, besi bekas ( Skrap ) dan beberapa paduan logam. Ada beberapa proses pembuatan baja antara lain:
  1. proses konvertor
terdiri dari satu tabung yang berbentuk bulat lonjong dengan menghadap kesamping.
Sistem kerja
  • Dipanaskan dengan kokas sampai ± 1500 0C,
  • Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja. (± 1/8 dari volume konvertor)
  • Kembali ditegakkan.
  • Udara dengan tekanan 1,5 – 2 atm dihembuskan dari kompresor.
  • Setelah 20-25 menit konvertor dijungkirkan untuk mengelaurkan hasilnya.
ð  proses Bassemer (asam)
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. Proses Bessemer juga disebut proses asam karena muatannya bersifat asam dan batu tahan apinya juga bersifat asam. Apabila digunakan muatan yang bersifat basa lapisan batu itu akan rusak akibat reaksi penggaraman. Baja Bessemer yang banyak digunakan untuk bahan konstruksi.
Lapisan bagian dalam terbuat dari batu tahan api yang mengandung kwarsa asam atau aksid asam (SiO2), Bahan yang diolah besi kasar kelabu cair, CaO tidak ditambahkan sebab dapat bereaksi dengan SiO2,   SiO2 + CaO                        CaSiO3
ð  proses Thomas (basa)
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. Pencegahan pembakaran itu dilakukan dengan menganggap selesai prosesnya walaupun kandungan fosfor masih tetap tinggi.
Guna mengikat fosfor yang terbentuk pada proses ini maka diberi bahan tambahan batu kapur agar menjadi terak. Terak yang bersifat basa ini dapat dimanfaatkan menjadi pupuk buatan yang dikenal dengan nama pupuk fosfat. Hasil proses yang keluar dari konvertor Thomas disebut baja Thomas yang biasa digunakan sebagai bahan konstruksi dan pelat ketel.
Lapisan dinding bagian dalam terbuat dari batu tahan api bisa atau dolomit [ kalsium karbonat dan magnesium (CaCO3 + MgCO3)], besi yang diolah besi kasar putih yang mengandung P antara 1,7 – 2 %, Mn 1 – 2 % dan Si 0,6-0,8 %. Setelah unsur Mn dan Si terbakar, P membentuk oksida phospor (P2O5), untuk mengeluarkan besi cair ditambahkan zat kapur (CaO),
3 CaO + P2O5              Ca3(PO4)2 (terak cair)
  1. proses Siemens 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. Hasil akhir dari proses Martin disebut baja Martin. Baja ini bermutu baik karena komposisinya dapat diatur dan ditentukan dengan teliti pada proses yang berlangsung agak lama.
Lapisan dapur pada proses Martin dapat bersifat asam atau basa tergantung dari besi kasarnya mengandung fosfor sedikit atau banyak. Proses Martin asam teradi apabila mengolah besi kasar yang bersifat asam atau mengandung fosfor rendah dan sebaliknya dikatakan proses Martin basa apabila muatannya bersifat basa dan mengandung fosfor yang tinggi.
Keuntungan dari proses Martin disbanding proses Bessemer dan Thomas adalah sebagai berikut :
a.       Proses lebih lama sehingga dapat menghasilkan susunan yang lebih baik dengan jalan percobaan-percobaan.
b.      Unsur-unsur yang tidak dikehendaki dan kotoran-kotoran dapat dihindarkan atau dibersihkan.
c.       Penambahan besi bekas dan bahan tambahan lainnya pada akhir proses menyebabkan susunannya dapat diatur sebaik-baiknya.
Selain keuntungan di atas dan karena udara pembakaran mengalir di atas, cairan maka hasil akhir akan sedikit mengandung zat asam dan zat lemas. Proses Martin basa biasanya masih mengandung beberapa kotoran seperti zat asam, belerang, fosfor dan sebagainya. Sedangkan pada proses Martin asam kadar kotoran-kotoran tersebut lebih kecil.
Proses Siemens Martin menggunakan sistem regenerator (± 3000 0C.) fungsi dari regenerator adalah :
  1. memanaskan gas dan udara atau menambah temperatur dapur
  2. sebagai Fundamen/ landasan dapur
  3. menghemat pemakaian tempat
Bisa digunakan baik besi kelabu maupun putih,
    • Besi kelabu dinding dalamnya dilapisi batu silika (SiO2),
    • besi putih dilapisi dengan batu dolomit (40 % MgCO3 + 60 % CaCO3)
  1. proses Basic Oxygen Furnace
  • logam cair dimasukkan ke ruang baker (dimiringkan lalu ditegakkan)
  • Oksigen (± 1000) ditiupkan lewat Oxygen Lance ke ruang bakar dengan kecepatan tinggi. (55 m3 (99,5 %O2) tiap satu ton muatan) dengan tekanan 1400 kN/m2.
  • ditambahkan bubuk kapur (CaO) untuk menurunkan kadar P dan S.

Hasil akhir dari proses ini adalah baja oksi yang bermutu sangat baik karena pengaruh buruk dari unsur udara tidak ada. Oleh karena itu baja oksi baik sekali digunakan sebagai bahan pembuatan konstruksi dan komponen-komponen mesin, seperti : poros, baut, pasak, batang penggerak dan lain-lainnya.
Keuntungan dari BOF adalah:
·         BOF menggunakan O2 murni tanpa Nitrogen
·         Proses hanya lebih-kurang 50 menit.
·         Tidak perlu tuyer di bagian bawah
·         Phosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon
·         Biaya operasi murah
·         Hasil yang di produksi relative lebih banyak dalam tempo yang sama disbanding proses lainnya.
  1. proses dapur listrik
Proses dapur listrik digunakan untuk pembuatan baja yang tahan terhadap suhu tinggi. Proses nya dengan menggunakan temperatur tinggi yang dibagi menjadi 2 yaitu dapur listrik busur cahaya electrode dan dapur induksi listrik.
ð  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 bolak-balik 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.
ð  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 sendirii 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.
Keuntungan :
·         Mudah mencapai temperatur tinggi dalam waktu singkat
·         Temperatur dapat diatur
·         Efisiensi termis dapur tinggi
·         Cairan besi terlindungi dari kotoran dan pengaruh lingkungan sehingga kualitasnya baik
·         Kerugian akibat penguapan sangat kecil
Kerugianya adalah harga listrik yang mahal.
  1. proses dapur kopel
mengolah besi kasar kelabu dan besi bekas menjadi baja atau besi tuang.
Proses
  • pemanasan pendahuluan agar bebas dari uap cair.
  • Bahan bakar(arang kayu dan kokas) dinyalakan selama ± 15 jam.
  • kokas dan udara dihembuskan dengan kecepatan rendah hingga kokas mencapai 700 – 800 mm dari dasar tungku.
  • besi kasar dan baja bekas kira-kira 10 – 15 % ton/jam dimasukkan.
  • 15 menit baja cair dikeluarkan dari lubang pengeluaran.
Untuk membentuk terak dan menurunkan kadar P dan S ditambahkan batu kapur (CaCO3) dan akan terurai menjadi:
 akan bereaksi dengan karbon:
           
Gas CO yang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan untuk pembangkit mesin-mesin lain.
  1. proses dapur Cawan
·         Proses kerja dapur cawan dimulai dengan memasukkan baja bekas dan besi kasar dalam cawan,
·         kemudian dapur ditutup rapat.
·         Kemudian dimasukkan gas-gas panas yang memanaskan sekeliling cawan dan muatan dalam cawan akan mencair.
Baja cair tersebut siap dituang untuk dijadikan baja-baja istimewa dengan menambahkan unsur-unsur paduan yang diperlukan
7.      Proses Perapian Terbuka Untuk Pembuatan Baja
              Produksi baja dari pig iron terdiri dari pembakaran karbon yang berlebih dan pengotor lainnya yang ada pada besi. Kesulitan dari produksi baja adalah tingginya suhu pelelehan, yaitu sekitar 13700C yang tidak bisa dicapai menggunakan bahan bakar yang umum digunakan untuk pembuatan besi. Untuk mengurangi keslitan ini maka dikembangkan teknologi proses perapian terbuka, furnance pada teknologi ini dapat bekerja pada suhu tinggi dengan regeneratif preheating pada gas dan udara yang digunakan untuk pembakaran di dalam furnance (tungku). Dengan regeneratif preheaing, gas pembuangan dari furnance dialirkan dalam suatu tempat yang mengandung banyak bata dan memberikan kebanyakan dari panas yang dihasilkan pada bata. Lalu kembali dialirkan sepanjang furnance sehingga bahan bakar, dan udara melewati tempat pemanas sehingga dapat terpanaskan oleh bata yang telah menyerap panas. Melalui teknologi ini furnance dapat menghasilkan panas sebesar 16500C.
              Furnance tersebut biasanya tersusun atas bata perapian berbentuk kotak datar berukuran 6 m X 8 m denagn tinggi 2,5 m. Di depan perapian terdapat satu rangkaian pintu yang membuka ke luar ke suatu lantai kerja di depan perapian. Perapian secara keseluruhan dan lantai kerja adalah satu cerita diatas lantai dasar, dan ruangan dibawah perapian merupakan ruangan pemanas dengan heat regenerating dari furnace. Furnace dengan ukuran ini mampu memproduksi sekitar 100 metric ton baja stiap 11 jam.
            Furnace tersebut diisi dengan campuran pig iron (cair maupun dingin), scarp baja, dan bijih besi yang akan menghasilkan oksigen tambahan. Limstone ditambahkan untuk membentuk flux dan fluorspar ditambahkan agar slag yang dihasilkan lebih cair. Proporsi penambahan bervariasi tergantung dari batas lebar, tetpi pengisian logam yang umum yaitu 56,750 kg (125,000 lb) of scrap baja, 11,350 kg (25,000 lb) pig iron dingin, 45,400 kg (100,000 lb) pig iron cair, 11,800 kg (26,000 lb) limestone, 900 kg (2,000 lb) of bijih besi, dan 230 kg (500 lb) fluorspar. Setelah furnance diisi, furnace bercahaya dan api bertiup di perapian dengan arah dapat diatur operator agar terjadi heaat regeneration.
            Secara kimia furnace perapian terbuka terdiri dari perendahan kandungan karbon logam yang dilebur dengan oksidasi dan penghilangan pengotor seperti silikon, phospor, mangan, dan sulfur, yang dikombinasikan dengan limstone dari slag.. Reaksi ini terjadi ketika logam berada dalam furnece pada suhu pelelehan yaitu temperatur antara 1400 sampai 16500 C untuk beberapa jam sampai logam yang diinginkan memiliki kandungan karbon yan diinginkan. Pengalaman operator dapat menentukan kandunan carbon dari logam dengan melihat warnanya tetapi biasanya pencairan logam diuji dengan menambil sebagian kecil logam dari furnace, mendinginkannya, dan mengujinya dengan cara fisika maupun kimia.
            Ketika kandungan karbon telah mencapai level yang diinginkan, furnace kemudian dituang dengan membuka keran taping pada bagian bawah. Logam cair kemudian mengalir ke ladle yang diletakan dibawah furnace. Dari ladle, baja kemudian dituang ke cetakan besi tuang yang berbentuk ingot dengan panjang umumnya 1,5 m dan lebar 48 cm. Ingot ini menjadi bahan baku pada industri baja, beratnya kira-kira 2,25 metric ton pada ukuran ini. Ada juga metode yang langsung membuat benda cor tanpa pembentukan ingot terlebih dahulu.
v  Paduan Logam (Metal Alloys)
Klasifikasi Baja
1.      Menurut komposisi kimianya:
a.       Baja karbon (carbon steel), dibagi menjadi tiga yaitu;
·         Baja karbon rendah (low carbon steel) è machine, machinery dan mild steel
-  0,05 % - 0,30% C.
Sifatnya mudah ditempa dan mudah di mesin. Penggunaannya:
-    0,05 % - 0,20 % C : automobile bodies, buildings, pipes, chains, rivets, screws, nails.
-    0,20 % - 0,30 % C : gears, shafts, bolts, forgings, bridges, buildings.
·         Baja karbon menengah (medium carbon steel)
-    Kekuatan lebih tinggi daripada baja karbon rendah.
-    Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong. Penggunaan:
-    0,30 % - 0,40 % C : connecting rods, crank pins, axles.
-    0,40 % - 0,50 % C : car axles, crankshafts, rails, boilers, auger bits, screwdrivers.
-    0,50 % - 0,60 % C : hammers dan sledges.
·         Baja karbon tinggi (high carbon steelè tool steel
-    Sifatnya sulit dibengkokkan, dilas dan dipotong. Kandungan 0,60 % - 1,50 % C
   Penggunaan
-     screw drivers, blacksmiths hummers, tables knives, screws, hammers, vise jaws, knives, drills. tools for turning brass and wood, reamers, tools for turning hard metals, saws for cutting steel, wire drawing dies, fine cutters.
b.      Baja paduan (alloy steel)
Tujuan dilakukan penambahan unsur yaitu:
1.      Untuk menaikkan sifat mekanik baja (kekerasan, keliatan, kekuatan tarik dan sebagainya)
2.      Untuk menaikkan sifat mekanik pada temperatur rendah
3.      Untuk meningkatkan daya tahan terhadap reaksi kimia (oksidasi dan reduksi)
Untuk membuat sifat-sifat spesial
Baja paduan yang diklasifikasikan menurut kadar karbonnya dibagi menjadi:
1.      Low alloy steel, jika elemen paduannya ≤ 2,5 %
2.      Medium alloy steel, jika elemen paduannya 2,5 – 10 %
3.      High alloy steel, jika elemen paduannya > 10 %
      Selain itu baja paduan dibagi menjadi dua golongan yaitu baja campuran khusus (special alloy steel) dan high speed steel.
·         Baja Paduan Khusus (special alloy steel)
            Baja jenis ini mengandung satu atau lebih logam-logam seperti nikel, chromium, manganese, molybdenum, tungsten dan vanadium. Dengan menambahkan logam 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 karbon (carbon steel).
·         High Speed Steel (HSS)  è Self Hardening Steel
            Kandungan 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 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 kali daripada carbon steel.



Baja Paduan dengan Sifat Khusus
1.      Baja Tahan Karat (Stainless Steel)
Sifatnya antara lain:
·         Memiliki daya tahan yang baik terhadap panas, karat dan goresan/gesekan
·         Tahan temperature rendah maupun tinggi
·         Memiliki kekuatan besar dengan massa yang kecil
·         Keras, liat, densitasnya besar dan permukaannya tahan aus
·         Tahan terhadap oksidasi
·         Kuat dan dapat ditempa
·         Mudah dibersihkan
·         Mengkilat dan tampak menarik
2.      High Strength Low Alloy Steel (HSLS)
Sifat dari HSLA adalah memiliki tensile strength yang tinggi, anti bocor, tahan terhadap abrasi, 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 dengan menambahkan unsur-unsur seperti: tembaga (Cu), nikel (Ni), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Vanadium (Va) dan Columbium.
3.      Baja Perkakas (Tool Steel)
Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh baja perkakas adalah tahan pakai, tajam atau mudah diasah, tahan panas, kuat dan ulet.
Kelompok dari tool steel berdasarkan unsur paduan dan proses pengerjaan panas yang diberikan antara lain:
  1. Later hardening atau carbon tool steel (ditandai dengan tipe W oleh AISI), Shock resisting (Tipe S), memiliki sifat kuat dan ulet dan tahan terhadap beban kejut dan repeat loading. Banyak dipakai untuk pahat, palu dan pisau.
  2. Cool work tool steel, diperoleh dengan proses hardening dengan pendinginan yang berbeda-beda. Tipe O dijelaskan dengan mendinginkan pada minyak sedangkan tipe A dan D didinginkan di udara.
  3. Hot Work Steel (tipe H), mula-mula dipanaskan hingga (300 – 500) ºC dan didinginkan perlahan-lahan, karena baja ini banyak mengandung tungsten dan molybdenum sehingga sifatnya keras.
  4. High speed steel (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 kejut.
  5. Campuran carbon-tungsten (tipe F), sifatnya adalah keras tapi tidak tahan aus dan tidak cocok untuk beban dinamis serta untuk pemakaian pada temperatur tinggi.
Klasifikasi lain antara lain :
a.       Menurut penggunaannya:
·         Baja konstruksi (structural steel), mengandung karbon kurang dari 0,7 % C.
·         Baja perkakas (tool steel), mengandung karbon lebih dari 0,7 % C.
b.      Baja dengan sifat fisik dan kimia khusus:
·         Baja tahan garam (acid-resisting steel)
·         Baja tahan panas (heat resistant steel)
·         Baja tanpa sisik (non scaling steel)
·         Electric steel
·         Magnetic steel
·         Non magnetic steel
·         Baja tahan pakai (wear resisting steel)
·         Baja tahan karat/korosi
            Dengan mengkombinasikan dua klasifikasi baja menurut kegunaan dan komposisi kimia maka diperoleh lima kelompok baja yaitu:
1.      Baja karbon konstruksi (carbon structural steel)
2.      Baja karbon perkakas (carbon tool steel)
3.      Baja paduan konstruksi (Alloyed structural steel)
4.      Baja paduan perkakas (Alloyed tool steel)
5.      Baja konstruksi paduan tinggi (Highly alloy structural steel)

Selain itu baja juga diklasifisikan menurut kualitas:
1.      Baja kualitas biasa
2.      Baja kualitas baik
3.      Baja kualitas tinggi
Standard AISI dan SAE

fig1
v  Sifat Logam dan Pengujiannya
Material dalam penggunaannya dikenakan gaya atau beban. Karena itu perlu diketahui material agar deformasi yang terjadi tidak berlebihan dan tidak terjadi kerusakan atau patah.
Karakter material tergantung pada :
-          Komposisi kimia
-          Struktur mikro
-          Sifat material: sifat mekanik, sidat fisik dan sifat kimia.

Sifat mekanik :
·         Kekuatan (strength) yaitu ukuran besar gaya yang diperlukan untuk mematahkan atau merusak suatu bahan.
·         Kekuatan luluh (yield strength) yaitu kekuatan bahan terhadap deformasi awal.
·         Kekuatan tarik (tensile strength) yaitu kekuatan maksimum yang dapat menerima beban.
·         Keuletan (ductility) yaitu berhubungan dengan besar regangan sebelum perpatahan.
·         Kekerasan (hardness) yaitu ketahanan beban terhadap penetrasi pada permukaannya.
·         Ketangguhan (toughness) yaitu jumlah energy yang mampu diserap bahan sampai terjadi perpatahan.
·         Penurunan (deformasi)
v  Jenis Sambungan Pada Logam
-          Baut kekuatan Tinggi
Dua jenis utama baut kekuatan (mutu) tinggi ditunjukkan oleh ASTM sebagai A325 dan A490. Baut ini memiliki kepala segienam yang tebal dan digunakan dengan mur segienam yang setengah halus (semifinished) dan tebal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.10(b). Bagian berulirnya lebih pendek dari pada baut non-struktural, dan dapat dipotong atau digiling (rolled).
Baut A325 terbuat dari baja karbon sedang yang diberi perlakuan panas dengan kekuatan leleh sekitar 81 sampai 92 ksi (558 sampai 634 MPa) yang tergantung pada diameter. Baut A490 juga diberi perlakuan panas tetapi terbuat dari baja paduan (alloy) dengan kekuatan leleh sekitar 115 sampai 130 ksi (793 sampai 896 MPa) yang tergantung pada diameter. Baut A449 kadang-kadang digunakan bila diameter yang diperlukan berkisar dari II sampai 3 inci, dan juga untuk baut angkur serta batang bulat berulir. Diameter baut kekuatan tinggi berkisar antara 1/2 dan 1 1/2 inci (3 inci untuk A449). Diameter yang paling sering digunakan pada konstruksi gedung adalah 3/4 inci dan 7/8 inci, sedang ukuran yang paling umum dalam perencanaan jembatan adalah 7/8 inci dan 1 inci.
Baut kekuatan tinggi dikencangkan (tightened) untuk menimbulkan tegangan tarik yang ditetapkan pada baut sehingga terjadi gaya jepit (klem/clamping force) pada sambungan. Oleh karena itu, pemindahan beban kerja yang sesungguhnya pada sambungan terjadi akibat adanya gesekan (friksi) pada potongan yang disambung. Sambungan dengan baut kekuatan tinggi dapat direncanakan sebagai tipe geser (friction type), bila daya tahan gelincir (slip) yang tinggi dikehendaki; atau sebagai tipe tumpu (bearing type), bila daya tahan gelincir yang tinggi tidak dibutuhkan
-          Paku keeling
Sudah sejak lama paku keling diterima sebagai alat penyambung batang, tetapi beberapa tahun terakhir ini sudah jarang digunakan di Amerika. Paku keling dibuat dari baja batangan dan memiliki bentuk silinder dengan kepala di salah satu ujungnya. Baja paku keling adalah baja karbon sedang dengan identifikasi ASTM A502 Mutu I (Fv = 28 ksi) (1190 MPa) dan Mutu 2 (Fy = 38 ksi) (260 MPa), serta kekuatan leleh minimum yang ditetapkan didasarkan pada bahan baja batangan. Pembuatan dan pemasangan paku keling menimbulkan perubahan sifat mekanis.
Proses pemasangannya adalah pertama paku keling dipanasi hingga warnanya menjadi merah muda kemudian paku keling dimasukkan ke dalam lubang, dan kepalanya ditekan sambil mendesak ujung lainnya sehingga terbentuk kepala lain yang bulat. Selama proses ini, tangkai (shank) paku keling mengisi lubang (tempat paku dimasukkan) secara penuh atau hampir penuh, sehingga menghasilkan gaya jepit (klem). Namun, besarnya jepitan akibat pendinginan paku keling bervariasi dari satu paku keling ke lainnya, sehingga tidak dapat diperhitungkan dalam perencanaan. Paku keling juga dapat dipasang pada keadaan dingin tetapi akibatnya gaya jepit tidak terjadi karena paku tidak menyusut setelah dipasang.
_Pic213
-      Baut Hitam
Baut ini dibuat dari baja karbon rendah yang diidentifikasi sebagai ASTM A307, dan merupakan jenis baut yang paling murah. Namun, baut ini belum tentu menghasilkan sambungan yang paling murah karena banyaknya jumlah baut yang dibutuhkan pada suatu sambungan. Pemakaiannya terutama pada struktur yang ringan, batang sekunder atau pengaku, anjungan (platform), gording, rusuk dinding, rangka batang yang kecil dan lain-lain yang bebannya kecil dan bersifat statis. Baut ini juga dipakai sebagai alat penyambung sementara pada sambungan yang menggunakan baut kekuatan tinggi, paku keling, atau las. Baut hitam (yang tidak dihaluskan) kadangkadang disebut baut biasa, mesin, atau kasar, serta kepala dan murnya dapat berbentuk bujur sangkar.
-          Baut Sekrup (Turned Bolt)
Baut yang secara praktis sudah ditinggalkan ini dibuat dengan mesin dari bahan berbentuk segienam dengan toleransi yang lebih kecil (sekitar 5'0 inci.) bila dibandingkan baut hitam. Jenis baut ini terutama digunakan bila sambungan memerlukan baut yang pas dengan lubang yang dibor, seperti pada bagian konstruksi paku keling yang terletak sedemikian rupa hingga penembakan paku keling yang baik sulit dilakukan. Kadang-kadang baut ini bermanfaat dalam mensejajarkan peralatan mesin dan batang struktural yang posisinya harus akurat. Saat itu baut sekrup jarang sekali digunakan pada sambungan struktural, karena baut kekuatan tinggi lebih baik dan lebih murah.
-          Baut Bersirip (Ribbed Bolt)
Baut ini terbuat dari baja paku keling biasa, dan berkepala bundar dengan tonjolan sirip-sirip yang sejajar tangkainya. Baut bersirip telah lama dipakai sebagai alternatif dari paku keling. Diameter yang sesungguhnya pada baut bersirip dengan ukuran tertentu sedikit lebih besar dari lubang tempat baut tersebut. Dalam pemasangan baut bersirip, baut memotong tepi keliling lubang sehingga diperoleh cengkraman yang relatif erat. Jenis baut ini terutama bermanfaat pada sambungan tumpu (bearing) dan pada sambungan yang mengalami tegangan berganti (bolak-balik).
Variasi dari baut bersirip adalah baut dengan tangkai bergerigi (interference-body bolt.) yang terbuat dari baja baut A325. Sebagai pengganti sirip longitudinal, baut ini memiliki gerigi keliling dan sirip sejajar tangkainya. Karena gerigi sekeliling tangkai memotong sirip sejajar, baut ini kadang-kadang disebut baut bersirip terputus (interrupted-rib). Baut bersirip sukar dipasang pada sambungan yang terdiri dari beberapa lapis pelat. Baut kekuatan tinggi A325 dengan tangkai bergerigi yang sekarang juga sukar dimasukkan ke lubang yang melalui sejumlah plat; namun, baut ini digunakan bila hendak memperoleh baut yang harus mencengkram erat pada lubangnya. Selain itu, pada saat pengencangan mur, kepala baut tidak perlu dipegang seperti yang umumnya dilakukan pada baut A325 biasa yang polos.
-          Pengelasan Busur Nyala Logam Terlindung (SMAW)
Pengelasan busur nyala logam terlindung (Shielded metal arc welding) merupakan salah satu jenis yang paling sederhana dan paling canggih untuk pengelasan baja struktural. Proses SMAW sering disebut proses elektroda tongkat manual. Pemanasan dilakukan dengan busur listrik (nyala) antara elektroda yang dilapis dan bahan yang akan disambung. Rangkaian pengelasan diperlihatkan pada Gambar 6.13.
Elektroda yang dilapis akan habis karena logam pada elektroda dipindahkan ke bahan dasar selama proses pengelasan. Kawat elektroda (kawat las) menjadi bahan pengisi dan lapisannya sebagian dikonversi menjadi gas pelindung, sebagian menjadi terak (slag), dan sebagian lagi diserap oleh logam las. Bahan pelapis elektroda adalah campuran seperti lempung yang terdiri dari pengikat silikat dan bahan bubuk, seperti senyawa flour, karbonat, oksida, paduan logam, dan selulosa. Campuran ini ditekan dari acuan dan dipanasi hingga diperoleh lapisan konsentris kering yang keras.
Pemindahan logam dari elektroda ke bahan yang dilas terjadi karena penarikan molekul dan tarikan permukaan tanpa pemberian tekanan. Perlindungan busur nyala mencegah kontaminasi atmosfir pada cairan logam dalam arus busur dan kolam busur, sehingga tidak terjadi penarikan nitrogen dan oksigen serta pembentukan nitrit dan oksida yang dapat mengakibatkan kegetasan.
_Pic260
Gambar 6.13. Pengelasan Busur Nyala Logam Terlindung (SMAW)
Sumber: Salmon dkk, 1991
Lapisan elektroda berfungsi sebagai berikut:
      Menghasilkan gas pelindung untuk mencegah masuknya udara dan membuat busur stabil.
      Memberikan bahan lain, seperti unsur pengurai oksida, untuk memperhalus struktur butiran pada logam las.
      Menghasilkan lapisan terak di atas kolam yang mencair dan memadatkan las untuk melindunginya dari oksigen dan nitrogen dalam udara, serta juga memperlambat pendinginan.
-          Pengelasan Busur Nyala Terbenam (SAW)
Pada proses SAW (Submerged Arc Welding), busurnya tidak terlihat karena tertutup oleh lapisan bahan granular (berbentuk butiran) yang dapat melebur (lihat Gambar 6.14). Elektroda logam telanjang akan habis karena ditimbun sebagai bahan pengisi. Ujung elektroda terus terlindung oleh cairan fluks yang berada di bawah lapisan fluks granular yang tak terlebur.
Fluks, yang merupakan ciri khas dari metode ini, memberikan penutup sehingga pengelasan tidak menimbulkan kotoran, percikan api, atau asap. Fluks granular biasanya terletak secara otomatis sepanjang kampuh (seam) di muka lintasan gerak elektroda. Fluks melindungi kolam las dari atmosfir, berlaku sebagai pembersih logam las, dan mengubah komposisi kimia dari logam las.
Las yang dibuat dengan proses busur nyala terbenam memiliki mutu yang tinggi dan merata, daktilitas yang baik, kekuatan kejut (impact) yang tinggi, kerapatan yang tinggi dan tahan karat yang baik. Sifat mekanis las ini sama baiknya seperti bahan dasar.
_Pic266
Gambar 6.14. Pengelasan Busur Nyala Terbenam (SAW)
Sumber: Salmon dkk, 1991
-          Pengelasan Busur Nyala Logam Gas (GMAW)
Pada proses GMAW (Gas Metal Arc Welding), elektrodanya adalah kawat menerus dari 1 gulungan yang disalurkan metalui pemegang elektroda (alat yang berbentuk pistol seperti pada Gambar 6.15). Perlindungan dihasilkan seluruhnya dari gas atau campuran gas yang diberikan dari luar.
Mula-mula metode ini dipakai hanya dengan perlindungan gas mulia (tidak reaktif) sehingga disebut MIG (Metal Inert Gas/gas logam mulia). Gas yang reaktif biasanya tidak praktis, kecuali C02 (karbon dioksida). Gas C02, baik C02 saja atau dalam campuran dengan gas mulia, banyak digunakan dalam pengelasan baja. Argon sebenarnya dapat digunakan sebagai gas pelindung untuk pengelasan semua logam, namun, gas ini tidak dianjurkan untuk baja karena mahal serta kenyataan bahwa gas pelindung dan campuran gas lain dapat digunakan. Untuk pengelasan baja karbon dan beberapa baja paduan rendah baik (1) 75% argon dan 25% CO, ataupun (2) 100% 'C02 lebib dianjurkan [101 . Untuk baja paduan rendah yang keliatannya (toughness) penting, Pustaka [ 10] menyarankan pemakaian campu ran dari 60-70% helium, 25-30% argon, dan 4-5% C02.
_Pic269
Gambar 6.15. Pengelasan Busur Nyala Logam Gas (GMAW)
Sumber: Salmon dkk, 1991
Selain melindungi logam yang meleleh dari atmosfir, gas pelindung mempunyai fungsi sebagai berikut.
       Mengontrol karakteristik busur nyala dan pernindahan logam.
           Mempengaruhi penetrasi, lebar peleburan, dan bentuk daerah las.
       Mempengaruhi kecepatan pengelasan.
       Mengontrol peleburan berlebihan (undercutting).
Pencampuran gas mulia dan gas reaktif membuat busur nyala lebih stabil dan kotoran selama pernindahan logam lebih sedikit. Pemakaian C02 saja untuk pengelasan baja merupakan prosedur termurah karena rendahnya biaya untuk gas pelindung, tingginya kecepatan pengelasan, lebih baiknya penetrasi sambungan, dan baiknya sifat mekanis timbunan las. Satu-satunya kerugian ialah pernakaian C02 menimbulkan kekasaran dan kotoran yang banyak.
-          Pengelasan Busur Nyala Berinti Fluks (FCAW)
Proses FCAW (Flux Cored Arc Welding) sama seperti GMAW tetapi elektroda logam pengisi yang menerus berbentuk tubular (seperti pipa) dan mengandung bahan fluks dalam intinya. Bahan inti ini sama fungsinya seperti lapisan pada SMAW atau fluks granular pada SAW. Untuk kawat yang diberikan secara menerus, lapisan luar tidak akan tetap lekat pada kawat. Gas pelindung dihasilkan oleh inti fluks tetapi biasanya diberi gas pelindung tambahan dengan gas C02.
-          Pengelasan-Terak Listrik (ESW)
Proses ESW (Electroslag Welding) merupakan proses mesin yang digunakan terutama untuk pengelasan dalam posisi vertikal. Ini biasanya dipakai untuk memperoleh las lintasan tunggal (satu kali jalan) seperti untuk sambungan pada penampang kolom yang besar. Logam las ditimbun ke dalam alur yang dibentuk oleh tepi plat yang terpisah dan ”sepatu" (alas) yang didinginkan dengan air. Terak cair yang konduktif melindungi las serta mencairkan bahan pengisi dan tepi plat. Karena terak padat tidak konduktif, busur nyala diperlukan untuk mengawali proses dengan mencairkan terak dan memanaskan plat.
Busur nyala dapat dihentikan setelah proses berjalan dengan baik. Selanjutnya, pengelasan dilakukan oleh panas yang ditimbulkan melalui tahanan terak terhadap aliran arus listrik. Karena pemanasan akibat tahanan digunakan untuk seluruh proses kecuali sumber panas mula-mula, proses SAW sebenarnya bukan merupakan proses pengelasan busur nyala.
-          Pengelasan Stud
Proses yang paling umum digunakan dalam pengelasan stud (baut tanpa ulir) ke bahan dasar disebut pengelasan stud busur nyala (arc stud welding). Proses ini bersifat otomatis tetapi karakteristiknya sama seperti proses SMAW. Stud berlaku sebagai elektroda, dan busur listrik timbul dari ujung stud ke plat. Stud dipegang oleh penembak yang mengontrol waktu selama proses. Perlindungan dilakukan dengan meletakkan cincin keramik di sekeliling ujung stud pada penembak. Penembak diletakkan dalam posisinva dan busur ditimbulkan pada saat cincin keramik berisi logam cair. Setelah beberapa saat, penembak mendorong stud ke kolam yang mencair dan akhirnya terbentuk las sudut (fillet weld) keeil di sekeliling stud. Penetrasi sempurna di seluruh penampang lintang stud diperoleh dan pengelasan biasanya selesai dalam waktu kurang dari satu detik.














Poskan Komentar