Materi (Proses Perlakuan Logam Dasar)

Bahan Ajar Proses Perlakuan Logam Dasar

2011

1. Pembuatan Besi Kasar dan Baja A. Tujuan Pembelajaran Siswa dapat memahami, menjelaskan & mengidentifikasi proses pembuatan besi kasar dan baja. Langkah kerja : Siswa memahami tentang teori proses pembuatan besi kasar  Siswa dapat menjelaskan proses pembuatan besi kasar  Siswa dapat mengidentifikasi proses pembuatan besi kasar  B. Proses Pengolahan Biji Besi Dan Persiapan Dalam Tanur Tinggi. Didalam perut bumi tempat kita tinggal ternyata banyak sekali mengandung zatzat yang berguna untuk keperluan hidup kita sehari-hari, misalnya minyak tanah, bensin, solar dan lain-lainnya yang disebut minyak bumi. Disamping itu juga terdapat unsurunsur kimia yang berguna bagi manusia seperti bijih besi, nikel, tembaga, uranium, titanium, timah dan masih banyak lagi, beserta mineral dan batu-batuan. Salah satu zat yang terdapat di dalam bumi yang sangat berguna bagi manusia ialah air dengan rumus kimianya H2O, sebab tanpa air manusia sukar sekali mempertahankan kehidupannya. Mineral adalah suatu bahan yang banyak terdapat di dalam bumi, yang mempunyai bentuk dan ciri-ciri khusus serta mempunyai susunan kimia yang tetap. Sedangkan batu-batuan merupakan gabungan antara dua macam atau lebih mineralmineral dan tidak mempunyai susunan kimia yang tetap. Bijih ialah mineral atau batu-batuan yang mengandung satu macam atau beberapa macam logam dalam prosentase yang cukup banyak untuk dijadikan bahan tambang. Banyaknya logam yang terkandung dalam bijih itu berbeda-beda. Logam dalam keadaan murni jarang sekali terdapat di dalam bumi, kebanyakan merupakan senyawa-senyawa oksida, sulfida, karbonat, dan sulfat yang merupakan bijih logam yang perlu diproses menjadi bahan logam yang bermanfaat bagi manusia. a) Macam-macam bijih besi. 1) Oksida-oksida besi, besi , contoh nya: 

Ferri Oksida ( F e

2

O3 )

atau disebut: “hematit”.

Kandungan Besi nya =  69,94 %, Oksigen nya = Warna nya: merah dan tidak mengandung air 

Ferro Oksida

F e O 4 3



30,06 %

 atau disebut: “magnetit”

Kandungan Besi nya =  72,4 %, Oksigen nya =  27,6 % Warna nya abu-abu sampai dengan ke cokelat-cokelat an, Mempunyai sifat kemagnitan. 





F e O OH F e O3 2

disebut juga: “limanit”

Limanit ini disebut juga Ferro Oksida yang ada mengandung air. Kandungan Besi nya = (60  65) %, Oksigen nya = (8  20) %, Sisa nya = [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

air ( H 2 O ), Warna: cokelat disebut juga: “goethite”



HF e O 2



Kandungan Besi nya =  62,9 %, Oksigen nya =  27, 0 %, Sisa nya = air, Bentuk nya kristal atau seperti jarum. Warna: kuning, merah atau cokelat. F e O OH  disebut juga: “lepidoerosite”



Bijih besi ini merupakan bentuk lain atau variasi dari goethite. F e O 2 OH 2 disebut juga: “turgite”

2) 

Bijih besi ini merupakan bentuk lain atau variasi dari limanite Karbonat-karbonat besi, contoh nya: F e CO3 disebut juga: “sederit” Kandungan Besi nya =  48,2 %, Karbonat nya =  50,8 % Bentuk nya seperti kristal dan berlumpur. Mengandung unsur-unsur lain, seperti: M g , M n ,

C a

,

C o

3) Sulfida-sulfida besi, besi , contoh nya: Magnetik pyrite  Kandungan Besi nya =  69,4 %, Sulfur nya =  30,6 % Marcasite, atau disebut bijih besi bersifat putih  Kandungan Besi nya =  46,6 %, Sulfur nya =  39,4 % Macam bijih besi ini, biasanya merupakan hasil sampingan dari penambangan: Z n , C u , N i , Au , perak atau sulfur (belerang). 

“Pyrite lythos” Kandungan Besi nya kuning.

=



46,6 %, Sulfur nya =



53,4 % , warna nya:

b) Terjadinya bijih besi Secara umum dapat dikatakan, bijih besi terjadi akibat fraksinasi kristalisasi yang kemudian mengalami periode pendinginan, atau juga sedimentasi yang terbentuk karena adanya proses erosi, desintegrasi, transportasi, dll. Atau bahkan karena oksidasi pada cairan kimia (solvent). Namun secara ringkas, dapat dikatakan: Karena proses geologi dan terjadi akibat pembagian geografis  Terjadi sekitar 25 juta tahun yang lalu  Hanya terdapat di beberapa tempat di dunia, seperti: India, Australia dan  Amerika Deposit nya mempunyai kedalaman yang ber-variasi, ber-vari asi, dari beberapa meter  hingga beberapa ratus meter di bawah permukaan tanah.

[Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

air ( H 2 O ), Warna: cokelat disebut juga: “goethite”



HF e O 2



Kandungan Besi nya =  62,9 %, Oksigen nya =  27, 0 %, Sisa nya = air, Bentuk nya kristal atau seperti jarum. Warna: kuning, merah atau cokelat. F e O OH  disebut juga: “lepidoerosite”



Bijih besi ini merupakan bentuk lain atau variasi dari goethite. F e O 2 OH 2 disebut juga: “turgite”

2) 

Bijih besi ini merupakan bentuk lain atau variasi dari limanite Karbonat-karbonat besi, contoh nya: F e CO3 disebut juga: “sederit” Kandungan Besi nya =  48,2 %, Karbonat nya =  50,8 % Bentuk nya seperti kristal dan berlumpur. Mengandung unsur-unsur lain, seperti: M g , M n ,

C a

,

C o

3) Sulfida-sulfida besi, besi , contoh nya: Magnetik pyrite  Kandungan Besi nya =  69,4 %, Sulfur nya =  30,6 % Marcasite, atau disebut bijih besi bersifat putih  Kandungan Besi nya =  46,6 %, Sulfur nya =  39,4 % Macam bijih besi ini, biasanya merupakan hasil sampingan dari penambangan: Z n , C u , N i , Au , perak atau sulfur (belerang). 

“Pyrite lythos” Kandungan Besi nya kuning.

=



46,6 %, Sulfur nya =



53,4 % , warna nya:

b) Terjadinya bijih besi Secara umum dapat dikatakan, bijih besi terjadi akibat fraksinasi kristalisasi yang kemudian mengalami periode pendinginan, atau juga sedimentasi yang terbentuk karena adanya proses erosi, desintegrasi, transportasi, dll. Atau bahkan karena oksidasi pada cairan kimia (solvent). Namun secara ringkas, dapat dikatakan: Karena proses geologi dan terjadi akibat pembagian geografis  Terjadi sekitar 25 juta tahun yang lalu  Hanya terdapat di beberapa tempat di dunia, seperti: India, Australia dan  Amerika Deposit nya mempunyai kedalaman yang ber-variasi, ber-vari asi, dari beberapa meter  hingga beberapa ratus meter di bawah permukaan tanah.



2011

Gambar 1. Proses produksi biji besi hingga menjadi besi siap pakai c) Cara pengolahan bijih besi. Teknologi pengolahan bijih besi disini adalah pengolahan bijih besi dari hasil tambang yang masih kotor dan tidak teratur bentuk nya, hingga menjadi bersih dan teratur, sehingga siap untuk di olah lebih lanjut. Teknik-teknik pengolahan bijih besi tersebut adalah sbb: - Pemecahan (Crushing) - Gerinda (Grinding) - Pencucian (Washing) - Gaya berat (Gravity method) - Pemisahan secara magnetik (Magnetic Separation) - Pembuihan dan pengapungan (Froth floatation) - Pemisahan secara elektrostatik ber tegangan tinggi (Electroststic/high tension separation) - Pemisahan secara magnetis dengan temperatur rendah (Low temperature magnetizing separation) - Menghilangkan zat cair dan dikeringkan (Dewatering and drying) - Pengumpulan/penggumpalan. d) Penjelasan Cara-Cara Pengolahan Bijih Besi 1) Pemecahan (Crushing)



2011

-

bijih besi hasil tambang, biasanya masih berbentuk bonglahan-bongkahan

-

besar, yakni antara 300  400 mm 2 untuk keperluan ―tanur tinggi”di perlukan ukuran bijih besi antara 10



30

2

s/d 50 mm , oleh sebab itu bongkahan-bongkahan tadi perlu di pecahpecah sehingga mempunyai ukuran yang kecil dan seragam. Mesin nya: Jaw Crusher dan atau Gyratory Crusher. agar ukuran nya seragam, maka digunakan ayakan (saringan). 2) Grinda (Grinding) adakalanya, bijih besi magnetit masih mengandung tanah, ada yang basah ada pula yang kering dan sedikit bercampur dengan kotoran-kotoran lain nya. guna memisahkan antara bijih besi dan kotoran-kotoran tersebut, digunakan mesin: Ball mill dan atau Rod mill 3) Pencucian (Washing) bijih besi yang mengandung tanah liat dan kotoran-kotoran lain nya, dicuci dengan menggunakan mesin pencuci berbentuk silindris maupun konis, yang dilengkapi oleh alat pengangkat. kotoran-kotoran halus akan tertinggal dan yang telah tercuci disaring dalam keadaan basah menggunakan saringan susun yang bergetar, maka akan diperoleh bijih besi yang bersih. 4) Gaya berat (Gravity method) dengan memanfaatkan beda berat jenis dari bahan-bahan hasil tambang, maka akan dapat diperoleh bijih besi yang bersih pralatan-peralatan yang sering dipakai adalah: jigging; untuk bijih besi dengan ukuran 0,5  25 mm  hampherey spiral; untuk bijih besi dengan ukuran 0,1  0,5 mm  shaking tabel; untuk bijih besi dengan ukuran 0,1  1,5 mm  cyclone; untuk menghilangkan kotoran-kotoran yang sangat halus.  5) Pemisahan secara magnetik (Magnetic separation) mineral-mineral dengan kemagnitan yang besar (contoh: bijih besi magnetit), dapat dipisahkan dengan ―mineral non -magnetic separation‖ Untuk kemagnitan yang lemah, digunakan ― high density dry magnetic separation‖ 6) Pembuihan dan pengapungan (Froth floatation) Untuk bijih-bijih besi yang kemagnitan nya sangat lemah/rendah, dapat menggunakan cara pengapungan pH dari bahan yang di apungkan dapat diperlemah/diperkecil dengan cara menambahkan asam atau alkali (tergantung dari bahan yang di apungkan). 7) Pemisahan secara elektrostatik ber tegangan tinggi (Electrostatic/high tension separation)



2011

Elektrostatik atau pemisahan dengan tegangan tinggi dipakai untuk meningkatkan mutu dari konsentrat-konsentrat yang halus juga untuk memisahkan bahan-bahan yang tidak di inginkan. 8) Pemisahan secara magnetis dgn temp. rendah (Low temperature magnetizing separation) teknik ini biasanya dipakai untuk bijih-bijih besi yang halus dan nonmagnetik atau yang magnetik nya rendah serta menandung oksida-oksida hidrat dan kadang-kadang siderite sebuah alat pemanggang (pemanas) ditempatkan persis dibawah alat utama, guna memisahkan bahan-bahan yang non-magnit dengan yang magnetis serta bahan-bahan lain yang tidak di inginkan 9) Menghilangkan zat cair dan dikeringkan (Dewatering and drying) bijih besi yang butiran-butiran nya sangat halus di dalam suatu konsentrat, di beri air, kemudian dimampatkan kedalam mesin pemampat dan kemudian dikeringkan. 10) Pengumpulan atau penggumpalan (Stockage) 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 besi 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 bolabola 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. Berturutturut 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.



2011

Gambar 2. Proses dalam dapur tinggi. (Bagyo Sucahyo, 1999). 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. Karena besi kasar ini masih mengandung persentase karbon yang tinggi (tidak dapat langsung dipakai), maka hasil dari Tanur Tinggi ini sering juga disebut sebagai “besi mentah” , sebab besi kasar ini merupakan bahan baku dari tanur jenis lain, yang kemudian di olah lebih lanjut agar persentase kadar karbon nya bisa sesuai dengan yang diharapkan. Kapasitas Tanur Tinggi adalah: (390 - 400) ton/hari, ( 80 - 100) ton/sekali tuang.  Bahan baku Tanur Tinggi adalah: Bijih besi, Kokas/Batu bara, Batu kapur.  Bahan baku ini, disusun ber lapis-lapi, dimulai dari Kokas, Bijih besi dan Batu kapur,  dst. 

Jenis bijih besi yang lazim digunakan adalah yang % kotoran kecil,

F e

nya besar dan %


Bahan Ajar Proses Perlakuan Logam Dasar  

2011

Oleh karena itu: hematit, magnetit, siderit dan himosit, lebih di sukai. Untuk mendapatkan/menghasilkan 1 (satu) ton besi kasar, maka sebuah tanur tinggi, memerlukan bahan-bahan sebagai berikut: 2 ton bijih besi 0,8 ton kokas 0,5 ton batu kapur 4 ton  4000 m 3 udara panas Kadar Karbon pig iron adalah antar (4,5 - 6) % Tidak semua jenis kokas, dapat digunakan sebagai bahan baku (bakar) tanur tinggi, untuk itu ada beberapa syarat yang harus dipenuhi, antara lain: harus cukup keras semurni mungkin, kadar C nya harus cukup tinggi ukuran nya harus homogen (seragam) porosity (pori-pori) nya harus baik bebas dari kotoran-kotoran yang dapat mengganggu proses pembakaran. -

 

e)

Proses-proses yang terjadi di dalam Tanur Tinggi 1) Udara panas  500 C di hembuskan melalui tuyer dan membakar kokas, sehingga terbentuk karbon monoksida (CO), kemudian bereaksi dengan bijih besi, akhirnya menghasil kan: besi + gas karbon dioksida CO2  . 2) Dengan udara panas 3) 4)

5) 6) 7) 8)

9)

500 C, dapat dihemat penggunaan kokas sekitar 30 %. Batu kapur akan mengikat kotoran-kotoran didalam bijih besi, sehingga dengan demikian, batu kapur berfungsi sebagai “fluks” , hasilnya adalah “terak cair”. Berat jenis terak cair ini lebih ringan dibandingkan dengan berat jenis besi cair, sehingga dengan demikian terak cair akan berada diatas besi cair. Terak cair ini kemudian akan di hisap keluar dari tanur tinggi secara bertahap. Besi cair murni (tanpa kotoran-kotoran) dialirkan kedalam cetakan setiap 5 sampai dengan 6 jam sekali. Setiap 1 (satu) kg besi cair yang dihasilkan, juga menghasilkan produk sampingan berupa 0,5 kg terak cair dan sekitar 6 kg udara panas. Setelah membeku, terak dapat digunakan sebagai bahan bangunan (campuran beton) atau sebagai bahan isolasi tahan panas. Gas panas yang dihasilkan, setelah dibersihkan (disaring), dapat digunakan kembali sebagai pemanas mula tanur tinggi, atau untuk menghasilkan energi, dll. Proses yang terjadi di dalam tanur tinggi disebut: “reduksi tidak langsung” (indirect reduction) dan reaksi kimia yang berlangsung adalah sebagai berikut: F e O4 3



 CO  3F e O  CO2



untuk bijih besi magnetit



untuk bijih besi hematit

atau F e O3 2



CO



2 F e O  CO 2


Bahan Ajar Proses Perlakuan Logam Dasar 10) Biasanya 1

7

2011

bagian dari tanur tinggi di isi oleh kokas.

f) Waktu yang diperlukan untuk menghasilkan besi kasar Berikut ini, akan disajikan sebuah tabel yang menggambarkan berapa banyak waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan besi kasar (pig iron). Jam Kegiatan atau proses ke 0 Dapur di –ON kan dan udara panas ditiupkan 30 Terak cair pertama dikeluarkan (belum stabil) 30 Penuangan pertama besi kasar (belum stabil) 54 Terak mulai stabil 107 Besi kasar mulai stabil Setiap 6 jam Penuangan besi cair ke dalam cetakan C. 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 pembakaran suhu tinggi 1800 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 ------- CO2 Sebagian dari CO2 bersama dengan zat arang membentuk zat yang berada ditempat yang lebih atas yaitu gas CO. CO2+C -----2CO Di bagian atas at as dapur tinggi t inggi pada suhu su hu 300° sampai 800° C oksida besi yang lebih tinggi diubah menjadi oksida yang lebih rendah oleh reduksi tidak langsung dengan CO tersebut menurut prinsip : Fe2O3+CO Fe2O3+CO ---------2FeO+CO2 Pada waktu proses berlangsung muatan turun ke bawah dan terjadi reduksi tidak langsung menurut prinsip : FeO+CO--------- 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. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

FeO+C ------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. D. Hasil dapur tinggi. Hasil dari dapur tinngi ada 3 macam, yaitu besi kasar cair, kotoran pembakar, dan gas dapur tinggi. a. Besi kasar cair. Besi kasar cair dari dalam dapur tinggi dapat dikeluarkan setiap 4 – 6 jam sekali lewat saluran. Kemudian mengalir ke cetakan – cetakan yang dibuat dari pasir di sekitar dapur tersebut. setelah membeku, besi kasar membentuk balok – balok tuangan. Setiap pengambilan didapat 60 – 70 ton besi kasar dan sehari semalam menghasilkan produksi 300 – 400 ton. Menurut sifatnya besi kasar dibagi dalam 2 golongan yaitu, besi kasar kelabu dan besi kasar putih. 1) Besi kasar putih. Besi ini mengandung 5 – 30 % Mn dan mengandung 3 – 4,5 %C. BD nya 7,3 – 7,7 dan titik cairnya 1000°C - 1300°C. sifatnya sangat keras dan rapuh. Karena itu, tidak bisa dipakai dalam bengkel besi tuang, tapi banyak digunakan untuk pembuatan besi tempa atau baja. 2) Besi kasar kelabu. Besi ini mengandung 1-3% Si dan mengandung 3% C. BD nya 7,4 dan titik cairnya 1300°C. grafit dalam besi mengakibatkan warna kelabu dan adanya grafit disebabkan oleh kadar silisium (Si). Besi kasar kelabu ini banyak dipakai di bengkel – bengkel tuang dan untuk pembuatan alat – alat eprkakas. b. Kotoran pembakaran. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

Pada waktu besi kasar mencair, diatas permukaan besi kasar itu terapung kotoran pembakar / terak (BD 2,5 – 3 kg/dm3). Kotoran itu dibuang melalui saluran terak yang berada 0,5 m dibawah pipa peniup. Terak warnanya putih, abu – abu, putih kebiruan atau hijau menunjukkan adanya persenyawaan besi. Terak banyak digunakan dalam pembuatan jalan, bendungan – bendungan air, pasir, semen, dan wol terak. Di dalm dapur tinggi hasil terak dan hasil besi kasar sama jumlahnya, tapi karena BD nya ringan, maka volume terak kurang lebih 3 kali dari volume besi. c. Gas dapur tinggi. Selama proses prose s berlangsungnya pengolahan p engolahan pada suhu diatas d iatas 800°C, 800°C, gas – gas menimbulkan perubahan – perubahan perubahan dalam ikatan biji besi. Keluar dari dapur masih mempunyai suhu su hu 200°C 200°C - 300°C. 300°C. dan sejumlah sej umlah zat arang ar ang yang datang dari udara penghembus. Susunan zat arang dari udara penghembus adalah sebagai berikut: 55 – 60% volume zat arang ( C )  24 – 30 % volume oksida arang ( CO )  8 – 12 % volume dioksida arang (CO2).  Dari gas – gas ini, oksida arang merupakan sumber tenaga yang paling banyak dipakai dan berguna untuk pembakaran gas, menurut reaksi: 2 CO + O2  2 CO2 +285 kJ. Pada dapur yang berkapasitas 300 ton besi kasar, dalam waktu 24 jam mampu menghasilkan gas sekitar 1.400.000 m3, yang didalamnya terdapat 25 % atau 35.000 m3 oksida arang ar ang (CO). panas pembakaran p embakaran CO untuk tiap m3 (0° ( 0°C, 75 cm tekanan air raksa) adalah 12,5 MJ. Tiap 24 jam = 105,42 kJ. Dari energy gas ini 40% digunakan untuk pemanas udara, bisa untuk ketel – ketel uap, dan motor – motor gas. Mesin – mesin tersebut memberikan tenaga kompresor angin dan sebagian kepada dynamo yang memberikan arus listrik yang dipergunakan untuk perlengkapan pengangkutan dan penerangan. E. Pembuatan Baja dari Besi Kasar Besi kasar sebagai hasil dari dapur tinggi masih banyak mengandung unsurunsur yang tidak cocok untuk bahan konstruksi, misalnya zat arang (karbon) yang terlalu tinggi, fosfor, belerang, silisium dan sebagainya. Unsur-unsur ini harus serendah mungkin dengan berbagai cara.



2011

Gambar 3. Diagram Pembuatan Baja (Sumber : Hari Amanto & Daryanto, 1999). Untuk menurunkan kadar karbon dan unsur tambahan lainnya dari besi kasar digunakan dengan cara sebagai berikut. 1. Proses Konvertor : a. Proses Bessemer untuk besi kasar dengan kadar fosfor yang rendah. b. Proses Thomas untuk besi kasar dengan kadar fosfor yang tinggi. c. Proses Oksi, proses LD, Kaldo dan Oberhauser. 2. Proses Martin (dapur Siemen Martin) a. proses Martin asam untuk besi kasar dengan kadar fosfor rendah. b. Proses Martin basa untuk besi kasar dengan kadar fosfor tinggi. 3. Dapur Listrik untuk baja Campuran a. Dapur listrik busur nyala api. b. Dapur listrik induksi. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

a. Proses Bessemer 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 digulinggulingkan. Korvertor Bessemer diisi dengan besi kasar kelabu yang banyak mengandung silisium. Silisium dan mangan terbakar pertama kali, setelah itu baru zat arang yang terbakar. Pada saat udara mengalir melalui besi kasar udara membakar zat arang dan campuran tambahan sehingga isi dapur masih tetap dalam keadaan encer. Setelah lebih kurang 20 menit, semua zat arang telah terbakar dan terak yang terjadi dikeluarkan. Mengingat baja membutuhkan karbon sebesar 0,6 sampai 1,7 %, maka pada waktu proses terlalu banyak karbon yang hilang terbakar, kekurangan itu harus ditambah dalam bentuk besi yang banyak mengandung karbon.

Gambar 4. konstruksi dapur bassemer Dengan jalan ini kadar karbon ditingkatkan lagi. dari oksidasi besi yang terbentuk dan mengandung zat asam dapat dikurangi dengan besi yang mengandung mangan. Udara masih dihembuskan ke dalam bejana tadi dengan maksud untuk mendapatkan campuran yang baik. Kemudian terak dibuang lagi dan selanjutnya muatan dituangkan ke dalam panci penuang. Pada proses Bessemer menggunakan besi kasar dengan kandungan fosfor dan belerang yang rendah tetapi kandungan fosfor dan belerang masih tetap agak tinggi karena dalam prosesnya kedua unsur tersebut tidak terbakar sama sekali. Hasil dari konvertor Bessemer disebut baja Bessemer yang banyak digunakan untuk bahan konstruksi. 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. b.

Proses Thomas 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. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

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. c. Proses 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. Gas yang akan dibakar dengan udara untuk pembakaran dialirkan ke dalam ruangan-ruangan melalui batu tahan api yang sudah dipanaskan dengan temperatur 600 sampai 900 C. Dengan demikian nyala apinya mempunyai suhu yang tinggi, kira-kira 1800 C. gas pembakaran yang bergerak ke luar masih memberikan panas kedalam ruang yang kedua, dengan menggunakan keran pengatur maka gas panas dan udara pembakaran masuk ke dalam ruangan tersebut secara bergantian dipanaskan dan didinginkan. Bahan bakar yang digunakan adalah gas dapur tinggi, minyak yang digaskan (stookolie) dan juga gas generator. Pada pembakaran zat arang terjadi gas CO dan CO2 yang naik ke atas dan mengakibatkan cairannya bergolak, dengan demikian akan terjadi hubungan yang erat antara api dengan bahan muatan yang dimasukkan ke dapur tinggi. Bahan tambahan akan bersenyawa dengan zat asam membentuk terak yang menutup cairan tersebut sehingga melindungi cairan itu dari oksida lebih lanjut.



2011

Gambar 5. konstruksi dapur Siemens martins. Setelah proses berjalan selama 6 jam, terak dikeluarkan dengan memiringkan dapur tersebut dan kemudian baja cair dapat dicerat. 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 terjadi 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 dibanding 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. d. Proses Oksi Proses konvertor yang lebih modern adalah proses oksi, pada proses ini menggunakan bahan besi kasar yang mempunyai komposisi kurang baik apabila [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

dikerjakan dengan konvertor Bessemer maupun Thomas. Disini zat asam murni dihembuskan di atas cairan dan kadang-kadang juga kedalam cairan besi, sehingga karbon, silisium, mangan dan sebagainya terbakar. Hasil pembakaran unsur-unsur tersebut ditampung oleh bahan tambahan batu kapur dan terikat menjadi terak yang mengapung di atas cairan besi. Proses pembakaran zat asam dengan zat arang terjadi pada panas yang tinggi sekali, maka diperlukan pendinginan dengan jalan memberikan tambahan baja bekas. Hasil akhir dari proses ini adalah baja oksi yang bermutu sangat baik karena pengaruh buruk dari unsur udara tidak ada.

Gambar 6. Mekanisme dalam dapur Oksi. 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 proses oksi adalah sebagai berikut : a. Waktu proses relatif pendek. b. Hasilnya mengandung fosfor (P)dan belerang (S) yang rendah. c. Hasil yang diproduksi relatif lebih banyak dalam tempo yang sama dibanding proses lainnya. d. Biaya produksi baja tiap ton lebih murah.



2011

Gambar 7. Proses dalam dapur Oksi. e. Proses Hoecsch Proses Hoecsch merupakan penyempurnaan dari proses Martin. Caranya adalah setelah muatan di dalam dapur Siemens Martin mencair kemudian langsung dikeluarkan dan dimasukkan dalam kuali yang terbuka untuk membakar fosfor dan belerang. Sementara pembakaran dilakukan dapur Siemens Martin dibersihkan dan kemudian lantai dapur ditaburi dengan serbuk bijih besi (Fe2O3 atau Fe3O4). Setelah selesai mengadakan pembakaran fosfor, belerang dan besi cair yang berada di dalam kuali tadi dimasukkan kembali ke dalam dapur Siemens Martin untuk menyelesaikan pembakaran unsur-unsur lain yang belum hilang, terutama zat arang. Setelah proses pembakaran zat arang dianggap selesai, terak yang terjadi dikeluarkan selanjutnya baja cair ditampung dalam panic penuangan untuk dituang atau dicetak menjadi balok tuangan. f. Proses Bertrand Thield Proses ini menggunakan dua buah dapur Siemens Martin. Pada dapur yang pertama dilakukan pemijaran dan pembakaran untuk memisahkan fosfor sedangkan dalam dapur kedua diisi dengan besi cair hasil dari dapur yang pertama setelah teraknya dikeluarkan. Proses di dalam dapur yang kedua tersebut juga diberi tambahan bijih besi yang baru. g. Proses Dupleks Proses ini dilakukan dengan cara mengeluarkan zat arang terlebih dahulu yang berada konvertor-konvertor dan memurnikannya di dalam dapur Siemens Martin. Proses Dupleks terutama dilakukan oleh pabrik-pabrik baja yang berada di dekat perusahaan dapur tinggi. Setelah proses di dalam dapur tinggi (setelah teraknya dihilangkan) cairan besi kasar itu dimasukkan kedalam konvertor (Bessemer atau Thomas) dan dicampur dengan batu kapur serta baja bekas dalam jumlah yang dikehendaki. Pengembusan udara di dalam konvertor dilakukan sampai kandungan fosfor menjadi rendah kira-kira 1 sampai 1,5 %, ditambah dengan kokas yang telah digiling selanjutnya memindahkan isinya ke dalam dapur Siemens Martin. h. Proses Thalbot [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


i.

2011

Proses Thalbot dilakukan dengan menggunakan dapur Siemens Martin yang dapat diputar-putar dan dijungkitkan. Setelah pemijaran didalam dapur Martin, sebagian cairan dituangkan ke dalam panci tuang dan ke dalam dapur tadi sambil ditambahkan besi kasar, bijih besi dan batu kapur. Proses selanjutnya adalah menjaga agar cairan besi di dalam panic tuang tadi tidak terjadi oksidasi, artinya mengusahakan pendinginan yang cepat. Akibat dari cara ini adalah hasil yang diperoleh dalam setiap proses dari satu dapur tidak sama kualitasnya. Baja yang dihasilkan dari proses Thalbot adalah baja biasa seperti hasil dari proses konvertor Bessemer maupun Thomas. Proses Dapur Listrik Dapur listrik digunakan untuk pembuatan baja yang tahan terhadap suhu tinggi. Dapur ini mempunyai keuntungan-keuntungan sebagai berikut, a. Jumlah panas yang diperlukan dapat dapat diatur sebaik-baiknya. b. Pengaruh zat asam praktis tidak ada. c. Susunan besi tidak dipengaruhi oleh aliran listrik. Sedangkan kekurangannya adalah harga listrik yang mahal. Dapur listrik dibagi menjadi dua kelompok yaitu dapur listrik busur cahaya dan dapur listrik induksi. 1) 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.



2011

Gambar 8. Konstruksi dapur busur. 2) 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 sendiri sedangkan dinding dapurnya hanya menerima pengaruh listrik yang kecil saja.

Gambar 9. Knstruksi dapur induksi. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

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 bolakbalik 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. 3) Proses Dapur Aduk Dapur aduk merupakan cara pembuatan baja yang konvensional dengan cara melebur besi kasar di dalam dapur nyala api bersama-sama dengan terak (FeO) untuk mendapatkan zat asam. Dengan cara mengaduk-aduk dengan batang besi dan ke bawah permukaan dimasukkan udara maka terjadilah suatu masa lunak dari baja yang banyak mengandung terak. Apabila gumpalan-gumpalan yang dibuat dalam dapur telah mencapai kira - kira 60 kg dikeluarkan, maka langkah selajutnya adalah mengeluarkan terak dengan jalan menempanya atau dipres. Dalam proses aduk ini lebih banyak melibatkan pekerjaan tangan serta kapasitas produksi yang kecil maka cara ini dipandang tidak efisien dan jarang digunakan pada pabrik-pabrik baja. c. Rangkuman 1. Bahan utama untuk membuat besi kasar adalah bijih besi. 2. Dapur tinggi dibuat dari susunan batu tahan api yang diberi selubung baja pelat untuk memperkokoh konstruksinya. 3. Batu kapur adalah sebagai bahan tambahan gunanya untuk mengikat abu kokas dan batu-batu ikutan hingga menjadi terak yang dengan mudah dapat dipisahkan dari besi kasar. 4. 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 + 1800° C dengan udara panas, maka dihasilkan suhu yang dapat menyelenggarakan reduksi tersebut. 5. 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. 6. Keuntungan dari proses Martin disbanding proses Bessemer dan Thomas adalah sebagai berikut : Proses lebih lama sehingga dapat menghasilkan susunan yang lebih baik dengan jalan percobaan percobaan, unsur-unsur yang tidak dikehendaki dan [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


7.

2011

kotoran-kotoran dapat dihindarkan atau dibersihkan, penambahan besi bekas dan bahan tambahan lainnya pada akhir proses menyebabkan susunannya dapat diatur sebaik-baiknya. Dapur listrik digunakan untuk pembuatan baja yang tahan terhadap suhu tinggi.

2. Klasifikasi Besi dan Baja A. Tujuan Kegiatan Pembelajaran Siswa dapat memahami, mengidentifikasi, memilih dan menentukan klasifikasi besi dan baja. B. Uraian Materi Besi atau baja yang dihasilkan dari dapur-dapur baja disebut besi atau baja karbon, yaitu campuran antara besi dengan zat arang (karbon). Sedangkan unsur lainnya seperti fosfor, belerang dan sebagainya juga ada didalamnya, namun dalam prosentase yang kecil sekali sehingga dianggap tidak mempengaruhinya. Unsur paduan itu diberikan dengan maksud memperbaiki atau member sifat baja yang sesuai dengan sifat yang dikenhendaki pada baja. Berdasarkan banyaknya karbon yang dikandung besi atau baja, dapat dibedakan menjadi dua bagian, yaitu : a. Besi atau baja tempa yang mengandung berkisar antara 0,01 s/d 1,7 % karbon. b. Besi atau baja tuang yang mengandung berkisar antara 2,3 s/d 3,5 % karbon, baja ini sangat tidak baik untuk ditempa. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

Besi atau baja yang kadar karbonnya berkisar antara 1,8 s/d 2,2 %, tidak dibuat karena pada prosentase tersebut sifatnya kurang baik. C. Baja Karbon Baja karbon adalah baja yang mengandung karbon sampai 1,7 %. Baja karbon digolongkan menjadi tiga kelompok berdasarkan banyaknya karbon yang terkandung dalam baja, yaitu : 1. Baja karbon rendah. Baja yang mengandung karbon antara 0,10 s/d 0,30 %. Baja karbon rendah dalam perdagangan dibuat dalam bentuk pelat, batangan untuk keperluan tempa, pekerjaan mesin, dan lain-lain. 2. Baja karbon sedang. Baja ini mengandung karbon antara 0,30 s/d 0,60 %. Baja karbon sedang dalam perdagangan biasanya digunakan sebagai alat-alat perkakas, baut, poros engkol, roda gigi, ragum, pegas, dan lain-lain. 3. Baja karbon tinggi. Baja yang mengandung karbon antara 0,70 s/d 1,5 %. Baja karbon ini banyak digunakan untuk keperluan pembuatan alat-alat konstruksi yang berhubungan dengan panas yang tinggi atau dalam penggunaannya akan menerima dan mengalami panas, misalnya landasan, palu, gergaji, pahat, kikir, mata bor, bantalan peluru, dan sebagainya. Berdasarkan penggunaan baja dapat diklasifikasikan dalam dua grup yaitu baja konstruksi dan baja perkakas. Baja kontruksi termasuk kontruksi bangunan dan kontruksi mesin. Baja kontruksi bangunan umumnya mengandung karbon sampai 0,3 % dengan kekuatan tarik dan batas regang rendah serta tidak dapat dikeraskan. Sedangkan baja mesin umumnya memiliki kadar karbon berkisar 0,3 s/d 0,6 %, mempunyai kekerasan yang lebih besar, kekuatan tarik dan batas regang agak tinggi serta dapat dikeraskan. Kedua grup baja di atas masih digolongkan lagi menjadi baja yang tidak dipadu, baja paduan rendah dan baja paduan tinggi, yaitu : a. Baja yang tidak dipadu mengandung 0,06 s/d 1,5 % karbon, dengan sedikit mangan (Mn), silisium (Si), fosfor (P), dan belerang (S). b. Baja paduan rendah mengandung 0,06 s/d 1,5 % karbon dengan tambahan 5 % bahan paduan. c. Baja paduan tinggi mengandung 0,03 s/d 2,2 % karbon dengan lebih dari satu bahan paduan sebanyak 5 % atau lebih. D. Baja Kontruksi Baja kontruksi digunakan untuk keperluan kontruksi bangunan dan pembuatan bagian-bagian mesin. Berdasarkan campuran dan proses pembuatannya , baja kontruksi dibedakan menjadi : a. baja konstruksi umum b. Baja otomat c. Baja case hardening Adapun penjelasan baja kontruksi dikelompokan dalam tiga jenis terdiri dari : [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

a. Baja kontruksi umum. Baja kontruksi umum terdiri atas jenis baja karbon dan baja kualitas tinggi yang dipadu. Penggunaan baja ini didasarkan atas pertimbangan tegangan tarik minimumnya yang cukup tinggi. Baja ini banyak digunakan pada kontruksi bangunan gedung, jembatan, poros mesin dan roda gigi. Baja kontruksi umum diperdagangkan dalam dua jenis kualitas yang biasanya dibedakan dengan pemberian nomer kode 2 dan 3. Contoh : St. 44 – 2 untuk kualitas tinggi. St. 44 – 3 untuk kualitas istimewa (khusus). b. Baja otomat. Baja otomat terdiri atas baja kualitas tinggi yang tidak dipadu dan baja kualitas tinggi paduan rendah dengan kadar belerang (S) dan fosfor (P) yang tinggi. Baja ini mengandung 0,07 s/d 0,065 % karbon, 0,18 s/d 0,4 % belerang, 0,6 s/d 1,5 % mangan, dan 0,05 s/d 0,4 % silisium. Untuk keperluan menghaluskan permukaan ditambahkan lagi dengan timbal (Pb) 0,15 s/d 0,3 %. Karena mengandung belerang (S) dan fosfor (P) yang cukup tinggi, maka baja otomat sangat tidak baik untuk pekerjaan las. c. Baja case hardening. Baja case hardening diperoleh dengan menaruh baja lunak diantara bahan yang kaya dengan karbon dan memanaskannya hingga di atas suhu kritis atasnya (900 – 950° C) dalam waktu yang cukup lama untuk mendapatkan lapisan permukaan yang banyak mengandung karbon. Baja case hardening ini terdiri atas baja kualitas tinggi yang tidak dipadu dan baja spesial yang tidak dipadu maupun yang dipadu. Supaya benda kerja tetap liat, diusahakan kandungan karbon pada bagian permukaan benda keja yang telah dikarbonisasikan tadi berkisar antara 0,6 – 0,9 %. E. Baja Perkakas Baja perkakas banyak digunakan untuk bahan membuat perkakas, misalnya stempel, kaliber, serta alat-alat potong. Baja perkakas dikelompokkan berdasarkan : 1. Keadaan paduan : tidak dipadu, paduan rendah, dan paduan tinggi. 2. Bahan pendingin : air, minyak, dan udara. 3. Proses pengerasan : pengerjaan panas dan pengerjaan dingin. Sifat-sifat baja perkakas tanpa paduan yang terpenting adalah sebagai berikut : a. Kandungan karbon antara 0,35 – 1,6 %. b. Temperatur pengerasan 750 – 850° C. c. Temperatur tempering 100 – 300° C. d. Temperatur kerja sampai 200°C. Penggunaan baja perkakas tanpa paduan ditentukan oleh kandungan karbonya, contoh : a. 0,5 % karbon untuk pembuatan martil dan landasan tempa. Sifatnya rapuh. b. 0,8 % karbon untuk pembuatan peniti, gunting, dan pisau. Sifatnya rapuh. c. 0,9 % karbon untuk pembuatan perkakas tukang kayu dan pahat. Sifatnya rapuh dan keras. setengah keras. d. 1,1 % karbon untuk pembuatan kikir, penggores, dan gunting. Sifatnya setengah keras. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

e. 1,3 % karbon untuk pembuatan mata bor, skraper, dan dies. Sifatnya keras dan rapuh. f. Lebih dari 1,3 % karbon untuk pembuatan reamer dan matres. Sifatnya sangat keras. Kondisi umum dari baja perkakas adalah pada temperatur di atas 2000 C kemampuan potongnya hilang, oleh sebab itu baja perkakas tanpa paduan digunakan untuk pembuatan alat-alat dan perkakas yang tidak mengalami temperatur kerja yang tinggi. Karena kekuatan tarik dan batas regang yang tinggi , baja ini digunakan pula sebagai bahan untuk alat-alat ukur. Baja perkakas dapat disepuh dengan baik dan dikeraskan dengan mencelupkannya ke dalam air. F.

Baja Paduan Baja paduan adalah campuran antara baja karbon dengan unsur-unsur lain yang akan mempengaruhi sifat-sifat baja, misalnya sifat kekerasan, liat, kecepatan membeku, titik cair, dan sebagainya yang bertujuan memperbaiki kualitas dan kemampuannya. Penambahan unsur-unsur lain dalam baja karbon dapat dilakukan dengan satu atau lebih unsur, tergantung dari karakteristik atau sifat khusus yang dikehendaki. Unsurunsur paduan untuk baja ini dibagi dalam dua golongan yaitu : 1. Unsur yang membuat baja menjadi kuat dan ulet, dengan menguraikannya ke dalam ferrite (misalnya Ni, Mn, sedikit Cr dan Mo). Unsur ini terutama digunakan untuk pembuatan baja konstruksi. 2. Unsur yang bereaksi dengan karbon dalam baja dan membentuk karbida yang lebih keras dari sementit (misalnya unsur Cr, W, Mo, dan V). unsur ini terutama digunakan untuk pembuatan baja perkakas. Pengaruh unsur paduan untuk memperbaiki sifatsifat baja antara lain: Silisium (Si) dapat menambah sifat elastis dan mengurangi perkembangan gas di dalam cairan baja, sehingga persenyawaannya lebih homogen. Makin besar unsur Si semakin sukar ditempa atau di las. Baja dengan paduan silisium biasanya digunakan untuk membuat pegas. Unsur - unsur paduan tersebut antara lain: a. Mangan (Mn) merupakan unsur yang harus selalu ada di dalam baja dengan jumlah yang kecil dan sebagai pencegah oksidasi, dengan demikian setiap proses kimia dan proses metalurgi dapat berlangsung dengan baik. Penambahan unsur mangan di dalam baja paduan menambah kekuatan dan ketahanan panas baja paduan itu serta penampilan yang lebih bersih dan mengkilat. b. Nikel (Ni) dapat mempertinggi kekuatan dan regangannya sehingga baja paduan ini menjadi liat dan tahan tarikan. Penambahan unsur nikel di dalam baja karbon berpengaruh pula terhadap ketahanan korosi. Oleh karena itu baja paduan ini biasa digunakan untuk bahan membuat sudu-sudu turbin, roda gigi, bagian-bagian mobil dan sebagainya. c. Chromium (Cr) dapat memberikan kekuatan dan kekerasan baja lebih meningkat, tahan korosi dan tahan aus. Dengan sifat-sifat itu membuat baja [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

paduan ini baik untuk bahan poros, dan roda gigi. Penambahan unsur chromium biasanya diikuti dengan penambahan nikel. d. Molibdenum (Mo) dengan penambahan molibdenum akan memperbaiki baja karbon menjadi tahan terhadap suhu yang tinggi, liat, dan kuat. Baja paduan ini biasa digunakan sebagai bahan untuk membuat alat-alat potong, misalnya pahat. e. Wolfram (W) dengan penambahan unsur ini memberikan pengaruh yang sama seperti pada penambahan molibdenum dan biasanya juga dicampur dengan unsur nikel (Ni) dan chromium (Cr). Baja paduan ini memiliki sifat tahan terhadap suhu yang tinggi, karenanya banyak digunakan untuk bahan membuat pahat potong yang lebih dikenal dengan nama baja potong cepat (HSS /Hight Speed Steel). f. Vanadium (V) dengan penambahan unsur ini akan memperbaiki struktur kristal baja menjadi halus dan tahan aus, terlebih bila dicampur dengan chromium. Baja paduan ini digunakan untuk membuat roda gigi, batang penggerak, dan sebagainya. g. Kobalt (Co) dengan penambahan unsur ini akan memperbaiki sifat kekerasan baja meningkat dan tahan aus serta tetap keras pada suhu yang tinggi. Baja paduan ini banyak digunakan untuk konstruksi pesawat terbang atau konstruksi yang harus tahan panas dan tahan aus. h. Tembaga (Cu), baja paduan yang memiliki ketahanan korosi yang besar diperoleh dengan penambahan tembaga berkisar 0,5 – 1,5 % tembaga pada 99,95 – 99,85 % Fe. Baja paduan ini disebut baja Armco yang digunakan untuk membuat konstruksi jembatan, menara-menara, dan lian-lain. G. Besi Tuang Pada umumnya besi tuang adalah paduan antara besi dengan zat arang. Zat arang atau karbon yang terikat berkisar antara 2,3 – 3,6 %. Besi tuang digolongkan dalam dua kelompok utama yaitu : 1. Besi tuang yang mengandung grafit (besi tuang kelabu). 2. Besi tuang yang tidak mengandung grafit (besi tuang putih). 1. Besi Tuang Kelabu Bahan untuk membuat besi tuang kelabu adalah besi kasar kelabu. Besi kasar kelabu mempunyai kandungan silisium yang tinggi antara 1,5 – 5,5 % dan kadar mangan yang rendah. Dengan kandungan silisium yang tinggi akan meningkatkan terbentuknya zat arang bebas, sehingga setelah pendingin, besi tuang kelabu mengandung grafit. Grafit muncul dalam besi sebagai pelat-pelat tipis yang disebut lamel grafit. Bentuk dan banyaknya lamel grafit tergantung dari campuran kimiawi dan kecepatan pendinginannya. Silikon (Silisium) dan pendinginan yang lambat akan menaikkan pembentukan grafit. Sedangkan mangan dengan pendinginan yang cepat akan mengurangi pembentukan grafit. Lamel grafit mempunyai sifat lunak, kekuatan tarik rendah, regangan kecil, dapat menerima gaya tekan yang besar, meredam suara dan getaran. Besi tuang kelabu terdiri atas perlit dan grafit. Perlit (pearlit) terdiri atas ferrit dan cementit . Selain besi tuang berlamel grafit, masih ada dua jenis dari besi tuang [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

kelabu yaitu : besi tuang mekanik atau besi tuang berlamel grafit halus, dan besi tuang speroidical atau besi tuang bergrafit bola. a. Besi tuang mekanik adalah besi tuang yang sepenuhnya terdiri atas grafit halus. Besi tuang mekanik mempunyai sifat tahan gesekan, mempunyai kekuatan kejut yang tinggi dan dapat dikeraskan. b. Besi tuang grafit bola juga sering disebut dengan nama besi nodular atau besi ductile. Besi tuang ini mengandung grafit yang berbentuk bola bundar, bagian tepinya tidak tajam dan strukturnya lebih bersambung. Dengan adanya penambahan sedikit logam magnesium (Mg) pada besi cair sebelum penuangan, grafit akan berada dalam bentuk bola. 2.

Besi Tuang Putih Besi tuang putih mempunyai bidang patahan berwarna putih, yang disebabkan oleh sementit yang putih. Bahan baku untuk pembuatan besi tuang putih adalah besi kasar putih. Besi kasar putih memiliki kandungan silisium yang rendah kurang dari 0,5 % dan kadar mangan yang rendah. Karena kadar silisium yang rendah menyebabkan hanya terbentuk sementit dan pearlit. Dengan demikian besi tuang putih setelah didinginkan hanya terdiri atas pearlit dan sementit. Termasuk didalam kelompok besi tuang putih adalah sebagai berikut : Besi tuang tempa ada dua macam yaitu besi tuang black heart dan besi tempa white heart. Besi tuang tempa black heart dibuat dari besi tuang putih dengan kandungan  silisium yang rendah, dipanaskan hingga temperatur + 900 C, dalam dapur yang selalu bebas dari oksigen di sekitarnya. Besi tuang putih tersebut dimasukkan perlahan-lahan kedalam daerah pemanasan menggunakan rangka bakar yang bergerak. Waktu pemanasan selama + 48 jam. Pemanasan yang diperpanjang ini menyebabkan sementit hancur menjadi lapisan grafit yang kasar, karbon akan mengumpul seperti bunga mawar pada temper karbon. Permukaan pecahan tampak gelap karena kandungan karbon, sebab itulah besi tuang ini disebut black heart. Oleh karena strukturnya terdiri atas temper karbon dan ferrite, maka menjadi lunak dan ulet (ductile). Besi tuang tempa black heart sering digunakan dalam industri mobil karena campuran antara sifat tuangan tahan getaran dan dapat dikerjakan dengan mesin. Besi tuang tempa white heart dibuat dari besi tuang putih yang berkadar silisium  rendah. Dalam proses pembuatannya besi tuang putih ini dipanaskan hingga temperatur + 1000° C selama 100 jam dan dihubungkan pada bahan oksidasi, seperti misalnya bijih besi merah atau hemetit (Fe2O3). Selama proses pemanasan, karbon pada permukaan tuangan dioksidasikan oleh bijih hematite dan akan hilang sebagai gas karbon dioksi (CO2). Sesudah proses ini selesai pada bagian yang tipis hanya akan mengandung ferrit dan pada bagian pecahan akan memberikan warna besi putih yang disebut white heart. Proses pembuatan besi tuang tempa white heart ini cocok untuk mengerjakan bagian-bagian tipis yang dikehendaki keuletan tinggi. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011

Bahan Ajar Proses Perlakuan Logam Dasar 

2011

Besi tuang keras dibuat dari besi kasar kelabu yang memiliki kadar silisium yang tinggi antara 1,5 – 5,5 % dan kadar mangan yang rendah. Besi tuang keras mempunyai lapisan luar yang tahan aus dan sangat keras, tetapi bagian inti kurang keras dan kenyal. Pada proses pembuatannya, benda tuang didinginkan secara cepat pada bagian luarnya, sedangkan bagian intinya didinginkan secara perlahan-lahan. Untuk memperoleh kecepatan pendinginan yang besar pada bagian luar prose penuangan dilakukan dengan cara menuang ke dalam cetakan yang terbuat dari logam seluruhnya. Dengan cara pendinginan seperti ini benda tuang memperoleh lapisan luar yang terdiri atas besi tuang putih dan bagian inti yang terdiri atas baja tuang campuran sampai ferrit. Besi tuang keras banyak dipakai untuk pembuatan rol pada mesin cetak, mesin gilingan padai, dan mesin penggiling karet.

H. Baja Tuang Baja tuang adalah baja yang dituang dalam bentuk tertentu, setelah proses penungan selesai, benda tuang dipanasi hingga temperaturnya antara 800° – 900° C kemudian didinginkan secara cepat pada temperatur 700° C dan akhirnya didinginkan perlahan-lahan hingga diperoleh struktur butiran yang halus. Baja tuang banyak digunakan untuk pembuatan mesin-mesin yang besar, seperti rumah turbin, sudu-sudu turbin, dan sebagai bagian - bagian motor bakar. Kadar karbon dari baja tuang biasanya lebih rendah dari pada kadar karbon dari besi tuang dan biasanya kurang dari 1,0 % C. sebagai unsure tambahan selain karbon, baja tuang mengandung 0,20 – 0,70 % Si, 0,5 – 1,0 % Mn, fosfor dibawah 0,06 % dan belerang dibawah 0,06 %. Struktur mikro baja tuang yang mempunyai kadar karbon kurang dari 0,8 % terdiri atas ferrit dan perlit, kadar karbon yang lebih tinggi akan menambah jumlah perlit. Apabila kadar karbon lebih besar dari 0,8 %, baja tuang ini akan terdiri atas perlit dan sementit yang terpisah, kadar karbon yang lebih tinggi akan menambah jumlah sementit. Sifat-sifat yang khas dari baja tuang adalah jika kandungan karbon bertambah kekuatannya bertambah, sedangkan perpanjangannya meningkat dan nilai tahan benturan berkurang, serta sukar di las. Penambahan mangan akan memberikan kekuatan tarik yang lebih tinggi. Penormalan akan memberikan butir-butir halus dan meningkatkan batas regang dan kekuatan tariknya. Perbaikan sifat-sifat baja tuang akan sangat nyata apabila kadar karbonnya lebih tinggi. Apabila baja tuang ditemper pada suhu 650° C setelah dilunakkan, maka batas mulur dan kekuatan tariknya akan menurun sedangkan perpanjangan dan pengecilan luasnya lebih baik. I.

Karakteristik Bahan Logam 1. Sifat Mekanis Yang dimaksud dengan sifat mekanis suatu logam adalah kemampuan atau kelakuan logam untuk menahan beban yang diberikan, baik beban statis atau beban dinamis pada suhu biasa, suhu tinggi maupun suhu dibawah 0°C. beban statis adalah beban yang tetap, baik besar maupun arahnya berubah menurut waktu. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

Beban statis dapat berupa beban tarik,, tekan lentur, puntir, geser, dan kombinasi dari beban tersebut. Sementara itu, beban dinamis dapat berupa beban tiba-tiba, berubah-ubah, dan beban jalar. Sifat mekanis logam meliputi kekuatan. Kekenyalan, keliattan, kekerasan, kegetasan, keuletan, tahan aus, batas penjalaran, dan kekuatan stress rupture. a. Sifat logam pada pembebanan tarik Bila suatu logam dibebani beban tarik maka akan mengalami deformasi, yaitu perubahan ukuran atau bentuk karena pengaruh beban yang dikenakan padanya. Deformasi ini dapat terjadi secara elastis dan secara plastis. Deformasi elastis, yaitu suuatu perubahan yang akan segera hilang kembali apabila beban ditiadakan. Deformasi plastis yaitu, suatu perubahan bentuk yang tetap ada meskipun bebanyang menyebabkan deformasi ditiadakan. b. Sifat logam pada pembebanan dinamis Bahan yang dibebani secara dinamis akan lelah dan patah, meskipun dibebani dibawah kekuatan statis. Kelelahan adalah gejala patah dari bahan disebabkan oleh beban yang berubah-ubah. Kekuatan kelelahan suatu logam adalah tegangan bolak-balik tertentu. Sementera itu, batas kelelahan adalah tegangan bolak-balik tertinggi yang dapat ditahan oleh logam itu sampai banyak balikan tak terhingga. c. Penjalaran Yang dimaksud dengan penjalaran adalah pertambahan panjang secara terus menerus pada beban yang konstan. Bila suatu bahan mengalami pembebanan tarik tertentu dan tetap maka pertambahan panjangnya mungkin tidak berhenti sampai bahan tersebut patah atau mungkin berhenti tergantung pada besarnya beban tarik tersebut.

d.

Sifat Logam Terhadap Beban tiba-tiba Bila deformasi mempunyai kecepatan regangan yang tinggi maka bahan umumnya akan mengalami patah getas, akibat bahan dikenai beban tiba-tiba. Untuk melihat sifat tersebut dilakukan percobaan pukul, yang dilakukan pada bahan uji dan diberikan tarikan menurut standar yang telah ditentukan. e. Sifat kekerasan Logam Kekerasan adalah ketahanan bahan terhadap deformasi plastis karena pembebanan setempat pada permukaan berupa goresan atau penekanan. Sifat ini banyak hubungannnya dengan sifat kekuatan, daya tahan aus, dan kemampuan dikerjakan dengan mesin (mampu mesin). Cara pengujian ada tiga macam yaitu: o Goresan o Menjatuhkan bola baja, dan o Penekanan f. Sifat penekanan



2011

Sifat ini hampir sama dengan sifat tarikan, untuk bahan getas besaran sifat tekanannya cenderung lebih tinggi dari sifat tariknya. Sebagai contoh, besi cor kelabu sifat tekanannya kira-kira empat kali lebih besar dari sifat tariknya. g. Sifat Logam terhadap Geser dan Puntir Pengujian geser suatu bahan akan sulit dilakukan dengan cara member beban berlawanan pada titik yang berlainan (tidak terletak pada suatu garis lurus dan salah satu arah beban), karena akan terjadi pembengkokan. Yang lebih praktis adalah memberikan beban punter pada sumbu suatu bahan yang berbentuk tabung. Pada pengujian ini besarnya tegangan geser tidak sama dari permukaan kepusat, tegangan geser di permukaan maksimum dan di sumbu nol. h. Sifat Redaman Logam Apabila suatu logam ditarik atau ditekan sehingga terjadi deformasi elastis, kemudian beban tersebut dihilangkan maka energi yang dibutuhkan untuk mengubah bentuk asal selalu lebih rendah dari energi untuk deformasi elastis, karena penekanan atau tarikan tersebut. Hal itu terjadi karena adanya tahanan dalam. Tahanan dalam adalah kemampuan logam untuk meredam beban atau getaran tiba-tiba. i. Sifat Plastis Sifat plastis adalah kemampuan suatu logam atau bahan dalam keadaan padat untuk dapat diubah bentuk yang tetap tanpa pecah. Sifat itu penting untuk dipertimbangkan dalam pengolahan bentuk suatu logam. Kebanyakan logam pada suhu tinggi mempunyai sifat plastis yang baik dan cenderung bertambah dngan kenaikan suhu. Logam yang tidak plastis pada suhu tinggi disebut getas panas, yaitu mudah retak karena deformasi disebabkan karena adanya suatu beban pada suhu tersebut. Bila gejala ini terjadi pada suhu kamar biasa disebut getas dingin. 2. Sifat Fisik Sifat fisik adalah sifat bahan karena mengalami peristiwa fisika, seperti adanya pengaruh panas dan listrik. a. Sifat karena pengaruh panas antara lain mencair, perubahan ukuran, dan struktur karena proses pemanasan. b. Sifat listrik yang terkenal adalah tahanan dari suatu bahan terhadap aliran listrik atau sebaliknya sebagai daya hantar listrik. 3. Sifat Pengerjaan atau Sifat Teknologis Sifat pengerjaan logam adalah sifat suatu bahan yang timbul dalam proses pengolahannya. Sifat itu harus diketahui lebih dahulu sebelum pengolahan bahan dilakukan. Pengujian yang dilakukan antara lain pengujiian mampu las, mampu mesin, mampu cor, dan mampu keras. 4. Sifat Kimia Sifat kimia dari suatu bahan mencakup kelarutan bahan tersebut pada larutan asam, basa atau garam, dan pengoksidasian bahan tersebut. Hampir semua sifat kimia erat hubungannya dengan kerusakan secara kimia. Kerusakan tersebut berupa gejala korosi. Hal ini sangat penting dalam praktek. Sifat kimia dibagi menjadi 2 yaitu: [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

a. Tahan oksidasi. b. Tahan terhadap bahan kimia.

3. Perlakuan Panas Pada Besi dan Baja A. Pengertian Perlakuan Panas Perlakuan panas adalah proses pada saat bahan dipanaskan hingga suhu tertentu dan selanjutnya didinginkan dengan cara tertentu pula. Tujuannya adalah untuk mendapatkan sifat-sifat yang lebih baik dan yang diinginkan sesuai dengan batas-batas kemampuannya. Sifat yang berhubungan dengan maksud dan tujuan perlakuan panas tersebut meliputi : 1. Meningkatnya kekuatan dan kekerasannya. 2. Mengurangi tegangan. 3. Melunakkan . 4. Mengembalikan pada kondisi normal akibat pengaruh pengerjaan sebelumnya. 5. Menghaluskan butir kristal yang akan berpengaruh terhadap keuletan bahan. Menurut jenisnya dari perlakuan panas digolongkan menjadi tiga macam yaitu : 1. Hardening (mengeraskan) juga sering disebut dengan istilah menyepuh keras atau mengeraskan sepuh. 2. Tempering (memudakan) yaitu mendinginkan secara cepat bahan yang telah dikeraskan dengan maksud mengurangi kekerasannya. 3. Annealing (melunakan) yaitu memanaskan bahan yang telah dikeraskan agar kekerasanya berkurang tetapi kekuatanya meningkat. Menurut proses yang terjadi pada perlakuan panas dapat dibagi menjadi empat tingkatan. Tingkat I : Pemanasan rekristalisasi adalah untuk membebaskan tegangan dalam, mengurangi kekerasan dan untuk meningkatkan keuletan dari bahan yang mengalami pengolahan pengerasan. Pada mulanya dengan menaikan suhupemanasannya, kemudian kerusakan elastisitas dari kristal bahan dihilangkan. Pada suhu yang lebih tinggi akan terbentuk butir-butir baru (rekristalisasi) akibatnya bahan menjadi lunak tetapi tetap memiliki keuletan yang tinggi. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011

Bahan Ajar Proses Perlakuan Logam Dasar Tingkat II

Tingkat III

Tingkat IV

2011

: Pemanasan penuh (full annealing)adalah rekristalisasi dari fase yang merupakan pemanasan campuran di atas suhu yang diperlukan untuk transformasi fase. Selanjutnya diikuti dengan pendinginan perlahanlahan. Dengan cara ini sifat mekanis akan berubah dan juga dapat menghaluskan struktur butirnya. : Pemanasan bahan di atas suhu transformasi fase dan selanjutnya didinginkan dengan cepat sekali pada suhu kamar. Sehingga terbentuk suatu fase yang stabil pada suhu tinggi, pengerasan dengan cara ini mengakibatkan terbentuknya susunan yang tidak stabil. : Tempering atau pemanasan kembali dari suatu bahan yang sudah dikeraskan hingga suatu suhu yang diperlukan dibawah perubahan fase dengan maksud mengembalikan keadaan bahan ke dalam fase yang stabil. Untuk keperluan pemanasan bahan dari proses perlakuan panas tersebut digunakan dapur-dapur pemanas. Satu hal yang penting dari kondisi dapur pemanas ini adalah pengukuran temperatur kerja harus secermat mungkin.

B. Dapur Pemanas Dapur pemanas benda kerja pada proses perlakuan panas menggunakan sumber panas dari listrik, minyak atau gas panas dari pembakaran kokas. Berikut ini ada beberapa jenis dapur pemanas : 1) Dapur Pemanas Kamar Dapur ini mempunyai ruangan bentuk kamar yang ditutup dengan sebuah pintu. didalam ruangan tersebut diletakan benda kerja yang akan dipanaskan. Sedangkan diluar kamar dilengkapi dengan beberapa alat pengatur panas dan pengontrol temperatur. Dapur pemanas kamar dapat digunakan untuk segala macam pengolahan panas. 2) Dapur Sepuhan Garam Dapur ini terdiri atas sebuah ruangan berbentuk bak atau bejana berisi cairan garam yang dipanaskan dengan temperatur yang dapat diatur dari tombol pengatur. Dalam cairan garam tersebut dimasukan benda kerja yang akan disepuh, dengan tercelupnya benda keja langsung ke dalam cairan garam tersebut, memungkinkan pemanasan benda kerja dengan cepat dan merata serta terhindar dari oksidasi, sebab tidak berhubungan dengan udara luar. Dapur ini dapat digunakan untuk segala macam perlakuan panas. 3) Dapur Bak Dapur ini berbentuk bak yang ditutup pada bagian atasnya. Didalam bak tersebut dimasukan benda yang akan dipanaskan dan panas yang dikenakan pada benda kerja dapat diatur atau diukur dari peralatan pengatur. Dapur pemanas jenis ini terutama digunakan untuk benda kerja yang akan dipijarkan dan dimurnikan. C. Bahan Pendingin Bahan pendingin yang digunakan didalam proses perlakuan panas antara lain air, minyak, udara dan garam. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

a. Air Pendinginan dengan menggunakan air akan memberikan daya pendingin yang cepat. Biasanya ke dalam air tersebut dilarutkan juga garam dapur sebagai usaha mempercepat turunya temperatur benda kerja dan mengakibatkan bahan menjadi tambah keras. b. Minyak Minyak yang digunakan sebagai fluida pendingin dalam perlakuan panas adalah yang dapat memberikan lapisan karbon pada permukaan benda kerja yang diolah. Selain minyak yang digunakan sebagai bahan pendingin pada proses perlakuan panas dapat juga digunakan minyak bakar atau solar. Pendinginan dengan minyak akan memberikan kecepatan pendinginan yang sedang dan warna yang mantap dari benda kerja yang diproses. c. Udara Pendinginan udara dilakukan untuk perlakuan panas yang membutuhkan pendinginan lambat. Untuk keperluan tersebut udara yang disirkulasikan ke dalam ruangan pendingin dibuat dengan kecepatan yang rendah. Udara sebagai pendingin akan memberikan kesempatan kepada logam untuk membentuk kristal-kristal dan kemungkinan mengikat unsure-unsur lain dari udara. d. Garam Garam dipakai sebagai bahan pendingin disebabkan memiliki sifat mendinginkan yang teratur dan cepat. Bahan yang didinginkan didalam cairan garam akan mengakibatkan ikatanya menjadi lebih keras karena pada permukaan benda kerja tersebut akan mengikat zat arang. D. Diagram TTT (Time Temperature Transformation) Untuk mendapatkan sifat-sifat bahan yang lebih baik sesuai dengan karakter yang diinginkan dapat dilakukan melalui pemanasan dan pendinginan. Tujuannya adalah mengubah struktur mikro sehingga bahan dikeraskan, dimudahkan atau dilunakan. Pemanasan bahan dilakukan diatas garis transformasi kira-kira pada 700 C sehingga perlit berubah menjadi austenit yang homogen karena terdapat cukup karbon. Pada suhu yang lebih tinggi ferrit menjadi austenit karena atom karbon difusi ke dalam ferrit tersebut. Untuk pengerasan baja, pendinginan dilakukan dengan cepat melalui pencelupan kedalam air, minyak atau bahan pendingin lainnya sehingga atom-atom karbon yang telah larut dalam austenit tidak sempat membentuk sementit dan ferrit akibatnya austenit menjadi sangat keras yang disebut martensit.



2011

Gambar 10. Diagram TTT Pada baja setelah terjadi austenit dan ferrit kadar karbonya akan menjadi makin tinggi sesuai dengan penurunan suhu dan akan membentuk hipoeutektoid. Pada saat pemanasan maupun pendinginan difusi atom karbon memerlukan waktu yang cukup. Laju difusi pada saat pemanasan ditentukan oleh unsure-unsur paduanya dan pada saat pendinginan cepat austenit yang berbutir kasar akan mempunyai banyak martensit. Fase kristal dan besarnya butir yang terjadi akan membentuk sifat baja. Apabila ferrit dan sementit didalam perlit berbutir besar, maka baja tersebut makin lunak sebagai akibat pendinginan lambat. Sebaliknya baja menjadi semakin keras apabila memiliki perlit berbutir halus yang diperoleh pada pendinginan cepat. Baja dengan unsure paduan aluminium, vanadium, titanium dan zirkonim akan cenderung memiliki kristal berbutir halus. Untuk memahami macam-macam fase dan struktur kristal yang terjadi pada saat pendinginan dapat diamati dari diagram TTT . Fasa austenit stabil berada di atas suhu 7700 C. pada suhu yang lebih rendah akan terbentuk martensit dan mulai suhu tersebut martensit sudah tidak tergantung pada kecepatan pendinginan. Struktur bainit akan terbentuk setelah terbentuknya ferrit dan sementit. Jadi campuran antara ferrit dan sementit adalah bainit seperti pada perlit. Perbedaan antara bainit dengan perlit adalah bentuknya halus sedangkan perlit kasar. Diagram TTT dipengaruhi oleh kadar karbon dalam baja, makin besar kadar karbonya maka diagramnya akan semakin bergeser kekanan, demikian pula dengan unsure paduan lainya. Apabila baja dipanaskan sampai [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

terbentuknya austenit, pendinginan akan berlangsung terus menerus tidak isotermal biarpun dilakukan dengan berbagai media pendingin.

E. PROSES PERLAKUAN PANAS PADA BAJA. 1) Pelunakan (Annealing) Pelunakan atau proses anil adalah pemanasan bahan hingga suhu tertentu dan mempertahankannya untuk beberapa waktu. Pada suhu tersebut selanjutnya didinginkan perlahan-lahan. Tujuan dari perlakuan panas ini pada umumnya untuk membuat bahan berkurang kekerasanya dan biasanya dilakukan untuk pengerjaan lanjut. Gambar 11. Kurva pada proses anelling.

a) Proses anil untuk membebaskan tegangan Tujuanya adalah untuk mengurangkan tegangan dalam yang diakibatkan oleh pengerjaan dingin (laku pemesinan) maupun pengerjaan panas (tempa, rol dan las). Proses ini dilaksanakan untuk bermacam-macam baja, baja paduan, baja tuang dan besi tuang. Proses pemanasan bahan sampai suhu (550 – 650) 0 C, lalu mempertahankannya selama + 2 jam pada suhu tersebut, sehingga terbentuk struktur kristal baru, kemudian didinginkan. b) Memijar lunak(Soft Annealing) Memijar lunak juga dikenal dengan istilah speroidisasi atau proses anil untuk membentuk sementit yang berbentuk bola (spheroidical). Penggunaanya adalah untuk baja karbon tinggi, misalnya bantalan peluru. Tujuan dari proses ini adalah untuk meningkatkan ketangguhan baja yang rapuh yaitu dengan mengubah bentuk [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

lapisan sementit didalam perlit dan sementit. Pada beberapa jenis baja diperlukan adanya kadar karbida yang tinggi agar daya tahan ausnya meningkat. Struktur mikro perlit mempunyai ketangguhan yang rendah sekali sehingga dengan pemanasan tersebut akan diubah menjadi sementit yang berbutirbutir bulat (berbentuk bola). Prosedur pemanasan apabila struktur mulanya perlit adalah bahan dipanaskan selama 16 – 24 jam pada suhu dibawah suhu kritis bawah atau kira-kira 7000 C, lalu didinginkan perlahan-lahan diudara. Jika struktur mulanya martensit maka diperlukan pemanasan selama 1 – 2 jam pada suhu diatas titik kritis antara 723 - 7700 C, setelah itu didinginkan perlahan-lahan didalam dapur dengan laju pendinginan antara 25 – 300 C perjam.

Gambar 12. Dapur pemanas. c) Memijar normal (Normallizing) Baja konstruksi, baja canai atau bahan yang mengalami penempaan biasanya tidak memiliki struktur yang sama. Hal ini disebabkan jumlah beban yang tidak sama pada waktu proses dan perubahan bentuk pada waktu pendinginan yang tidak bersamaan dari penampang yang tebal dan tipis. Sehingga akan menghasilkan ukuran-ukuran yang tidak tetap pada waktu proses pemesinan. Guna memperbaiki dan menghaluskan struktur butiran dan membentuk struktur mikro agar terbentuk butir halus dan seragam, sehingga pengaruh dari pengerjaan dingin atau panas dapat dihilangkan, maka dilakukan normalisasi. Prosedur pemanasan dilakukan dengan memanaskan baja hingga 800 – 900° C terganung dari kadar karbon, semakin tinggi kadar karbon akan lebih rendah suhu pemanasanya, dengan kadar karbon dalam baja maksimum 0,83 %. Selanjutnya menahan pada suhu tersebut selama 1 – 2 jam lalu didinginkan sampai suhu + 60° C karena pada suhu tersebut terjadi austenitisasi dalam daerah austenit murni. Proses selanjutnya didinginkan perlahan-lahan dengan pendinginan udara guna mencegah timbulnya segresi praeutektoid yang berlebihan. Ferrit yang terlalu banyak dari baja hipereutektoid masuk ke dalam campuran padar dan tidak akan mengalami rekristalisasi. Oleh karena itu cara ini digunakan terutama untuk eutektoid dan baja hipereutektoid. Pemanasan diatas titik kritis menyebabkan rekristalisasi yang seragam. Adakalanya



2011

pemanasan yang terlalu tinggi dan pendinginan yang rendah akan membentuk susunan sementit dalam baja hipereutektoid. d) Memijar habis (Full Annealing) Pemanasan baja hipoeutektoid pada suhu 30 – 50° C di atas titik kritis atau austenitisasi 25 - 30° C di atas stabilitas ferrit terakhir dan menahanya pada suhu tersebut untuk beberapa waktu kemudian disusul dengan pendinginan di dalam dapur 30 – 20°C perjam sehingga austenite terurai menjadi perlit kasar. Produk menjadi cukup lunak sehingga dapat dikerjakan dengan mesin, tetapi keuletanya berkurang. Dengan kondisi tersebut pada saat laku pemesinan akan membentuk geram dengan baik. e) Homogenisasi Cara ini dilakukan untuk logam tuangan yang besar dan bentuknya yang rumit, untuk menyeragamkan komposisi bahan atau menghilangkan ketidak homogenan kimia di dalam kristal-kristal yang terpisah. Pada pembekuan benda padat pertama yang terbentuk tidak sama secara menyeluruh. Prosedur pemanasanya dilakukan pada suhu setinggi mungkin asalkan logam tidak mencair dan tidak menimbulkan pertumbuhan butir yang berlebihan pada suhu 1500 0 C. selanjutnya penahanan suhu pada 800 – 850° C selama 6 – 8 jam dan didinginkan perlahan-lahan dengan udara biasa. f) Isothermal Annealing Cara pemanasan yang dilakukan untuk perlakuan panas ini, baja dipanasi seperti pada annealing biasa, selanjutnya didinginkan dengan cepat sampai suhu + 80° C kemudian ditahan pada suhu tersebut selama waktu tertentu. Keuntungan utama dari cara ini adalah pengurangan waktu dari yang diperlukan untuk pemanasan baja paduan. 2) Pengerasan Baja Pengerasan baja disebut juga penyepuhan (quenching) atau sering dikatakan menyepuh baja. Menyepuh adalah memanaskan baja sampai temperatur tertentu, pada perubahan fase yang homogen dan dibiarkan beberapa waktu pada temperatur itu, kemudian didinginkan dengan cepat sehingga menimbulkan suatu susunan yang keras sampai terjadi struktur yang disebut martensit. Kadar karbon dari baja yang disepuh minimal 0,2 %, apabila kadar karbonnya kurang dari 0,2 % penyepuhan tidak ada gunanya, sebab tidak terbentuk martensit dan terlalu sedikit karbida besi sehingga baja tetap lunak. 3) Macam – macam pengerasan baja. Terdapat beberapa macam cara pengerasan baja yaitu sebagai berikut: a) Pengerasan penuh (full hardening). Pengerasan penuh adalah pengerasan baja dengan cara perlakuan panas terhadap baja agar memiliki kadar karbon yang tinggi sampai keras secara maksimum. b) Pengarbonan (carburizing). Pengarbonan adalah suatu proses pemanasan agar baja yang memiliki kadar karbon rendah menjadi keras pada lapisan luar atau memiliki kadar karbon tinggi pada lapisan luarnya. Proses ini biasanya mengeraska komponen – komponen [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

yang siap untuk dipakai atau diperdagangkan. Suhu yang dipakai antara 900°C 950 °C selama 3 – 6 jam. Hal ini untuk mendapatkan kadar karbon maksimum 2 % atau yang disebut struktur austenite. Pengarbonan dikerjakan berdasarkan pertimbangan: Kedalaman lapisan luar.  Ukuran komponen.  Jumlah produksi.  Proses pengarbonan dapat dilaksanakan dengan cara: 1) Superficial Hardening Cara ini untuk mengeraskan baja sehingga menjadi baja karbon tinggi pada permukaan luarnya. Ini dilakukan dengan memasukkan komponen kedalam larutan cyanide bath (ruang sianida). Keuntungan dari proses ini adalah: Tanpa ada perubahan bentuk (scaling).  Komponen – komponen kecil dapat dikerjakan dengan baik.  Komponen – komponen dapat dicelupkan dengan cepat dari molten salt  (tempat larutan cyanide bath) Kekerasan lapisan baja yang dapat dicapai kira – kira 0,25 – 0,5 mm. 2) Park hardening. Cara ini digunakan untuk mengeraskan baja permukaan baja dari bahan baja karbon dengan jalan memasukkan komponen – komponen kedalam boks (kotak) yang terbuat dari baja paduan. Kemudian dimasukkan kedalam dapur pemanas, dengan pemanasan antara 900°C - 950°C selama 6 – 8 jam kemudian didinginkan pelan – pelan. Kekerasan lapisan baja yang dapat di capai kira – kira 1 mm.

Gambar 12. Proses pack karburizing. 3) Obtaining soft parts on carburiseel components. Cara ini mengeraskan permukaan baja tertentu saja karena sebagian daerah masih diperlukan pengerjaan lanjut. c) Penitriding (Nitriding). [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

Menitrid sama dengan pengarbonan yang tujuannya adalah mengeraskan permukaan. Dalam proses ini benda – benda pekerjaan dipijarkan selam 2 hari dalam cairan amoniak pada suhu 500°C. zat lemas dan cairan garam ini diserap oleh lapisan permukaan benda – benda pekerjaan sehingga dalam pemijaran telah menjadi keras dan tidak perlu dikejutkan.lapisan permukaan yang telah diperkeras adalah tahan karat sehingga menitrid banyak dipakai untuk alat – alat pengukur dan lapisan – lapisan silinder pada motor.

Gambar 13. Proses nitriding. Baja karbon rendah biasanya jarang diproses dengan nitriding, baja paduan dari 1 % alumunium, 1,5 % khrom dan 0,2% molidenum adalah bahan yang banya di nitriding. Kekerasan yang dapat dicapai kira – kira 0,7 mm dengan keuntungan benda kerja yang di nitriding tidak perlu dikerjakan lagi, jadi langsung dapat dipakai. d) Sianida (cyaniding) Cyaniding adalah suatu proses mengeraskan permukaan baja dengan menggunakan larutan sianida e) Pengerasan nyala (flame hardening). Pada pengerasan nyala, benda kerja sebagian dipanaskan dengan cepat oleh nyala api kemudian langsung didinginkan. Disinai hanya permukaan dari benda kerja yang dikeraskan, jadi bagian intinya tetap ulet. Nyala api biasanya diperoleh dengan bantuan alat pembakar gas yang dikonstruksikan secara khusus. Karena tempat yang akan di sepuh itu lebih besar dari alat pembakar, maka benda kerja atau alat pembakar harus digerakkan. Kadang – kadang keduanya harus digerakkan. Dibelakang alat pembakar terdapat semprotan air yang langsung mendinginkan benda kerja setelah dipanaskan. Pengerasan dengan nyala api biasanya digunakan untuk [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

baja tuang dan besi tuang, juga baja dengan 0,4%C – 0,7%C atau medium carbon steel dan baja – baja paduan. Kekerasan yang dapat dicapai kira – kira 0,8 mm.

Gambar 14. Proses pengerasan nyala. f)

Pengerasan induksi. Pada pengerasan induksi, benda kerja pada bagian tertentu dipanaskan secara cepat dengan jalan induksi kemudian didinginkan dengan cepat pula. Dengancata demikian hanya permukaan benda kerja yang dikeraskan sedangkan bagian intinya tetap ulet. Induksi ini diperoleh dengan bantuan sebuah kumparan yang dikonstruksikan secara khusus yang dihubungkan pada sumber arus frekuensi tinggi.

Gambar 15. Proses pengerasan induksi. 4) Proses perlakuan panas. a) Pemudaan baja (menemper) Penemperan adalah proses pemanasan kembali baja yang telah dikeraskan sampai temperatur tertentu dibawah suhu 721°C dengan tujuan mengurangi kekerasan baja. Pada pengerasan baja didalam struktur martensit yang sangat keras adakalanya tidak dapat dipakai karena terlalu berlebihan kekerasanya dan terlalu getas. Untuk mengatasi kekerasan baja yang berlebihan tersebut dilakukan tempering. Sehingga kekerasannya dapat dikurangi sampai pada kekerasan [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

yang dibutuhkan dan membuat baja menjadi tidak getas. Pemanasan yang dilakukan adalah antara (200 – 700 °C). dalam hal ini martensit yang terjadi berangsur – angsur berubah menjadi fase sementit yang bulat dapam fase matriks ferit. Makin tinggi suhu pemanasan, makin besar butiran sementit dan ferit terbentuk struktur itu disebut sorbit atau martensit bulat. Sorbit dapat dikatakan sebagai tingkat pengalihan ynag terakhir sebelum perlit. Ketika dipanaskan terjadi pembesaran volume, sehingga apabila bahan dikejutkan ke dalam air mungkin bahan tersebut menjadi retak atau patah pada benda kerja yang bentuknya tidak teratur. Untuk mengatasinya dilakukan pengejutan yang kurang kuat didalam minyak, gliserin yang diencerkan dengan air, atau garam. b) Memurnikan Memurnikan atau memuliakan adalah memanaskan baja yang telah disepuh hingga mencapai suhu 600 – 700°C. pekerjaan ini dilakukan pada jenis jenis baja yang sangat rendah kadar karbonya untuk menambah kekuatan dan keliatanya, misalnya pada bagian-bagian mesin yang mengalami muatan berubah-ubah. Namun dengan benda kerja yang telah dimurnikan dan dikerjakan lagi dengan jalan penempaan atau pemijaran akanmerusakan proses pemurnianya, oleh karena itu permunian dilakukan apabila benda kerja telah dikerjakan terlebih dahulu. c) Mengadikan Mengadikan adalah menyepuh keras baja paduan. Prosedur ini lebih sulit dari pada baja zat arang biasa. Pada umumnya perlakuan panas ini tidak dapat menggunakan air sebagai media pendingin, karena pendingin dengan air berlangsung sangat cepat, sehingga baja paduan tersebut akan menjadi pecah. Untuk mengatasi hal ini pendingin yang digunakan adalah minyak yang sudah dipanaskan + 100 – 150 °C. dengan demikian baja paduan yang diproses akan menjadi sangat keras dan sangat liat. c. Rangkuman 1. Perlakuan panas adalah proses pada saat bahan dipanaskan hingga suhu tertentudan selanjutnya didinginkan dengan cara tertentu. 2. Tujuan perlakuan panas adalah untuk mendapatkan sifat-sifat yang lebih baik dan yang diinginkan sesuai dengan batas-batas kemampuan logam. sebelumnya. 3. Menurut jenisnya dari perlakuan panas digolongkan menjadi tiga macam yaitu : Hardening (mengeraskan), tempering (memudakan), dan annealing (melunakan) baja. 4. Untuk keperluan pemanasan bahan logam dari proses perlakuan panas tersebut digunakan dapur-dapur pemanas. Satu hal yang penting dari kondisi dapur pemanas ini adalah pengukuran temperatur kerja harus secermat mungkin. 5. Dapur pemanas benda kerja pada proses perlakuan panas menggunakan sumber panas dari listrik, minyak atau gas panas dari pembakaran kokas. 6. Bahan pendingin yang digunakan didalam proses perlakuan panas antara lain air, minyak, udara dan garam. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

7. Pendinginan dengan minyak akan memberikan kecepatan pendinginan yang sedang dan warna yang mantap dari benda kerja yang diproses. 8. Untuk mendapatkan sifat-sifat bahan yang lebih baik sesuai dengan karakter yang diinginkan, dapat dilakukan melalui pemanasan dan pendinginan. Tujuannya adalah mengubah struktur mikro sehingga bahan dikeraskan, dimudahkan atau dilunakan. 9. Untuk memahami macam-macam fase dan struktur kristal yang terjadi pada saat pendinginan besi/baja dapat diamati dari diagram TTT . 10. Pengerasan baja disebut juga penyepuhan (quenching) atau sering dikatakan menyepuh baja.

4. KOROSI a. Definisi Korosi adalah kerusakan atau degradasi logam akibat reaksi redoks dengan suatu logam dengan berbagai zat di lingkungannya yang menghasilkan senyawa-senyawa yang tidak dikehendakinya. Korosi merupakan proses atau reaksi elektrokimia yang bersifat alamiah yang berlangsung dengan sendirinya, oleh karena itu korosi tidak dapt dikendalikan atau lajunya diperlambat sehingga memperlambat proses perusakannya. Contoh korosi yang paling lazim adalah perkaratan besi. Rumus kimia dari karat besi adalah Fe2O3.xH2O. Kondisi alam Indonesia yang beriklim tropis, dengan tingkat humanitas dan dekat dengan laut adalah faktor yang dapat mempercepat proses korosi. Kerugian yang dapat ditimbulkan oleh korosi tidak hanya biaya langsung seperti [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

pergantian peralatan industri, perawatan jembatan, konstruksi dan sebagainya, tetapi juga biaya tidak langsung seperti terganggunya proses produksi dalam industri serta kelancaran transportasi yang umumnya lebih besar dibandingkan biaya langsung. Faktor yang berpengaruh terhadap korosi dapat dibedakan menjadi dua, yaitu: a. berasal dari bahan itu sendiri, Faktor dari bahan meliputi kemurnian bahan, struktur bahan, bentuk kristal, unsur-unsur kelumit yang ada dalam bahan, teknik pencampuran bahan dan sebagainya b. Lingkungan, Faktor dari lingkungan meliputi tingkat pencemaran udara, suhu, kelembaban, keberadaan zat-zat kimia yang bersifat korosif dan sebagainya. Bahan-bahan korosif terdiri atas asam, basa serta garam, baik dalam bentuk senyawa an-organik maupun organik. Flour, hidrogen fluorida beserta persenyawaanpersenyawaannya dikenal sebagai bahan korosif. Dalam industri, bahan ini umumnya dipakai untuk sintesa bahan-bahan organik. Ammoniak (NH3) merupakan bahan kimia yang cukup banyak digunakan dalam kegiatan industri. Pada suhu dan tekanan normal, bahan ini berada dalam bentuk gas dan sangat mudah terlepas ke udara. Ammoniak dalam kegiatan industri umumnya digunakan untuk sintesa bahan organik, sebagai bahan anti beku di dalam alat pendingin, juga sebagai bahan untuk pembuatan pupuk. Aneka partikel aerosol, debu serta gas-gas asam seperti NOx dan SOx dapat berubah menjadi asam nitrat (HNO3) dan asam sulfat (H2SO4) di udara. Oleh sebab itu, udara menjadi terlalu asam dan bersifat korosif dengan terlarutnya gas-gas asam tersebut di dalam udara. Dalam lingkungan dengan tingkat pencemaran tinggi, aneka barang mulai dari komponen elektronika renik sampai jembatan baja semakin mudah rusak, bahkan hancur karena korosi.

Gambar 16. Korosi pada logam b. Pencegahan Kerugian yang cukup besar akibat proses pengaratan mengharuskan adanya upaya-upaya pencegahan terjadinya karat. Prinsip pencegahan nya dengan cara melindungi besi dan penyebab terjadinya karat. dilihat dari faktor-faktor yang memengaruhi proses pengaratan besi, banyak cara pencegahan yang dapat dilakukan, seperti modifikasi lingkungan, modifikasi besi, proteksi katodik, dan pelapisan.  Cara modifikasi lingkungan. Oksigen (O 2) dan kelembaban udara merupakan faktor penting dalam proses pengaratan, mengurangi kadar oksigen atau menurunkan kelembaban udara dapat memperlambat proses pengantaraan. Sebagai contoh, kelembaban di dalam gudang dapat dikurangi dengan [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011

Bahan Ajar Proses Perlakuan Logam Dasar 





2011

mendinginkan gudang menggunakan pengondisi udara (Air Conditioner / AC). Cara modifikasi besi. Ketika besi membentuk alloy (logam campuran) dengan unsur-unsur tertentu, besi akan lebih tahan terhadap pengaratan. Baja (alloy dari besi) mengandung 11 % - 12 % kromium dan sedikit mengandung karbon, disebut stainless steel. Baja ini ini tahan karat dan sering digunakan dalam industri, untuk bahan kimia, dan di rumh tangga. Cara proteksi katodik. Jika logam besi dihubungkan dengan seng, besi tersebut akan sukar mengalami korosi. Hal ini disebabkan seng lebih mudah teroksidasi dibandingkan dengan besi. Potensi reduksi besi adalah E°Zn2+|Zn = -0.76V, lebih negatif dari pada potensi reduksi besi, yaitu sebesar E°Fe2+|Fe = -0.44V. Seng akan beraksi dengan oksigen dan air dalam lingkungan yang mengandung karbon dioksida. Seng karbonat yang terbentuk berfungsi melindungi seng itu sendiri dari korosi. Cara perlindungan logam seperti ini disebut cara proteksi katodik (Katode Pelindung). Selain seng (Zn), logam magnesium (Mg) yang termasuk alkali tanah, banyak digunakan untuk keperluan ini. Cara pelapisan. Jika logam besi dilapisi tembaga atau timah, besi akan terlindung dari korosi. Sebab logam Cu (E°Cu2+|Cu = +0.34V) dan Sn( E°Sn2+|Sn =-0.14V) memiliki potensi reduksi yang lebih positif dari pada besi (E°Fe2+|Fe = -0.44V). Namun, bila lapisan ini bocor, sehingga lapisan tembaga atau timah terbuka, besi akan mengalami korosi yang lebih cepat. Selain dengan tembaga dan timah, besi juga dapat dilapisi dengan logam lain yang sulit teroksidasi. Logam yang dapat digunakan adalah yang memiliki potensial reduksi lebih positif dibandingkan besi, seperti perak, emas, nikel, timah, tembaga, dan platina. Selain senyawa logam, pelapisan dapat pula menggunakan senyawa nonlogam. Proses pelapisan logam besi ini dapat dengan cara membersihkan besi terlebih dahulu, kemudian melapis dengan suatu zat yang sukar ditembus oleh oksigen, misalnya cat, gelas, plastik, atau vaselin (gemuk). Perlu diperhatikan, seluruh permukaan besi harus terlapis sempurna untuk menghindarkan kontak dengan oksigen. Proses pelapisan yang tidak sempurna dapat lebih berbahaya dibandingkan besi tanpa pelapis. Pengaratan dapat terjadi pada bagian yang tertutup sehingga tidak terdeteksi.

c. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Korosi Korosi pada permukaan suatu logam dapat dipercepat oleh beberapa faktor, antara lain: 1. Kontak Langsung logam dengan H 2O dan O2. Korosi pada permukaan logam merupakan proses yang mengandung reaksi redoks. Reaksi yang terjadi ini merupakan sel Volta mini. sebagai contoh, korosi besi terjadi apabila ada oksigen (O 2) dan air (H2O). Logam besi tidaklah murni, melainkan mengandung campuran karbon yang menyebar secara tidak merata dalam logam tersebut. Akibatnya menimbulkan perbedaan potensial listrik antara atom logam dengan atom karbon (C). Atom logam besi (Fe) bertindak [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

sebagai anode dan atom C sebagai katode. Oksigen dari udara yang larut dalam air akan tereduksi, sedangkan air sendiri berfungsi sebagai media tempat berlangsungnya reaksi redoks pada peristiwa korosi. Semakin banyak jumlah O2 dan H2O yang mengalami kontak denan permukaan logam, maka semakin cepat berlangsungnya korosi pada permukaan logam tersebut. Perhatikan animasi. berikut: animasi korosi besi 2. Keberadaan Zat Pengotor Zat Pengotor di permukaan logam dapat menyebabkan terjadinya reaksi reduksi tambahan sehingga lebih banyak atom logam yang teroksidasi. Sebagai contoh, adanya tumpukan debu karbon dari hasil pembakaran BBM pada permukaan logam mampu mempercepat reaksi reduksi gas oksigen pada permukaan logam. Dengan demikian peristiwa korosi semakin dipercepat.

Gambar 17. Korosi akibat zat pengotor. 3. Kontak dengan Elektrolit Keberadaan elektrolit, seperti garam dalam air laut dapat mempercepat laju korosi dengan menambah terjadinya reaksi tambahan. Sedangkan konsentrasi elektrolit yang besar dapat melakukan laju aliran elektron sehingga korosi meningkat.

Gambar 18. Korosi akibat elektrolit. 4. Temperatur [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

Temperatur mempengaruhi kecepatan reaksi redoks pada peristiwa korosi. Secara umum, semakin tinggi temperatur maka semakin cepat terjadinya korosi. Hal ini disebabkan dengan meningkatnya temperatur maka meningkat pula energi kinetik partikel sehingga kemungkinan terjadinya tumbukan efektif pada reaksi redoks semakin besar. Dengan demikian laju korosi pada logam semakin meningkat. Efek korosi yang disebabkan oleh pengaruh temperatur dapat dilihat pada perkakas-perkakas atau mesin-mesin yang dalam pemakaiannya menimbulkan panas akibat gesekan (seperti cutting tools ) atau dikenai panas secara langsung (seperti mesin kendaraan bermotor).

Gambar 19. Korosi akibat suhu tinggi. 5. pH Peristiwa korosi pada kondisi asam, yakni pada kondisi pH < 7 semakin besar, karena adanya reaksi reduksi tambahan yang berlangsung pada katode yaitu: 2H+(aq) + 2e- → H2 Adanya reaksi reduksi tambahan pada katode menyebabkan lebih banyak atom logam yang teroksidasi sehingga laju korosi pada permukaan logam semakin besar. 6. Metalurgi • Permukaan logam Permukaan logam yang lebih kasar akan menimbulkan beda potensial dan memiliki kecenderungan untuk menjadi anode yang terkorosi.

Gambar 20. Korosi akibat perbedaan potensial.



2011

• Efek Galvanic Coupling Kemurnian logam yang rendah mengindikasikan banyaknya atom-atom unsur lain yang terdapat pada logam tersebut sehingga memicu terjadinya efek Galvanic Coupling , yakni timbulnya perbedaan potensial pada permukaan logam akibat perbedaan E°antara atom-atom unsur logam yang berbeda dan terdapat pada permukaan logam dengan kemurnian rendah. Efek ini memicu korosi pada permukaan logam melalui peningkatan reaksi oksidasi pada daerah anode.

7. Mikroba Adanya koloni mikroba pada permukaan logam dapat menyebabkan peningkatan korosi pada logam. Hal ini disebabkan karena mikroba tersebut mampu mendegradasi logam melalui reaksi redoks untuk memperoleh energi bagi keberlangsungan hidupnya. Mikroba yang mampu menyebabkan korosi, antara lain: protozoa, bakteri besi mangan oksida, bakteri reduksi sulfat, dan bakteri oksidasi sulfur-sulfida. Thiobacillus thiooxidans Thiobacillus ferroxidans .

Gambar 21. Mikroba penyebab korosi d. Bentuk-Bentuk Korosi Bentuk-bentuk korosi dapat berupa; korosi merata, korosi galvanik, korosi sumuran, korosi celah, korosi retak tegang (stress corrosion cracking), korosi retak fatik (corrosion fatique cracking) dan korosi akibat pengaruh hidogen (corrosion induced hydrogen), korosi intergranular, selective leaching, dan korosi erosi. Korosi merata adalah korosi yang terjadi secara serentak diseluruh  permukaan logam, oleh karena itu pada logam yang mengalami korosi merata akan terjadi pengurangan dimensi yang relatif besar per satuan waktu. Kerugian langsung akibat korosi merata berupa kehilangan material konstruksi, keselamatan kerja dan pencemaran lingkungan akibat produk korosi dalam bentuk senyawa yang mencemarkan lingkungan. Sedangkan kerugian tidak [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011
















2011

langsung, antara lain berupa penurunan kapasitas dan peningkatan biaya perawatan (preventive maintenance). Korosi galvanik terjadi apabila dua logam yang tidak sama dihubungkan dan berada di lingkungan korosif. Salah satu dari logam tersebut akan mengalami korosi, sementara logam lainnya akan terlindung dari serangan korosi. Logam yang mengalami korosi adalah logam yang memiliki potensial yang lebih rendah dan logam yang tidak mengalami korosi adalah logam yang memiliki potensial lebih tinggi. Korosi sumuran adalah korosi lokal yang terjadi pada permukaan yang terbuka akibat pecahnya lapisan pasif. Terjadinya korosi sumuran ini diawali dengan pembentukan lapisan pasif dipermukaannya, pada antarmuka lapisan pasif dan elektrolit terjadi penurunan pH, sehingga terjadi pelarutan lapisan pasif secara perlahan-lahan dan menyebabkan lapisan pasif pecah sehingga terjadi korosi sumuran. Korosi sumuran ini sangat berbahaya karena lokasi terjadinya sangat kecil tetapi dalam, sehingga dapat menyebabkan peralatan atau struktur patah mendadak. Korosi celah adalah korosi lokal yang terjadi pada celah diantara dua komponen. Mekanisme terjadinya korosi celah ini diawalidengan terjadi korosi merata diluar dan didalam celah, sehingga terjadi oksidasi logam dan reduksi oksigen. Pada suatu saat oksigen (O2) di dalam celah habis, sedangkan oksigen (O2) diluar celah masih banyak, akibatnya permukaan logam yang berhubungan dengan bagian luar menjadi katoda dan permukaan logam yang didalam celah menjadi anoda sehingga terbentuk celah yang terkorosi. Korosi retak tegang (stress corrosion cracking), korosi retak fatik (corrosion fatique cracking) dan korosi akibat pengaruh hidogen (corrosion induced hydrogen) adalah bentuk korosi dimana material mengalami keretakan akibat pengaruh lingkungannya. Korosi retak tegang terjadi pada paduan logam yang mengalami tegangan tarik statis dilingkungan tertentu, seperti : baja tahan karat sangat rentan terhadap lingkungan klorida panas, tembaga rentan dilarutan ammonia dan baja karbon rentan terhadap nitrat. Korosi retak fatik terjadi akibat tegangan berulang dilingkungan korosif. Sedangkan korosi akibat pengaruh hidogen terjadi karena berlangsungnya difusi hidrogen kedalam kisi paduan. Korosi intergranular adalah bentuk korosi yang terjadi pada paduan logam akibat terjadinya reaksi antar unsur logam tersebut di batas butirnya. Seperti yang terjadi pada baja tahan karat austenitik apabila diberi perlakuan panas. Pada temperatur 425 – 815°C karbida krom (Cr23C6) akan mengendap di batas butir. Dengan kandungan krom dibawah 10 %, didaerah pengendapan tersebut akan mengalami korosi dan menurunkan kekuatan baja tahan karat tersebut. Selective leaching adalah korosi yang terjadi pada paduan logam karena pelarutan salah satu unsur paduan yang lebih aktif, seperti yang biasa terjadi pada paduan tembaga-seng. Mekanisme terjadinya korosi selective leaching [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011




2011

diawali dengan terjadi pelarutan total terhadap semua unsur. Salah satu unsur pemadu yang potensialnya lebih tinggi akan terdeposisi, sedangkan unsur yang potensialnya lebih rendah akan larut ke elektrolit. Akibatnya terjadi keropos pada logam paduan tersebut. Contoh lain selective leaching terjadi pada besi tuang kelabu yang digunakan sebagai pipa pembakaran. Berkurangnya besi dalam paduan besi tuang akan menyebabkan paduan tersebut menjadi porous dan lemah, sehingga dapat menyebabkan terjadinya pecah pada pipa. Korosi erosi adalah korosi yang terjadi adanya kombinasi antara fluida yang korosif dan kecepatan aliran yang tinggi, seperti yang terjadi pada pipa baja yang digunakan untuk mengalirkan uap yang mengandung air.Pengukuran laju korosi dapat dilakukan dengan berbagai cara. Pengukuran yang paling sederhana biasanya dilakukan dengan cara mengukur kehilangan logam (berdasarkan perbedaan beratnya). Meskipun demikian beberapa metoda pegukuran laju korosi yang dapat diterapkan antara lain adalah dengan mengukur ion logam yang terdapat dilingkungan, mengukur konduktivitas lingkungan, mengukur berat jenis lingkungan atau berdasarkan reaksi dengan metoda elektrokimia.

Gambar 22. Mind maping jenis korosi. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

5. PENGUJIAN LOGAM. A. Pengantar Tujuan dari dilakukannya suatu pengujian mekanis adalah untuk menentukan respon material dari suatu konstruksi, komponen atau rakitan fabrikasi pada saat dikenakan beban atau deformasi dari luar . Dalam hal ini akan ditentukan seberapa jauh perilaku inheren (sifat yang lebih merupakan ketergantungan atas fenomena atomik maupun mikroskopis dan bukan dipengaruhi bentuk atau ukuran benda uji) dari material terhadap pembebanan tersebut. Di antara semua pengujian mekanis tersebut, pengujian tarik merupakan jenis pengujian yang paling banyak dilakukan karena mampu memberikan informasi representatif dari perilaku mekanis material. B. Perilaku mekanik material Pengujian tarik yang dilakukan pada suatu material padatan (logam dan nonlogam) dapat memberikan keterangan yang relatif lengkap mengenai perilaku material tersebut terhadap pembebanan mekanis. Informasi penting yang bisa didapat adalah: 1) Batas proporsionalitas (proportionality limit) Merupakan daerah batas dimana tegangan dan regangan mempunyai hubungan proporsionalitas satu dengan lainnya. Setiap penambahan tegangan akan diikuti dengan penambaha n regangan secara proporsional dalam hubungan linier σ = E ε (bandingkan dengan hubungan y = mx ; dimana y mewakili tegangan; x mewakili regangan dan m mewakili slope kemiringan dari modulus kekakuan). Titik P pada Gambar 1.1 di bawah ini menunjukkan batas proporsionalitas dari kurva teganganregangan.



2011

Gambar 22. Kurva tegangan – regangan dari sebuah benda uji terbuat baja ulet 2) Batas elastis (elastic limit) Daerah elastis adalah daerah dimana bahan akan kembali kepada panjang semula bila tegangan luar dihilangkan. Daerah proporsionalitas merupakan bahagian dari batas elastik ini. Selanjutnya bila bahan terus diberikan tegangan (deformasi dari luar) maka batas elastis akan terlampaui pada akhirnya sehingga bahan tidak akan kembali kepada ukuran semula. Dengan kata lain dapat didefinisikan bahwa batas elastis merupakan suatu titik dimana tegangan yang diberikan akan menyebabkan terjadinya deformasi permanen (plastis) pertama kalinya. Kebanyakan material teknik memiliki batas elastis yang hampir berimpitan dengan batas proporsionalitasnya. 3) Titik luluh (yield point) dan kekuatan luluh (yield strength) Titik ini merupakan suatu batas dimana material akan terus mengalami deformasi tanpaadanya penambahan beban. Tegangan ( stress ) yang mengakibatkan bahan menunjukkan mekanisme luluh ini disebut tegangan luluh (yield stress ). Titik luluh ditunjukkan oleh titik Y pada Gambar 1.1 di atas. Gejala luluh umumnya hanya ditunjukkan oleh logam-logam ulet dengan struktur Kristal BCC dan FCC yang membentuk interstitial solid solution dari atom-atom carbon, boron, hidrogen dan oksigen. Interaksi antara dislokasi dan atom-atom tersebut menyebabkan baja ulet eperti mild steel menunjukkan titik luluh bawah ( lower yield point ) dan titik luluh atas (upper yield point ). Baja berkekuatan tinggi dan besi tuang yang getas umumnya tidak memperlihatkan batas luluh yang jelas. Untuk menentukan kekuatan luluh material seperti ini maka digunakan suatu metode yang dikenal sebagai Metode Offset . Dengan metode ini kekuatan luluh (yield strength ) ditentukan sebagai tegangan dimana bahan memperlihatkan batas penyimpangan/deviasi tertentu dari proporsionalitas tegangan dan regangan . Pada Gambar 1.2 di bawah ini garis offset OX ditarik paralel dengan OP, sehingga perpotongan XW dan kurva tegangan-regangan memberikan titik Y sebagai kekuatan luluh. Umumnya garis offset OX diambil 0.1 – 0.2% dari regangan total dimulai dari titik O.



2011

Gambar 23. Kurva tegangan – regangan dari benda uji terbuat dari bahan getas.

Kekuatan luluh atau titik luluh merupakan suatu gambaran kemampuan bahan menahan deformasi permanen bila digunakan dalam penggunaan struktural yang melibatkan pembebanan mekanik seperti tarik, tekan bending atau puntiran. Di sisi lain, batas luluh ini harus dicapai ataupun dilewati bila bahan (logam) dipakai dalam proses manufaktur produk- produk logam seperti proses rolling , drawing , stretching dan sebagainya. Dapat dikatakan bahwa titik luluh adalah suatu tingkat tegangan yang: Tidak boleh dilewati dalam penggunaan struktural ( in service )  Harus dilewati dalam proses manufaktur logam ( forming process )  4) Kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strength ) Merupakan tegangan maksiumum yang dapat ditanggung oleh material sebelum terjadinya perpatahan (fracture ). Nilai kekuatan tarik mak simum σ uts ditentukan dari beban maksium Fmaks dibagi luas penampang awal Ao .

Pada bahan ulet tegangan maksimum ini ditunjukkan oleh titik M (Gambar 1.1) dan selanjutnya bahan akan terus berdeformasi hingga titik B. Bahan yang bersifat getas memberikan perilaku yang berbeda dimana tegangan maksimum sekaligus tegangan perpatahan (titik B pada Gambar 1.2). Dalam kaitannya dengan penggunaan structural maupun dalam proses forming bahan, kekuatan maksimum adalah batas tegangan yang sama sekali tidak boleh dilewati . 5) Kekuatan Putus (breaking strength ) Kekuatan putus ditentukan dengan membagi beban pada saat benda uji putus (Fbreaking ) dengan luas penampang awal Ao . Untuk bahan yang bersifat ulet pada [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

saat beban maksimum M terlampaui dan bahan terus terdeformasi hingga titik putus B maka terjadi mekanisme penciutan (necking ) sebagai akibat adanya suatu deformasi yang terlokalisasi. Pada bahan ulet kekuatan putus adalah lebih kecil daripada kekuatan maksimum sementara pada bahan getas kekuatan putus adalah sama dengan kekuatan maksimumnya. 6) Keuletan (ductility ) Keuletan merupakan suatu sifat yang menggambarkan kemampuan logam menahan deformasi hingga terjadinya perpatahan. Sifat ini , dalam beberapa tingkatan, harus dimiliki oleh bahan bila ingin dibentuk ( forming ) melalui proses rolling , bending , stretching , drawing , hammering , cutting dan sebagainya. Pengujian tarik memberikan dua metode pengukuran keuletan bahan yaitu: Persentase perpanjangan (elongation)  Diukur sebagai penambahan panjang ukur setelah perpatahan terhadap panjang awalnya. Elongasi, ε (%) = [(Lf-Lo)/Lo] x 100% dimana Lf adalah panjang akhir dan Lo panjang awal dari benda uji. 

Persentase pengurangan/reduksi penampang (Area Reduction) Diukur sebagai pengurangan luas penampang (cross-section) setelah perpatahan terhadap luas penampang awalnya. Reduksi penampang, R (%) = [(Ao-Af)/Ao] x 100% dimana Af adalah luas penampang akhir dan Ao luas penampang awal.

7) Modulus elastisitas (E ) Modulus elastisitas atau modulus Young merupakan ukuran kekakuan suatu material. Semakin besar harga modulus ini maka semakin kecil regangan elastis yang terjadi pada suatu tingkat pembebanan tertentu, atau dapat dikatakan material tersebut semakin kaku (stiff ). Pada grafik tegangan-regangan (Gambar 1.1 dan 1.2), modulus kekakuan tersebut dapat dihitung dari slope kemiringan garis elastis yang linier, diberikan oleh: E = σ/ε atau E = tan α Dimana α adalah sudut yang dibentuk oleh daerah elastis kurva tegangan -regangan. Modulus elastisitas suatu material ditentukan oleh energi ikat antar atom-atom, sehingga besarnya nilai modulus ini tidak dapat dirubah oleh suatu proses tanpa merubah struktur bahan. Sebagai contoh diberikan oleh Gambar 1.3 di bawah ini yang menunjukkan grafik tegangan-regangan beberapa jenis baja:



2011

Gambar24. Grafik tegangan-regangan beberapa baja yang memperlihatkan kesamaan modulus kekakuan 8) Modulus kelentingan (modulus of resilience ) Mewakili kemampuan material untuk menyerap energi dari luar tanpa terjadinya kerusakan. Nilai modulus dapat diperoleh dari luas segitiga yang dibentuk oleh area elastik diagram tegangan- regangan pada Gambar 1.1. 9) Modulus ketangguhan (modulus of toughness ) Merupakan kemampuan material dalam menyerap energi hingga terjadinya perpatahan. Secara kuantitatif dapat ditentukan dari luas area keseluruhan di bawah kurva teganganregangan hasil pengujian tarik seperti Gambar 1.1. Pertimbangan disain yang mengikut sertakan modulus ketangguhan menjadi sangat penting untuk komponen-komponen yang mungkin mengalami pembebanan berlebih secara tidak disengaja. Material dengan modulus ketangguhan yang tinggi akan mengalami distorsi yang besar karena pembebanan berlebih, tetapi hal ini tetap disukai dibandingkan material dengan modulus yang rendah dimana perpatahan akan terjadi tanpa suatu peringatan terlebih dahulu. 10) Kurva tegangan-regangan rekayasa dan sesungguhnya Kurva tegangan-regangan rekayasa didasarkan atas dimensi awal (luas area dan panjang) dari benda uji, sementara untuk mendapatkan kurva tegangan-regangan sesungguhnya diperlukan luas area dan panjang aktual pada saat pembebanan setiap saat terukur. Perbedaan kedua kurva tidaklah terlampau besar pada regangan yang kecil, tetapi menjadi signifikan pada rentang terjadinya pengerasan regangan ( strain hardening ), yaitu setelah titik luluh terlampaui. Secara khusus perbedaan menjadi demikian besar di dalam daerah necking. Pada kurva tegangan-regangan rekayasa, dapat diketahui bahwa benda uji secara aktual mampu menahan turunnya beban [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

karena luas area awal Ao bernilai konstan pada saat penghitungan tegangan σ = P/Ao . Sementara pada kurva tegangan-regangan sesungguhnya luas area actual adalah selalu turun hingga terjadinya perpatahan dan benda uji mampu menahan peningkatan tegangan karena σ = P/A. Gambar 1.4 di bawah ini memperlihatkan contoh kedua kurva tegangan-regangan tersebut pada baja karbon rendah ( mild steel ).

Gambar 25. Perbandingan antara kurva tegangan-regangan rekayasa dan sesungguhnya dari baja karbon rendah (mild steel) C. Mode Perpatahan Material Sampel hasil pengujian tarik dapat menunjukkan beberapa tampilan perpatahan seperti diilustrasikan oleh Gambar 26 di bawah ini:

Gambar 26. Ilustrasi penampang samping bentuk perpatahan benda uji tarik sesuai dengan tingkat keuletan/kegetasan Perpatahan ulet memberikan karakteristk berserabut ( fibrous ) dan gelap (dull ), sementara perpatahan getas ditandai dengan permukaan patahan yang berbutir ( granular ) dan terang. Perpatahan ulet umumnya lebih disukai karena bahan ulet umumnya lebih tangguh dan memberikan peringatan lebih dahulu sebelum terjadinya kerusakan Pengamatan kedua tampilan perpatahan itu dapat dilakukan baik dengan mata telanjang maupun [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

dengan bantuan stereoscan macroscope . Pengamatan lebih detil dimungkinkan dengan penggunaan SEM (Scanning Electron Microscope ). 1) Perpatahan Ulet Gambar 27 di bawah ini memberikan ilustrasi skematis terjadinya perpatahan ulet pada suatu spesimen yang diberikan pembebanan tarik: Sangat ulet Sangat getas

Gambar 27. Tahapan terjadinya perpatahan ulet pada sampel uji tarik: (a) Penyempitan awal; (b) Pembentukan rongga-rongga kecil (cavity); (c) Penyatuan rongga-rongga membentuk suaturetakan; (d) Perambatan retak; (e) Perpatahan geser akhir pada sudut 45°.

Tampilan foto SEM dari perpatahan ulet diberikan oleh Gambar 1.7 berikut:



2011

Gambar 28. Tampilan permukaan patahan dari suatu sampel logam yang ditandai dengan lubang-lubang dimpel sebagai suatu hasil proses penyatuan rongga-rongga kecil (cavity) selama pembebanan berlangsung. 2) Perpatahan Getas Perpatahan getas memiliki ciri-ciri sebagai berikut: 1. Tidak ada atau sedikit sekali deformasi plastis yang terjadi pada material 2. Retak/perpatahan merambat sepanjang bidang-bidang kristalin membelah atomatom material (transgranular). 3. Pada material lunak dengan butir kasar (coarse-grain) maka dapat dilihat polapola yang dinamakan chevrons or fan-like pattern yang berkembang keluar dari daerah awal kegagalan. 4. Material keras dengan butir halus (fine-grain) tidak memiliki pola-pola yang mudah dibedakan. 5. Material amorphous (seperti gelas) memiliki permukaan patahan yang bercahaya dan mulus. Contoh perpatahan getas dari suatu benda uji berbentuk pelat diberikan oleh Gambar 29 di bawah ini. dimples



2011

Gambar 29. Perpatahan getas pada dua sampel logam berpenampang lintang persegi panjang (pelat). Sedangkan hasil foto SEM sampel dengan perpatahan getas diberikan oleh Gambar 30 pada halaman berikut ini:

Gambar 30. Foto SEM sampel dengan perpatahan getas. Perhatikan bentuk perambatan retak yang menjalar (a) memotong butir (transgranular fracture) dan (b) melalui batasbutir material (intergranular fracture) D. Pengujian tarik pada logam. Pengujian ini menghasilkan angka-angka dan ciri-ciri bahan terpenting pada kekuatan, keregangan dan kekenyalan. Dari bahan yang di uji dibuat sebuah batang coba (benda uji) dengan ukuran yang di standarisasikan, ditekan pada sebuah mesin uji tarik (gambar 1.1 dan 1.2) kemudian dibebani gaya tarik yang dinaikkan secara perlahan-lahan sampai bahan uji putus. Selama percobaan/pengujian beban dan regangan batang coba diukur terus menerus. Kedua besaran ini ditampilkan dalam sebuah gambar diagram (gambar 1.4). Skala tegak menunjukkan teggangan tarik dalam daN/mm2 dengan berpatokan pada [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

penampang batang semula, sedangkan skala mendatar menyatakan (perpanjangan) yang bersangkutan dalam prosentase terhadap panjang awal.

regangan

Gambar 31. Benda uji dan mesin untuk uji tarik. Ketika mesin uji tarik dinyalakan, dan beban dinaikkan perlahanlahan. Tergambar sebuah diagram pada kertas yang sudah ada disamping mesin tersebut. Pada diagram memperlihatkan lengkungan garis lurus miring, hal ini berati bahwa tegangan dan regangan naik sebanding (proporsional). Pada batas proporsionalitas (batas kesebandingan). Yaitu pada ujung atas garis lurus, maka harga orsinat menunjukkan harga tegangan sP. Jika beban terus ditingkatkan, maka akan dicapai batas elastisitas (batas kekenyalan) dengan tegangan s E. Jika pada saat ini batang dilepaskan dari tegangan, batang uji akan memegas kembali secara kenyal ke kedudukan semula ( panjang LO ) tanpa meninggalkan perubahan bentuk yang berarti. Tegangan yang menetap ini disebut tegangan elastis. Hal ini hanya boleh sampai setinggitingginya 0.01 % (gambar 1.3).



2011

Gambar 32. Kurva tegangan tarik suatu benda uji. Jika beban dinaikkan melampaui batas-batas kekenyalan (batas elastisitas), maka regangan membesar relatif lebih pesat dan lengkungan segera menunjukkan sebuah tekukan yang akan tampil semakin jelas, semakin ulet bahan tersebut. Tegangan sS dalam pengujian ini dinamakan batas rentang atau batas leleh. Hal ini merupakan angka ciri bahan yang penting, karena disini bahan uji untuk pertama kalinya mengalami kelonggaran menetap pada strukturnya yang dapat dikenal melalui munculnya wujudwujud leleh pada permukaan batang uji. Pada pembebanan yang ditingkatkan lebih lanjut, maka tegangan akan mencatat titik puncaknya seraya melajunya regangan batang uji. Batang uji telah mencapai pembebanan tertinggi, dan batang uji kini menyusut pada kedudukan yang nantinya merupakan tempat perpecahan. Hal ini dapat lagi menahan beban tertinggi dan terus meregang walaupun beban menukik, sampai batang uji putus pada batas perengutan (titik z). Tegangan tertinggi s B dalam (daN/mm2) atau (daN/cm2) yang berpatokan pada penampang batang semula, yang menghasilkan kekuatan tarik dari bahan uji. Regangan memanjang batang uji sampai saat perengutan (titik z) disebut regangan pecah dan diungkapkan (%) dari panjag semula L O. Contoh: batang uji ø 20 mm (penampang AO = 3,13cm2) panjang terukur LO = 200 mm. beban tertinggi yang terukur F = 12560 daN. panjang perengutan L=240 mm. hasil percobaan:



2011

E. PENGUJIAN KEKERASAN 1. Sasaran pembelajaran Setelah mempelajari teori dasar pengujian kekerasan ini mahasiswa mampu: a. Menjelaskan makna nilai kekerasan material dalam lingkup ilmu metalurgi dan ilmuilmu terapan lainnya b. Menjelaskan perbedaan antara pengujian kekerasan dengan metode gores, pantulan dan indentasi. c. Menjelaskan kekhususan pengujian kekerasan dengan metode Brinell, Vickers dan Rockwell. d. Mengaplikasikan beberapa formulasi dasar untuk memperoleh nilai kekerasan material dengan uji Brinell dan Vickers. 2. Pengantar Makna nilai kekerasan suatu material berbeda untuk kelompok bidang ilmu yang berbeda. Bagi insinyur metalurgi nilai kekerasan adalah ketahanan material terhadap penetrasi sementara untuk para insinyur disain nilai tersebut adalah ukuran dari tegangan alir, untuk insinyur lubrikasi kekerasan berarti ketahanan terhadap mekanisme keausan, untuk para insinyur mineralogi nilai itu adalah ketahanan terhadap goresan, dan untuk para mekanik work-shop lebih bermakna kepada ketahanan material terhadap pemotongan dari alat potong. Begitu banyak konsep kekerasan material yang dipahami oleh kelompok ilmu, walaupun demikian konsep-konsep tersebut dapat dihubungkan pada satu mekanisme yaitu tegangan alir plastis dari material yang diuji. 3. Prinsip pengujian Dari uraian singkat di atas maka kekerasan suatu material dapat didefinisikan sebagai ketahanan material tersebut terhadap gaya penekanan dari material lain yang lebih keras. Penekanan tersebut dapat berupa mekanisme penggoresan ( scratching ), pantulan ataupun indentasi dari material keras terhadap suatu permukaan benda uji. Berdasarkan mekanisme penekanan tersebut, dikenal 3 metode uji kekerasan:

a. Metode gores Metode ini tidak banyak lagi digunakan dalam dunia metalurgi dan material lanjut, tetapi masih sering dipakai dalam dunia mineralogi. Metode ini dikenalkan oleh Friedrich Mohs yang membagi kekerasan material di dunia ini berdasarkan skala (yang kemudian dikenal sebagai skala Mohs). Skala ini bervariasi dari nilai 1 untuk [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

kekerasan yang paling rendah, sebagaimana dimiliki oleh material talk, hingga skala 10 sebagai nilai kekerasan tertinggi, sebagaimana dimiliki oleh intan. Dalam skala Mohs urutan nilai kekerasan material di dunia ini diwakili oleh: 1. Talc 2. Gipsum 3. Calcite 4. Fluorite 5. Apatite 6. Orthoclase 7. Quartz 8. Topaz 9. Corundum 10. Diamond (intan) Prinsip pengujian: bila suatu mineral mampu digores oleh Orthoclase (no. 6) tetapi tidak mampu digores oleh Apatite (no. 5), maka kekerasan mineral tersebut berada antara 5 dan 6. Berdasarkan hal ini, jelas terlihat bahwa metode ini memiliki kekurangan utama berupa ketidak akuratan nilai kekerasan suatu material. Bila kekerasan mineralmineral diuji dengan metode lain, ditemukan bahwa nilai-nilainya berkisar antara 1-9 saja, sedangkan nilai 9-10 memiliki rentang yang besar. b. Metode elastik/pantul (rebound ) Dengan metode ini, kekerasan suatu material ditentukan oleh alat Scleroscope yang mengukur tinggi pantulan suatu pemukul ( hammer ) dengan berat tertentu yang dijatuhkan dari suatu ketinggian terhadap permukaan benda uji. Tinggi pantulan (rebound ) yang dihasilkan mewakili kekerasan benda uji. Semakin tinggi pantulan tersebut, yang ditunjukkan oleh dial pada alat pengukur, maka kekerasan benda uji dinilai semakin tinggi. c. Metode indentasi Pengujian dengan metode ini dilakukan dengan penekanan benda uji dengan indentor dengan gaya tekan dan waktu indentasi yang ditentukan. Kekerasan suatu material ditentukan oleh dalam ataupun luas area indentasi yang dihasilkan (tergantung jenis indentor dan jenis pengujian). Berdasarkan prinsip bekerjanya metode uji kekerasan dengan cara indentasi dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

1) Metode Brinell Metode ini diperkenalkan pertama kali oleh J.A. Brinell pada tahun 1900. Pengujian kekerasan dilakukan dengan memakai bola baja yang diperkeras (hardened steel ball ) dengan beban dan waktu indentasi tertentu, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 2.1. Hasil penekanan adalah jejak berbentuk lingkaran bulat, yang harus dihitung diameternya di bawah mikroskop khusus pengukur jejak. Contoh pengukuran hasil penjejakan diberikan oleh Gambar 2.2. Pengukuran nilai kekerasan suatu material diberikan oleh rumus:



2011

dimana P adalah beban (kg), D diameter indentor (mm) dan d diameter jejak (mm).

Gambar 33. skematis prinsip indentasi dengan metode brinell Prosedur standar pengujian mensyaratkan bola baja dengan diameter 10 mm dan beban 3000 kg untuk pengujian logam-logam ferrous, atau 500 kg untuk logam-logam non-ferrous. Untuk logam-logam ferrous, waktu indentasi biasanya sekitar 10 detik sementara untuk logamlogam non-ferrous sekitar 30 detik. Walaupun demikian pengaturan beban dan waktu indentasi untuk setiap material dapat pula ditentukan oleh karakteristik alat penguji. Nilai kekerasan suatu material yang dinotasikan dengan ‗HB‘ tanpa tambahan angka di belakangnya menyatakan kondisi pengujian standar dengan indentor bola baja 10 mm, beban 3000 kg selama waktu 1 —15 detik. Untuk kondisi yang lain, nilai kekerasan HB diikuti angka-angka yang menyatakan kondisi pengujian. Contoh: 75 HB 10/500/30 menyatakan nilai kekerasan Brinell sebesar 75 dihasilkan oleh suatu pengujian dengan indentor 10 mm, pembebanan 500 kg selama 30 detik.

Gambar 32. Hasil indentasi Brinellberupa jejak berbentuk lingkaran dengan ukuran diameter dalam skala mm. 2) Metode Vickers Pada metode ini digunakan indentor intan berbentuk piramida dengan sudut [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011


2011

136o, seperti diperlihatkan oleh Gambar 2.3. Prinsip pengujian adalah sama dengan metode Brinell, walaupun jejak yang dihasilkan berbentuk bujur sangkar berdiagonal. Panjang diagonal diukur dengan skala pada mikroskop pengujur jejak. Nilai kekerasan suatu material diberikan oleh:

dimana d adalah panjang diagonal rata-rata dari jejak berbentuk bujur sangkar.

Gambar 33. skematis prinsip indensitas dengan metode vikers. 3) Metode Rockwell Berbeda dengan metode Brinell dan Vickers dimana kekerasan suatu bahan dinilai dari diameter/diagonal jejak yang dihasilkan maka metode Rockwell merupakan uji kekerasan dengan pembacaan langsung ( direct-reading ). Metode ini banyak dipakai dalam industry karena pertimbangan praktis. Variasi dalam beban dan indetor yang digunakan membuat metode ini memiliki banyak macamnya. Metode yang paling umum dipakai adalah Rockwell B (dengan indentor bola baja berdiameter 1/6 inci dan beban 100 kg) dan Rockwell C (dengan indentor intan dengan beban 150 kg). Walaupun demikian metode Rockwell lainnya juga biasa dipakai. Oleh karenanya skala kekerasan Rockwell suatu material harus dispesifikasikan dengan jelas. Contohnya 82 HRB, yang menyatakan material diukur dengan skala B: indentor 1/6 inci dan beban 100 kg. Berikut ini diberikan Tabel 2.1 yang memperlihatkan perbedaan skala dan range uji dalam skala Rockwell:



2011

DAFTAR PUSTAKA Adnyana, 1993. Metalurgi Las (Welding Metalurgy), Institut Sain dan Teknologi Nasianal, Jakarta. Bangyo Sucahyo, 1999. Ilmu Logam, PT. Tiga Serangkai Pustaka Mandiri, Surakarta. Cubberly William H, 1983, Metals Handbook Ninth Edition Vol. 1 Properties and Selection Iron and Steels . American Society For Metals, New York. Hari Amanto dan Daryanto, 1999, Ilmu Bahan, Bumi Aksara, Jakarta. Yanmar Diesel. 1980. Buku Petunjuk Mesin Diesel Yanmar . PT. Yanmar Indonesia. Jakarta. [Type the company name] | KKN – PPL UNY 2011

Materi (Proses Perlakuan Logam Dasar)

Recommend Documents