Pages

Subscribe:

Pengikut

Senin, 03 Oktober 2011

Acep kotep

PENGERTIAN BAJA
Logam dan paduan berbasis besi adalah salah satu jenis bahan yang paling
banyak dan luas aplikasinya di bidang rekayasa. Besi atau Fe terdapat di alam
sebagai oksida atau bijih besi. Logam besi sebagian besar diperoleh melalui
serangkaian proses pemurnian dan reduksi bijih besi. Melalui proses ini
diperoleh lelehan besi mentah atau pig iron yang masih mengandung pengotorpengotor,
terutama, karbon, silkon, mangan, sulfur, dan fosfor.
Namun, logam Fe hampir tidak pernah digunakan untuk aplikasi rekayasa
dalam keadaan murni karena keterbatasan sifat-sifat mekaniknya. Paduan
berbasis besi (ferrous alloy) yang paling banyak digunakan untuk aplikasi
rekayasa adalah paduan besi-karbon dengan kandungan karbon tertentu
beserta unsur-unsur paduan lainya. Keberadaan unsur karbon di dalam larutan
padat Fe memiliki pengaruh yang signifikan terhadap peningkatan sifat-sifat
mekanik logam besi. Sebagai ilustrasi, nilai kekuatan luluh untuk Fe murni
dengan kadar karbon terlarut 0% hanyalah sekitar 3 Ksi dibandingkan dengan
30 Ksi pada kadar karbon terlarut 0.005% yang merupakan batas kelarutan
maksimum karbon di dalam larutan padat Fe. Penambahan karbon dan unsurunsur
paduan lain pada kadar yang lebih tinggi sangat penting di dalam
mendesain dan merekayasa sifat-sifat mekaniknya.
Baja karbon (carbon steel) adalah salah satu jenis logam paduan besi
karbon terpenting dengan prosentase berat karbon hingga 2,11%. Baja karbon
diklasifikasikan menjadi baja karbon (1) rendah (low), (2) sedangn
(medium), dan (3) tinggi (high) berdasarkan kadar karbon-nya. Jika
penambahan elemen-elemen lain selain karbon untuk tujuan-tujuan tertentu
cukup signifikan, maka baja diklasifikasikan sebagai baja paduan (alloy
steel) atau baja paduan rendah (low alloy steel). Jenis baja lainnya yang cukup penting adalah baja perkakas (tool steel) dan baja nirkarat
(stainless steel).
Selain baja, paduan berbasis besi karbon lain yang juga penting adalah besi
tuang atau besi cor (cast iron), yaitu besi dengan kadar karbon lebih dari
2,11% hingga 4-6%. Besi tuang diklasifikasikan lebih lanjut berdasarkan
struktur mikro dan sifat-sifatnya ke dalam besi tuang kelabu (grey cast iron),
besi tuang ulet atau nodular (ductile or nodular cast iron), besi tuang putih
(white cast iron), besi tuang mampu tempa (malleable cast iron).
Gambar 3-1 Proses Pembuatan Baja

Proses Pembuatan Baja

Proses pembuatan baja dimulai dengan proses ekstraksi bijih besi. Proses
reduksi umumnya terjadi di dalam tanur tiup (blast furnace) di mana di
dalamnya bijih besi (iron ore) dan batu gamping (limestone) yang telah
mengalami pemanggangan (sintering) diproses bersama-sama dengan kokas (cokes) yang berasal dari batubara. Serangkaian reaksi terjadi di dalam tanur
pada waktu dan lokasi yang berbeda-beda, tetapi reaksi penting yang
mereduksi bijih besi menjadi logam besi adalah sebagai berikut:
Fe2O3 + 3CO �� 2Fe + 3CO2
Luaran utama dari proses ini adalah lelehan besi mentah (molten pig iron)
dengan kandungan karbon yang cukup tinggi (4%C) beserta pengotor-pengotor
lain seperti silkon, mangan, sulfur, dan fosfor . Besi mentah ini belum dapat
dimanfaatkan secara langsung untuk aplikasi rekayasa karena sifat-sifat
(mekanis)-nya belum sesuai dengan yang dibutuhkan karena pengotorpengotor
tersebut. Besi mentah berupa lelehan atau coran selanjutnya dikirim
menuju converter yang akan mengkonversinya menjadi baja.
Proses pembuatan baja umumnya berlangsung di tungku oksigen-basa
(basic-oxygen furnace). Di dalam tungku ini besi mentah cair dicampur
dengan hingga 30% besi tua (scrap) yang terlebih dahulu dimasukkan ke dalam
tanur. Selanjutnya, oksigen murni ditiupkan dari bagian atas ke dalam leburan,
bereaksi dengan Fe membentuk oksida besi FeO. Beberapa saat sebelum
reaksi dengan oksigen mulai berlangsung, fluks pembentuk slag dimasukkan
dalam jumlah tertentu.
Oksida besi atau FeO selanjutnya akan bereaksi dengan karbon di dalam besi
mentah sehingga diperoleh Fe dengan kadar karbon lebih rendah dan gas
karbon monoksida. Reaksi penting yang terjadi di dalam tungku adalah sebagai
berikut:
FeO + C �� Fe + CO
Selama proses berlangsung (sekitar 22 menit), terjadi penurunan kadar karbon
dan unsur-unsur pengotor lain seperti P, S, Mn, dalam jumlah yang signifikan.

Diagram Fe-Fe3C

Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk memahami
struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon, suatu jenis logam paduan besi (Fe)
dan karbon (C). Karbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat (solid solution) hingga 0,05% berat pada temperatur ruang. Baja dengan atom
karbon terlarut hingga jumlah tersebut memiliki alpha ferrite pada temperatur
ruang. Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan terbentuk endapan karbon
dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe3C) yang dikenal
sebagai cementite atau carbide. Selain larutan padat alpha-ferrite yang dalam
kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase
penting lainnya, yaitu delta-ferrite dan gamma-austenite.
Logam Fe bersifat polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada
temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, alpha-ferrite akan berubah
menjadi gamma-austenite saat dipanaskan melewati temperature 910oC. Pada
temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400oC gamma-austenite akan kembali
berubah menjadi delta-ferrite. (Alpha dan Delta) Ferrite dalam hal ini memiliki
struktur kristal BCC sedangkan (Gamma) Austenite memiliki struktur kristal FCC.

Ferrite

Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (body centered
cubic). Ferrite dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperatur
ruang, yaitu alpha-ferrite atau pada temperatur tinggi, yaitu delta-ferrite.
Secara umum fase ini bersifat lunak (soft), ulet (ductile), dan magnetik
(magnetic) hingga temperatur tertentu, yaitu Tcurie. Kelarutan karbon di dalam
fase ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam fase
larutan padat lain di dalam baja, yaitu fase Austenite. Pada temperatur ruang,
kelarutan karbon di dalam alpha-ferrite hanyalah sekitar 0,05%.
Berbagai jenis baja dan besi tuang dibuat dengan mengeksploitasi sifat-sifat
ferrite. Baja lembaran berkadar karbon rendah dengan fase tunggal ferrite
misalnya, banyak diproduksi untuk proses pembentukan logam lembaran.
Dewasa ini bahkan telah dikembangkan baja berkadar karbon ultra rendah
untuk karakteristik mampu bentuk yang lebih baik. Kenaikan kadar karbon
secara umum akan meningkatkan sifat-sifat mekanik ferrite sebagaimana telah
dibahas sebelumnya. Untuk paduan baja dengan fase tunggal ferrite, faktor
lain yang berpengaruh signifikan terhadap sifat-sifat mekanik adalah ukuran
butir.

Austenite

Fase Austenite memiliki struktur atom FCC (Face Centered Cubic). Dalam
keadaan setimbang fase Austenite ditemukan pada temperatur tinggi. Fase ini
bersifat non magnetik dan ulet (ductile) pada temperatur tinggi. Kelarutan
atom karbon di dalam larutan padat Austenite lebih besar jika dibandingkan
dengan kelarutan atom karbon pada fase Ferrite. Secara geometri, dapat
dihitung perbandingan besarnya ruang intertisi di dalam fase Austenite (atau
kristal FCC) dan fase Ferrite (atau kristal BCC). Perbedaan ini dapat digunakan
untuk menjelaskan fenomena transformasi fase pada saat pendinginan
Austenite yang berlangsung secara cepat.

Baja Karbon

Baja karbon adalah paduan besi baja dengan elemen utama Fe dan C. Baja
karbon memiliki kadar C hingga 1.2% dengan Mn 0.30%-0.95%. Baja dengan
kadar karbon sangat rendah memiliki kekuatan yang relatif rendah tetapi
memiliki keuletan yang relatif tinggi. Baja jenis ini umumnya digunakan untuk
proses pembentukan logam lembaran. Dengan meningkatnya kadar karbon
maka baja karbon menjadi semakin kuat tetapi berkurang keuletannya. diklasifikasikan sebagai baja karbon menengah. Baja jenis ini digunakan secara
luas sebagai bahan poros (shaft) dan roda gigi (gear). Baja dengan kadar
karbon di atas 0,60% umumnya dikategorikan sebagai baja karbon tinggi.
Aplikasi dari baja karbon tinggi misalnya untuk pembuatan cetakan-cetakan
logam (dies, punch, block), kawat-kawat baja (kawat pegas, kawat musik,
kawat kekuatan tinggi), dan alat-alat potong (cutter, shear blade).
Beberapa jenis baja karbon, klasifikasi dan aplikasinya berdasarkan AISI-SAE
dapat dilihat pada Tabel 1-1.
Umumnya baja karbon (Plain Carbon Steel) diklasifikasikan menjadi (1) Baja
karbon rendah (Low Carbon Steel), (2) Baja karbon menengah (Medium Carbon
Steel), dan (3) Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel) berdasarkan prosentase
karbonnya. Baja AISI-SAE 1020-1040, dengan kadar karbon 0,4%-0,4%,
Telah dijelaskan sebelumnya bahwa sifat cementite atau carbide yang keras
dan getas berperan penting di dalam meningkatkan sifat-sifat mekanik baja.
Salah satu parameter penting yang menunjukkan hal tersebut, sebagaimana
telah dijelaskan sebelumnya adalah a mean ferrite path. A mean ferrite path
menunjukkan jarak antar cementite, baik pada pearlite maupun sphreodite.
Jarak antar carbide di dalam pearlite secara khusus dikenal sebagai
interlamellar spacing atau spasi antar lamel atau lembaran.
Selain kadar karbon, sifat-sifat mekanik baja karbon rendah dengan fase
tunggal ferrite (ferritic low carbon steel) ditentukan pula oleh dimensi atau
ukuran butir-butir ferrite. Secara umum diketahui bahwa baja dengan ukuran
butir lebih kecil akan memiliki kekuatan yang lebih tinggi pada suhu kamar.
Hubungan tersebut secara kuantitatif dikenal sebagai Persamaan Hall-Petch.
Gambar 3-9 menunjukkan hubungan antara akar kuadrat diameter butir ferrite
pada baja karbon rendah dengan fase ferrite.
210= + k d y y σ σ
Persamaan Hall-Petch ini sangat penting dalam menjelaskan hubungan antara
struktur mikro dan sifat-sifat baja. Hubungan ini dimanfaatkan di dalam
pemrosesan baja, yaitu dengan mengatur atau mengendalikan ukuran butir
untuk meningkatkan kekuatan baja. Penguatan baja dengan cara ini dilakukan melalui proses thermomekanika (thermomechanical process), proses perlakuan
panas (heat treatment), dan pemberian paduan mikro (micro alloying).
Untuk aplikasi proses pembentukan logam lembaran, sifat-sifat ferrite yang ulet
sangat penting. Diketahui bahwa keuletan adalah salah satu sifat intrinsik yang
penting. Namun, di samping %elongasi maksimum yang menggambarkan
keuletan baja karbon, terdapat parameter penting lain yang lebih
menggambarkan karakteristik mampu bentuk logam lembaran adalah nilai n
(koefisien pengerasan regangan) dan nilai r (rasio regangan plastis). Nilai n
secara umum menggambarkan kemampuan lembaran baja untuk
mendistribusikan regangan secara merata. Pada pengujian tarik dapat dilihat
dari besarnya regangan uniform yang mampu dicapai oleh logam. Nilai r secara
umum menggambarkan ketahanan logam lembaran terhadap penipisan. Dalam
hal ini, terhadap hubungan yang cukup kuat antara nilai r dan LDR atau batas
rasio penarikan logam lembaran. Nilai r terutama berhubungan dengan tekstur
kristalografi pada baja, yaitu adanya orientasi kristal yang lebih disukai
(preferred orientation). Di samping itu, dilaporkan pula terdapat hubungan
antara Lankford Value atau nilai r dengan ukuran besar butir.

Proses Perlakuan Panas Baja Karbon

Telah dijelaskan sebelumnya bahwa reaksi eutectoid sangat penting di dalam
mengendalikan struktur mikro baja. Dengan mengendalikan reaksi eutectoid,
dapat diperoleh 3 konstituen mikro penting yaitu: (1) pearlite, (2) bainite, dan
(3) (tempered) martensite.

Gambar 3-10 Tiga Konstituen Mikro Penting dari Baja Karbon.

Pearlite adalah suatu campuran lamellar dari ferrite dan cementite.
Konstituen ini terbentuk dari dekomposisi Austenite melalui reaksi eutectoid
pada keadaan setimbang, di mana lapisan ferrite dan cementite terbentuk secara bergantian untuk menjaga keadaan kesetimbangan komposisi eutectoid.
Pearlite memiliki struktur yang lebih keras daripada ferrite, yang terutama
disebabkan oleh adanya fase cementite atau carbide dalam bentuk lamel-lamel.
Gambar 3-11 Struktur Mikro dari Pearlite.

Gambar di atas menunjukkan struktur mikro pearlite dalam perbesaran lebih
tinggi. Daerah yang lebih terang pada gambar adalah ferrite sedangkan daerah
yang lebih gelap pada gambar adalah carbide atau cementite. Salah satu
contoh baja karbon yang memiliki struktur ini adalah kawat piano atau baja
AISI 1080 menurut standar SAE-AISI. Baja kawat piano dengan kadar karbon
0,8% dengan struktur pearlite seluruhnya memiliki kekuatan tarik (Tensile
Strength) sekitar 4,2 GPa. Bandingkan dengan kekuatan tarik Baja Karbon
Rendah (0,05%C) dengan struktur mikro Ferrite seluruhnya yang kekuatan
tariknya hanya 0,2 GPa.

Baja (Besi) Stainless


Logam stainless steel telah sering kita dengar atau pergunakan sehari-hari.
Sifat stainless yang tahan karat pun telah banyak yang mengetahuinya. Tetapi
mungkin tidak semua tahu bahwa stainless steel adalah hasil dari ’kesalahan’
yang membawa ’berkah’. Penulis mendengar ’cerita’ ini dari salah seorang
Professor di Sheffield. Sheffield adalah tempat pertama kali ditemukannya
logam Stainless. Saat itu Harry (1913), salah seorang peneliti di Sheffield,
sedang berkutat dengan penelitiannya untuk mengatasi masalah erosi pada
senapan laras panjang. Kesalahannya ’mencampur’ dan ’mengolah’ paduan
ternyata kemudian membawa ’berkah’. Suatu hari ia merasa heran karena di
bak sampahnya terdapat logam yang tetap bersih dan berkilap, sementara
logam-logam lainnya telah mulai berkarat. Kemudian diketahuinya bahwa
logam itu adalah salah satu paduan yang pernah ’dibuangnya’ saat melakukan
penelitian. Kelak diketahui bahwa besi dengan kadar Chromium 13% akan
membentuk lapisan film oksida yang bersifat protektif yang akan melindungi
logam dari korosi.
Paduan Fe-Cr adalah jenis logam Stainless paling sederhana yang berstruktur
dasar ferrite. Hal ini dapat kita pahami dengan mempelajari diagram
kesetimbangan fase Fe-Cr yang diperlihatkan pada Gambar 3-15. Chromium
adalah unsur penstabil ferrrite. Chromium dengan struktur BCC (sama dengan
Ferrite) akan memperluas daerah fase alpha dan mempersempit daerah fase
gamma. Akibatnya terbentuk loop Austenite yang membatasi daerah FCC dan
BCC. Dari Gambar 3-15 dapat dilihat bahwa pada paduan Fe-Cr dengan
kandungan Cr di atas 12% tidak terjadi transformasi fase Austenite ke Ferrite.
Dari temperatur ruang hingga ke titik leburnya Fasenya adalah ferrite.
Akibatnya, tidak dimungkinkan pula terjadi transformasi martensitik.
Baja karbon rendah atau sangat rendah, seperti telah dijelaskan sebelumnya,
banyak digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran, misalnya untuk
badan dan rangka kendaraan serta komponen-komponen otomotif lainnya.
Baja jenis ini dibuat dan diaplikasikan dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite.
Ferrite adalah salah satu fasa penting di dalam baja yang bersifat lunak dan
ulet. Baja karbon rendah umumnya memiliki kadar karbon di bawah komposisi
eutectoid dan memiliki struktur mikro hampir seluruhnya ferrite. Pada
lembaran baja kadar karbon sangat rendah atau ultra rendah, jumlah atom
karbon-nya bahkan masih berada dalam batas kelarutannya pada larutan padat
sehingga struktur mikronya adalah ferrite seluruhnya (Gambar 3-5). Hingga Selain pada temperatur tinggi, Austenite pada sistem Ferrous dapat pula
direkayasa agar stabil pada temperatur ruang. Elemen-elemen seperti Mangan
dan Nickel misalnya dapat menurunkan laju transformasi dari gamma-austenite
menjadi alpha-ferrite. Dalam jumlah tertentu elemen-elemen tersebut akan
menyebabkan Austenite stabil pada temperatur ruang. Contoh baja paduan
dengan fase Austenite pada temperatur ruang misalnya adalah Baja Hadfield
(12%Mangan) dan Baja Stainless 18-8 (8%Ni).

Cementite

Cementite atau carbide dalam sistem paduan berbasis besi adalah
stoichiometric inter-metallic compund Fe3C yang keras (hard) dan getas
(brittle). Nama cementite berasal dari kata caementum yang berarti stone chip
atau lempengan batu. Cementite sebenarnya dapat terurai menjadi bentuk
yang lebih stabil yaitu Fe dan C sehingga sering disebut sebagai fase
metastabil. Namun, untuk keperluan praktis, fase ini dapat dianggap sebagai
fase stabil. Cementite sangat penting perannya di dalam membentuk sifat-sifat
mekanik akhir baja. Cementite dapat berada di dalam sistem besi baja dalam
berbagai bentuk seperti: bentuk bola (sphere), bentuk lembaran (berselang
seling dengan alpha-ferrite), atau partikel-partikel carbide kecil. Bentuk,
ukuran, dan distribusi karbon dapat direkayasa melalui siklus pemanasan dan
pendinginan. Jarak rata-rata antar karbida, dikenal sebagai lintasan Ferrite
rata-rata (Ferrite Mean Path), adalah parameter penting yang dapat
menjelaskan variasi sifat-sifat besi baja. Variasi sifat luluh baja diketahui
berbanding lurus dengan logaritmik lintasan ferrite rata-rata.

Reaksi-reaksi Invarian dan Konstituen Mikro Penting

Secara keseluruhan ada tiga reaksi penting di dalam diagram Kesetimbangan
Fase Fe-Fe3C, yaitu: Reaksi Peritectic, Reaksi Eutectic, dan Reaksi Eutectoid
sebagaimana terlihat di dalam diagram kesetimbangan. Untuk sistem Besi
Baja, reaksi Eutectoid adalah reaksi yang sangat penting karena dengan
mengontrol Reaksi Eutectoid kita dapat memperoleh berbagai konstituen mikro atau micro constituent yang diinginkan untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu.
Berdasarkan kadar karbonnya, baja dapat pula diklasifikasikan menjadi (1) baja
eutectoid, (2) baja hypoeutectoid, dan (3) baja hypereutectoid.
Sistem penamaan yang telah dikenal luas adalah sistem AISI-SAE yang
menggunakan 4-5 Angka. Dua angka pertama menunjukkan elemen-elemen
paduan utama (Major Alloying Elements) dan Dua atau Tiga angka sisanya
menunjukkan prosentase karbonnya.
Baja dengan nama AISI-SAE 1080 misalnya, adalah jenis baja karbon (plain
carbon steel) dengan kadar karbon 0.8%. Contoh dari baja jenis ini adalah
baja kawat piano. Kawat piano memiliki struktur pearlite seluruhnya dan
kekuatannya yang tinggi terutama diperoleh dari proses pengerjaan dingin pada
proses produksinya.