Ferrous Alloys Gabriel Sianturi Ferrous Alloys Paduan besi

Ferrous Alloys Gabriel Sianturi

Ferrous Alloys • Paduan besi (ferrous alloys): besi sebagai unsur utama • Merupakan material yang luas penggunaannya disebabkan: - besi terdapat dalam kuantitas yang melimpah di alam - logam besi dan baja dapat produksi relatif murah dengan berbagai proses dan teknik fabrikasi - dapat dibentuk mempunyai sifat mekanik dan fisik yang bervariasi - kekurangannya adalah kebanyakan paduan besi tidak tahan terhadap korosi

PEMBUATAN BESI (1) • Biji Besi (Iron Ore) : - Hematite (Fe 2 O 3), kandungan besi 50% - Magnetite (Fe 3 O 4), kandungan besi 60% - Limonite (2 Fe 2 O 3), kandungan besi 40% • Sebelum dilebur didalam tanur, biji besi mengalami proses: - crushing, screening, washing, pemanasan • Untuk mendapatkan besi, biji besi direduksi (menarik O 2 dari oksida besi ) - Reduksi langsung - Reduksi tak langsung

Reduksi Langsung (1) • Pelet biji besi dirubah menjadi besi spons di dalam reaktor • Gas reduktor: Hidrogen atau CO yang dihasilkan dari pemanasan gas alam cair (LNG) dengan uap air CH 4 (g) + H 2 O (l) CO (g) + 3 H 2(g) Fe 2 O 3 (s) + 3 H 2 (g) 2 Fe (l) + 3 H 2 O (l) Atau Fe 2 O 3(s) + 3 CO (g) 2 Fe (l) + 3 CO 2 (g)

Reduksi Langsung (2) • Pembuatan besi spons dengan Rotary Kiln • Reduktor : Batubara • Bahan lain : dolomite yang berfungsi sebagai penyerap belerang • Reaksi: C + CO 2 CO Fe 2 O 3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO 2

Tanur Tinggi (Blast Furnace) • Biji besi dilebur didalam tanur tinggi (blast furnace) • Pada tanur biji besi direduksi (reduksi tak langsung) menjadi besi • Biji besi + kokas + batu kapur (Ca. CO 3) dimasukkan ke dalam tanur • Kokas berfungsi sebagai bahan bakar • Batu kapur berfungsi sebagai pengikat kotoran pada biji besi

Reaksi Kimia Dalam Tanur Tinggi (1) 1. Udara panas ditiupkan kedalam tanur sehingga kokas (karbon) terbakar menghasilkan panas Karbon + Oksigen Karbon dioksida + panas C (s) + O 2( g) CO 2 (g) + panas 2. Karbon dioksida kemudian bereaksi dengan karbon panas menjadi karbon monoksida CO 2(g) + C(s) 2 CO (g) 3. Selanjutnya Karbon monoksida mereduksi besi dalam biji besi menjadi besi cair CO 2(g) + Fe 2 O 3 (s) CO 2 (g) + besi (l) Besi cair yang telah didinginkan disebut Pig Iron dengan kadar karbon 3. 5 - 4. 5%

Reaksi Kimia Dalam Tanur Tinggi (2) • Batu kapur (Ca. CO 3): untuk menghilangkan kotoran pada biji besi: silika atau Silikon Oksida, Si. O 2 1. Ca. CO 3 terdekomposisi di dalam tanur tinggi menjadi Ca. O dan CO 2 Ca. CO 3(s) Ca. O(s) + CO 2(g) 2. Silikon Oksida bereaksi dengan Calcium Oksida membentuk Calcium Silicate atau biasa disebut terak (Slag) Ca. O 2(s) + Si. O 2 (s) Ca. Si. O 3 (l) (slag)

Baja • Baja adalah paduan besi karbon dan mengandung sejumlah kecil unsur lainnya. • Sifat mekanik sangat dipengaruhi kandungan karbon, yang biasanya kurang dari 1% • Klasifikasi baja berdasarkan konsentrasi karbon: - baja karbon rendah - baja karbon sedang (medium) - baja karbon tinggi • Baja karbon biasa (plain carbon steels): mengandung sejumlah kecil unsur lainnya selain dari karbon • Paduan baja (alloy steels): unsur lain lebih banyak ditambahkan untuk mendapatkan sifat tertentu

Proses Pembuatan Baja • • Bessemer Siemens Martin/Open Hearth Dapur Busur Listrik (Electric Arc Furnace/ EAF) Basic Oxygen Furnace (BOF) • TUGAS : Jelaskan setiap proses pembuatan baja di atas !

Proses Pembuatan Baja

Kode Baja AISI/SAE • Menurut American Iron and Steel Institute (AISI) dan Society of Automotive Engineers (SAE) • Terdiri dari 4 digit - digit pertama menunjukkan jenis baja, misal: 1= baja karbon, 2= baja nikel, 3= baja nikel chromium. 4= baja molybdenum - digit kedua menunjukkan kadar unsur paduan - digit ketiga dan keempat menunjukkan kadar karbon perseratus persen - Bila terdapat huruf di depan angka, huruf tersebut menunjukkan proses pembuatan baja tersebut Huruf B= Bessemer, huruf C= open hearth - Contoh: AISI 1060 artinya 1 untuk baja karbon, 0 untuk menunjukkan tidak ada unsur lain, 60 menunjukkan kadar karbon 0, 6 % AISI 4340 artinya baja nikel-chrom-molybdenum dengan 0. 4% C

Kode Baja UNS • Unified Numbering System (UNS) : • Terdiri dari huruf diikuti oleh 5 angka • Menunjukkan komposisi kimia, proses manufaktur atau heat treatment • Huruf pertama menunjukkan jenis logam • Angka pertama sampai dengan angka ke 4 adalah nomor AISI/SAE, angka terakhir menunjukkan informasi tambahan • Contoh: • UNS G 10300 : G menunjukkan baja karbon, 1030 plain carbon steel dengan kadar 0. 3%C, 0 informasi tambahan

Kode Baja ASTM • American Standard for Testing and Materials (ASTM) • Penamaan baja berdasarkan grade, type, atau kelas dengan menggunakan huruf, angka, simbol, nama atau gabungannya, Contoh: ASTM A 633 Grade E

Kode Baja JIS • Dikembangkan oleh Japanese Industrial Standard Comitee • Diawali dengan SS dan diikuti dengan bilangan yang menunjukkan kekuatan tarik minimumnya dalam satuan kg/mm 2. Contoh: JIS SS 37 : baja dengan kekuatan tarik > 37 kg/mm 2 • Diawali dengan S dan diikuti dengan bilangan yang menunjukkan komposisi kimianya. Contoh: JIS S 35 C: baja dengan kadar 0. 35 wt%C

Kode Baja DIN • Deutches Institut for Normung (DIN) atau German Institute for Standardization adalah organisasi milik Jerman yang mengembangkan standarisasi • Diawali dengan St dan diikuti dengan kekuatan tarik minimumnya dalam satuan kg/mm 2. Contoh: St 37: baja dengan kekuatan tarik minimum 37 kg/mm 2 • Diawali dengan St dan diikuti dengan huruf dan bilangan yang menunjukkan komposisi kimianya. Contoh: St C 35, baja dengan kadar karbon 0. 35%

Kode Baja SNI • Standar Nasional Indonesia (SNI) ditetapkan oleh Badan Standardisasi Nasional • Berdasarkan aplikasi produksi • Contoh: SNI 07 -0040 -2006 kawat baja karbon rendah, SNI 07 -0601 -2006 : baja karbon dalam bentuk plat

Baja Karbon Rendah • • Kandungan karbon kurang dari 0. 25% Tidak dapat dikeraskan dengan heat treatment Penguatan dilakukan dengan pengerjaan dingin Struktur mikro: ferit dan perlit Soft and weak Duktilitas dan ketangguhan sangat baik Machinable, weldable Aplikasi: komponen bodi mobil, struktur ( I beam, channel), pipa dan lain-lain • Kekuatan luluh (yield strength): 275 MPa • Kekuatan tarik (tensile strength): 415 -550 MPa • Duktilitas: 25% EL

HSLA Steel • • High Strength Low Alloy (HSLA) steel: Mengandung copper, vanadium, nickel dan molybdenum Kekuatan lebih tinggi dari plain low carbon steels Dapat diheat treatment Kekuatan tarik: > 480 MPa Duktil, mudah dibentuk, machinable Lebih tahan korosi daripada plain carbon steels Aplikasi: jika kekuatan struktur merupakan faktor yang sangat penting, mis: jembatan, towers, columns, pressure vessels

Baja Karbon Medium • Kadar karbon antara 0. 25 – 0. 6 wt% • Dapat diperlakukan panas dengan quenching, tempering untuk meningkatkan sifat mekaniknya • Sering digunakan dalam kondisi temper yang mempunyai struktur mikro martensit temper • Baja yang telah diheat treatment lebih kuat daripada baja karbon rendah namun duktilitas dan ketangguhan menurun • Aplikasi: roda dan rel kereta api, roda gigi, poros engkol, komponen mesin dan struktural yang memerlukan kombinasi antara kekuatan, ketahanan aus dan ketangguhan

Baja Karbon Tinggi • Kadar karbon: 0. 6 – 1. 4 wt% • Paling keras, kuat namun paling rendah duktilitasnya diantara baja karbon • Sering digunakan pada kondisi dikeraskan ditemper • Baja perkakas dan cetakan (tool and die steels) merupakan baja karbon tinggi yang mengandung chromium, vanadium, tungsten, molybdenum sehingga bersifat sangat keras dan tahan aus • Aplikasi: tools, dies, pisau, silet, pisau gergaji, high stregth wire

Baja Tahan Karat (Stainless Steels) • • • Mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap korosi (karat) Pada paduan ditambahkan chromium dengan kadar paling sedikit 11 wt%, penambahan nikel dan molybdenum dapat meningkatkan ketahanan korosinya Terbagi dalam 3 kelas berdasarkan fasa utama yang terjadi pada struktur mikro: - martensitic stainless steels - ferritic stainless steels - austenitic stainless steels Austenitic Stainless Steels paling banyak diproduksi dan paling tahan korosi karena kadar chromium paling tinggi dan karena adanya penambahan nikel pada paduan Baja Tahan karat digunakan juga pada lingkungan yang bertemperatur tinggi, karena dapat menahan oksidasi dan dapat mempertahankan sifat mekaniknya kondisi tersebut. Contoh penggunaan pada: turbin gas, pembangkit uap, tungku heat treatment, aircraft, nuklir