Logam baja dan kandunganya

Baja adalah logam aloy yang komponen utamanya adalah besi, dengan karbon sebagai material pengaloy utama. Baja mengandung elemen utama Fe dan C. Baja karbon merupakan salah satu jenis logam paduan besi karbon terpenting dengan prosentase berat karbon hingga 2,11%. Baja karbon memiliki kadar C hingga 1.2% dengan Mn 0.30%-0.95%. Elemen-elemen prosentase maksimum selain bajanya sebagai berikut: 0.60% Silicon, 0.60% Copper.

Karbon adalah unsur kimia dengan nomor atom 6, tingkat oksidasi 4.2 dan Mangan adalah unsur kimia dengan nomor atom 25, tingkat oksidasi 7.6423. Karbon dan Manganese adalah bahan pokok untuk meninggikan tegangan (strength) dari baja murni.  Karbon (C) adalah komponen kimia pokok yang menentukan sifat baja. Semakin tinggi kadar karbon di dalam baja, semakin tinggi kuat tarik serta tegangan leleh, tetapi koefisien muai bahan turun, dan baja semaikn getas. Karbon mempunyai pengaruh yang paling dominan terhadap sifat mampu las. Semakin tinggi kadar karbon menjadikan sifat mampu las turun. 

 Gambar.Logam baja

Fasa-fasa padat yang ada didalam baja :

a. Ferit (alpha) : merupakan sel satuan (susunan atom-atom yang paling kecil dan teratur) berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan), Ferit ini mempunyai sifat : magnetis, agak ulet, agak kuat, dll.

b. Autenit : merupakan sel satuan yang berupa Face Centered Cubic (FCC =kubus pusat muka), Austenit ini mempunyai sifat : Non magnetis, ulet, dll.

c. Sementid (besi karbida) : merupakan sel satuan yang berupa orthorombik, Semented ini mempunyai sifat : keras dan getas.

d. Perlit : merupakan campuran fasa ferit dan sementid sehingga mempunyai sifat Kuat.

e. Delta : merupakan sel satuan yang berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan).

         STRUKTUR MIKRO BAJA KARBON

Baja karbon rendah atau sangat rendah, 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

  Struktur Mikro Baja Karbon Ultra Rendah. Seluruhnya Ferrite.

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.

Pada kadar karbon lebih tinggi akan mulai terbentuk endapan cementite atau fase pearlite pada batas butirnya

Struktur Mikro Baja Karbon Rendah

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.      

Cara pembuatan baja

Baja diproduksi didalam dapur pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun cair, besi bekas ( Skrap ) dan beberapa paduan logam. Ada beberapa proses pembuatan baja antara lain :

1.    Proses Konvertor

Terdiri dari satu tabung yang berbentuk bulat lonjong dengan menghadap kesamping.

Sistem kerja

• Dipanaskan dengan kokas sampai ± 1500 ⁰C,
• Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja. (± 1/8 dari volume konvertor)
• Kembali ditegakkan.
• Udara dengan tekanan 1,5 – 2 atm dihembuskan dari kompresor.
• Setelah 20-25 menit konvertor dijungkirkan untuk mengelaurkan hasilnya.

Proses konverter terdiri dari:

Ø  Proses Bassemer (asam)

Lapisan bagian dalam terbuat dari batu tahan api yang mengandung kwarsa asam atau aksid asam (SiO₂), Bahan yang diolah besi kasar kelabu cair, CaO tidak ditambahkan sebab dapat bereaksi dengan SiO_2,  

SiO₂ + CaO                CaSiO₃

Ø  Proses Thomas (basa)

Lapisan dinding bagian dalam terbuat dari batu tahan api bisa atau dolomit [kalsium karbonat dan magnesium (CaCO3 + MgCO3)], besi yang diolah besi kasar putih yang mengandung P antara 1,7 – 2 %, Mn 1 – 2 % dan Si 0,6-0,8 %. Setelah unsur Mn dan Si terbakar, P membentuk oksida phospor (P2O₅), untuk mengeluarkan besi cair ditambahkan zat kapur (CaO),

 (terak cair)

2.    Proses Siemens Martin

Menggunakan sistem regenerator (± 3000 ⁰C.). Fungsi dari regenerator adalah:

• memanaskan gas dan udara atau menambah temperatur dapur
• sebagai Fundamen/ landasan dapur
• menghemat pemakaian tempat
• bisa digunakan baik besi kelabu maupun putih,

Ø besi kelabu dinding dalamnya dilapisi batu silika (SiO₂),

Ø besi putih dilapisi dengan batu dolomit (40 % MgCO₃ + 60 % CaCO₃)

3.    Proses Basic Oxygen Furnace

• logam cair dimasukkan ke ruang baker (dimiringkan lalu ditegakkan)
• Oksigen (± 1000) ditiupkan lewat Oxygen Lance ke ruang bakar dengan kecepatan tinggi. (55 m³ (99,5 %O₂) tiap satu ton muatan) dengan tekanan 1400 kN/m².
• ditambahkan bubuk kapur (CaO) untuk menurunkan kadar P dan S.

Keuntungan dari BOF adalah:

·         BOF menggunakan O₂ murni tanpa Nitrogen

·         Proses hanya lebih-kurang 50 menit.

·         Tidak perlu tuyer di bagian bawah

·         Phosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon

·         Biaya operasi murah

4.    Proses dapur listrik

Temperatur tinggi dengan menggunkan busur cahaya electrode dan induksi listrik.

Keuntungan :

·         Mudah mencapai temperatur tinggi dalam waktu singkat

·         Temperatur dapat diatur

·         Efisiensi termis dapur tinggi

·         Cairan besi terlindungi dari kotoran dan pengaruh lingkungan sehingga kualitasnya baik

·         Kerugian akibat penguapan sangat kecil

5.    Proses dapur kopel

mengolah besi kasar kelabu dan besi bekas menjadi baja atau besi tuang.

Proses

• pemanasan pendahuluan agar bebas dari uap cair.
• Bahan bakar(arang kayu dan kokas) dinyalakan selama ± 15 jam.
• kokas dan udara dihembuskan dengan kecepatan rendah hingga kokas mencapai 700 – 800 mm dari dasar tungku.
• besi kasar dan baja bekas kira-kira 10 – 15 % ton/jam dimasukkan.
• 15 menit baja cair dikeluarkan dari lubang pengeluaran.

Untuk membentuk terak dan menurunkan kadar P dan S ditambahkan batu kapur (CaCO3) dan akan terurai menjadi Gas CO yang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan untuk pembangkit mesin-mesin lain.

6.    Proses dapur Cawan

·         proses kerja dapur cawan dimulai dengan memasukkan baja bekas dan besi kasar dalam cawan,

·         kemudian dapur ditutup rapat.

·         kemudian dimasukkan gas-gas panas yang memanaskan sekeliling cawan dan muatan dalam cawan akan mencair.

·         baja cair tersebut siap dituang untuk dijadikan baja-baja istimewa dengan menambahkan unsur-unsur paduan yang diperlukan.

Bagan 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:

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:

Selama proses berlangsung (sekitar 22 menit), terjadi penurunan kadar karbon dan unsur-unsur pengotor lain seperti P, S, Mn, dalam jumlah yang signifikan.

Klasifikasi Baja Karbon

A.    Baja karbon (carbon steel), dibagi menjadi tiga yaitu;

·         Baja karbon rendah (low carbon steel) è machine, machinery dan mild steel

-  0,05 % - 0,30% C.

Sifatnya mudah ditempa dan mudah di mesin. Penggunaannya:

-    0,05 % - 0,20 % C : automobile bodies, buildings, pipes, chains, rivets, screws, nails.

-    0,20 % - 0,30 % C : gears, shafts, bolts, forgings, bridges, buildings.

·         Baja karbon menengah (medium carbon steel)

-    Kekuatan lebih tinggi daripada baja karbon rendah.

-    Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong. Penggunaan:

-    0,30 % - 0,40 % C : connecting rods, crank pins, axles.

-    0,40 % - 0,50 % C : car axles, crankshafts, rails, boilers, auger bits, screwdrivers.

-    0,50 % - 0,60 % C : hammers dan sledges.

·         Baja karbon tinggi (high carbon steel)  è tool steel

-    Sifatnya sulit dibengkokkan, dilas dan dipotong. Kandungan 0,60 % - 1,50 % C

  Penggunaan

-     screw drivers, blacksmiths hummers, tables knives, screws, hammers, vise jaws, knives, drills. tools for turning brass and wood, reamers, tools for turning hard metals, saws for cutting steel, wire drawing dies, fine cutters.

σp = kekuatan patah, σu = kekuatan tarik maksimum, σy = kekuatan

 Fungsi baja

memiliki keserupaan dengan fungsi bahan atau material besi (fe). Dalam kehidupan sehari-hari, besi digunakan untuk macam-macam fungsi, misalnya untuk membuat berbagai macam barang yang membutuhkan daya tahan tinggi dan lama (kendaraan, mesin, perkakas rumah tangga, dsb). Dalam dunia konstruksi, baja biasa dipakai sebaga bahan konstruksi jalan, rel kereta api, dan banyak infrastruktur bangunan. Ketahanan (daktilitas) baja yang lebih tinggi dari besi karena dicampur karbon dan bahan-bahan lainnya mengakibatkan baja mampu memenuhi fungsinya sebagai komponen struktur bangunan.