BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Logam Bukan Besi (Nonferrous Metal)
Indonesia merupakan negara penghasil bukan besi yaitu penghasil timah, putih, tembaga, nikel, alumunium dan sebagainya. Dalam keadaan murni logam bukan besi ini memiliki sifat yang sangat baik namun untuk meningkatkan kekuatan umumnya dicampur dengan logam lain sehingga membentuk paduan. Ciri dari logam non besi adalah mempunyai daya tahan terhadap korosi yang tinggi, daya hantar listrik yang baik dan dapat berubah bentuk secara mudah. Pemilihan dari paduan logam non besi ini tergantung pada banyak hal antara lain kekuatan, kemudahan dalam pemberian bentuk, berat jenis, harga bahan baku, upah pembuatan dan penampilannya.
Logam bukan besi ini di bagi dalam dua golongan menurut berat jenisnya, yaitu logam berat dan logam ringan. Logam berat adalah logam yang mempunyai berat jenis diatas 5 kg/m3.
Berat jenis dari masing-masing non besi ini dapat dilihat pada tabel 2.1. Secara umum dapat dinyatakan bahwa makin berat suatu logam bukan besi maka makin banyak daya tahan korosinya. Bahan logam bukan besi yang sering dipakai adalah paduan tembaga, paduan alumunium, paduan magnesium, dan paduan timah. Tabel 2.1 ini memperlihatkan perbandingan berat jenis serta berbagai logam bukan besi.
Tabel 2.1 Berat jenis beberapa jenis logam
Logam Berat Jenis (Kg/m3)
Alumunium Tembaga Kuningan Timah hitam Magnesium Nikel Seng Besi Baja 2.643 8.906 8.750 11.309 1.746 8.703 7.144 7.897 7.769
2.2 Tembaga dan Paduannya
Tembaga diperoleh dari bijih tembaga yang disebut Chalcoporit. Chalcoporit ini merupakan campuran Cu2S dan Cu Fe S2 dan terdapat dalam tambang-tambang dibawah permukaan tanah.
Secara industri sebagian besar penggunaan tembaga dipakai untuk kawat atau bahan penukar panas karena sifat tembaga yang mempunyai sifat hantaran listrik dan panas yang baik. Tembaga ini jika dipadukan dengan logam lain akan menghasilkan paduan yang banyak dibutuhkan oleh manusia. Dan yang paling sering dipakai adalah campuran antara tembaga dan timah, mangan yang biasa disebut perunggu digunakan untuk bagian-bagian mesin khusus dimana diperlukan sifat-sifat yang luar biasa
Paduan antara tembaga dengan unsur-unsur lain dapat membentuk paduan lain seperti:
1. Brons
Brons adalah paduan antara tembaga dengan timah dimana kandungan dari timah kurang dari 15% karena mempunyai titik cair yang kurang baik maka brons biasanya ditambah seng, fosfor, timbal dan sebagainya.
2. Kuningan
Kuningan adalah paduan antara tembaga dan seng, dimana kandungan seng sampai kira-kira 40%. Dalam ketahanan terhadap korosi dan aus kurang baik dibanding brons tetapi kuningan mampu cornya lebih baik dan harganya lebih murah.
3. Brons Alumunium
Brons alumunium ini adalah paduan dari tembaga dan alumunium dengan tambahan nikel dan mangan. Kandungan alumunium 8-15,5%, nikel kurang dari 6,5% mangan kurang dari 3,5% dan sisanya adalah tembaga.
Untuk diagram fasa dan paduannya dapat dilihat pada gambar 2.1 kesetimbangan fasa tembaga dimana pada diagram ini dapat dilihat temperatur terbentuknya fasa cairan, fasa α dan fasa β pada logam tembaga
serta mengetahui temperatur cair dari kadar komposisi tembaga dengan kadar 100% Cu atau tembaga murni adalah 1084°C.
Gambar 2.1 Diagram fasa tembaga (Cu-Al)
2.3 Seng dan Paduannya
Seng adalah logam bukan besi kedua setelah tembaga yang diproduksi secara besar yang mana lebih dari 75% produk cetak tekan terdiri dari paduan seng. Logam ini mempunyai kekuatan yang rendah dengan titik cair yang juga rendah dan hampir tidak rusak di udara biasa. Dan dapat digunakan untuk pelapisan pada besi, bahan baterai kering dan untuk keperluan percetakan.
Selain itu seng juga mudah dicetak dengan permukaan yang bersih dan rata, daya tahan korosi yang tinggi serta biaya yang murah. Dikenal seng komersial dengan 99,995 seng disebut special high grade. Untuk cetak tekan diperlukan logam murni karena unsur-unsur seperti timah, cadmium dan tin dapat menyebabkan kerusakan pada cetakan cacat sepuh.
Paduan seng banya digunakan dalam industri otomotif, mesin cuci, pembakar minyak, lemari es, radio, gramafon, televisi, mesin kantor dan sebagainya.
2.4 Magnesium dan Paduannya
Paduan magnesium (Mg) merupakan logam yang paling ringan dalam hal berat jenisnya. Magnesium mempunyai sifat yang cukup baik seperti alumunium, hanya saja tidak tahan terhadap korosi. Magnesium tidak dapat dipakai pada suhu diatas 150°C karena kekuatannya akan berkurang dengan naiknya suhu. Sedangkan pada suhu rendah kekuatan magnesium tetap tinggi.
Magnesium dan paduannya lebih mahal daripada alumunium atau baja dan hanya digunakan untuk industri pesawat terbang, alat potret, teropong, suku cadang mesin dan untuk peralatan mesin yang berputar dengan cepat dimana diperlukan nilai inersia yang rendah. Logam magnesium ini mempunyai temperatur 650°C yang perubahan fasanya dapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Diagram fasa magnesium (Al-Mg)
Karena ketahanan korosi yang rendah ini maka magnesium memerlukan perlakuan kimia atau pengecekan khusus segera setelah benda dicetak tekan. Paduan magnesium memiliki sifat tuang yang baik dan sifat mekanik yang baik dengan komposisi 9% Al, 0,5% Zn, 0,13% Mn, 0,5% Si, 0,3% Cu, 0,03% Ni dan sisanya Mg. kadar Cu dan Ni harus rendah untuk menekan korosi.
2.5 Alumunium dan Paduannya
2.5.1 Sejarah Penemuan Alumunium
Bauksit merupakan salah satu sumber alumunium yang terdapat di alam. Bauksit ini banyak terdapat di daerah Indonesia terutama di daerah Bintan dan pulau Kalimantan. Alumunium ini pertama kali ditemukan oleh Sir Humprey Davy pada tahun 1809 sebagai suatu unsur dan kemudian di reduksi pertama kali oleh H.C. Oersted pada tahun 1825.
C.M. Hall seorang berkebangsaan Amerika dan Paul Heroult berkebangsaan Prancis, pada tahun 1886 mengolah alumunium dari alumina dengan cara elektrolisa dari garam yang terfusi. Selain itu Karl Josep Bayer seorang ahli kimia berkebangsaan Jerman mengembangkan proses yang dikenal dengan nama proses Bayer untuk mendapat alumunium murni.
Proses Bayer ini mendapat alumunium dengan memasukkan bauksit halus yang sudah dikeringkan kedalam pencampur lalu diolah dengan soda api (NaOH) dibawah pengaruh tekanan dan suhu diatas titik didih. NaOH akan bereaksi dengan bauksit menghasilkan aluminat natrium yang larut. Selanjutnya tekanan dikurangi dengan ampas yang terdiri dari oksida besi, silicon, titanium dan kotoran-kotoran lainnya dipisahkan. Lalu alumina natrium tersebut dipompa ke tangki pengendapan dan dibubuhkan Kristal hidroksida alumina sehingga Kristal itu menjadi inti Kristal. Inti dipanaskan diatas suhu 980°C dan menghasilkan alumina dan dielektrosida sehingga terpisah menjadi oksigen dan aluminium murni.Pada setiap 1 kilogram alumunium memerlukan 2 kilogram alumina dan 4 kilogram bauksit, 0,6 kilogram karbon, criolit dan bahan-bahan lainnya. Penggunaan alumunium ini menduduki urutan kedua setelah besi dan baja dan tertinggi pada logam bukan besi untuk kehidupan industri
2.5.2 Sifat-sifat Alumunium
Dalam pengertian kimia alumunium merupakan logam yang reaktif. Apabila di udara terbuka ia akan bereaksi dengan oksigen, jika reaksi berlangsung terus maka alumunium akan rusak dan sangat rapuh.
Permukaan alumunium sebenarnya bereaksi bahkan lebih cepat daripada besi. Namun lapisan luar alumunium oksida yang terbentuk pada permukaan logam itu merekat kuat sekali pada logam dibawahnya, dan membentuk lapisan yang kedap. Oleh karena itu dapat dipergunakan untuk keperluan kontruksi tanpa takut pada sifat kimia yang sangat reaktif. Tapi jika logam bertemu dengan alkali lapisan oksidanya akan mudah larut. Lapisan oksidanya akan bereaksi secara aktif dan akhirnya akan mudah larut pada cairan sekali. Sebaliknya berbagai asam termasuk asam nitrat pekat pekat tidak berpengaruh terhadap alumunium karena lapisan alumunium kedap terhadap asam.
Alumunium merupakan logam ringan yang mempunyai ketahan korosi yang sangat baik karena pada permukaannya terhadap suatu lapisan oksida yang melindungi logam dari korosi dan hantaran listriknya cukup baik sekitar 3,2 kali daya hantar listrik besi. Berat jenis alumunium 2,643 kg/m3 cukup ringan dibandingkan logam lain
Kekuatan alumunium yang berkisar 83-310 MPa dapat dilipatkan melalui pengerjaan dingin atau penerjaan panas. Dengan menambah unsur pangerjaan panas maka dapat diperoleh paduannya dengan kekuatan melebihi 700 MPa paduannya.
Alumunium dapat ditempa, diekstruksi, dilengkungkan, direnggangkan, diputar, dispons, dirol dan ditarik untuk menghasilkan kawat. Dengan proses pemanasan dapat diperoleh alumunium dengan bentuk kawat foil, lembaran pelat dan profil. Semua paduan alumunium ini dapat di mampu bentuk (wrought alloys) dapat di mesin, di las dan di patri
2.5.3 Sistem Penomoran Alumunium
Alumunium dapat diklasifikasikan kepada tiga bagian besar yaitu: alumunium komersial murni paduan alumunium mampu tempa, dan alumunium cor. Asosiasi alumunium membuat sistem 4 angka mengidentifikasikan alumunium. Di bawah ini ada tabel 2.2. yang dibuat Asosiasi Alumunium untuk mengidentifikasikan alumunium ini.
Tabel 2.2 Alumunium Assosiasi Index System
Sistem ini menunjukkan nomor indeks dari paduan alumunium
termasuk seperti paduan 99% alumunium murni, coper, mangan, silicon magnesium. Sistem ini tidak menunjukkan paduan terbesar dari elemen alumunium. Angka kedua mempunyai batas 0 sampai dengan 9. Angka nol menunjukkan tidak ada kontrol khusus pada pembuatan alumunium. Angka setelah angka kedua menunjukkan kuantitas minimum dari unsur lain yang tidak dalam kontrol.
Sebagai contoh alumunium dengan nomor seri 1075. Ini berarti alumunium mempunyai 99,75% yang terkontrol atau alumunium murni. Sedangkan 0,25% paduan tanpa kontrol. Nomor 1180 diidentifikasikan sebagai paduan dimana 99,80% alumunium murni dengan 0,20% berbagai
macam campuran tambahan. ………
Pada seri 2010 sampai 7079 setelah angka kedua tidak mempunyai arti khusus hanya menunjukkan pabrikasi. Angka ketiga dan terakhir memperlihatkan berapa paduan yang terkandung pada saat proses pembuatan. Sebagai contoh alumunium seri 3003 adalah alumunium mangan alloy yang mengandung sekitar 1,2% mangan dan minimum 90% alumunium. Contoh lain misalkan 6151 alumunium, adalah paduan alumunium dengan silicon-magnesium-chromium. Disini angka 6 menunjukkan bahwa paduan adalah magnesium silicon, dan angka 151 sebagai identitas paduan khusus dan persentase dari paduan. Jika angka 1
Paduan Alumunium Nomor
Alumunium 99,5% murni Alumunium 99,5% murni
Al-Cu merupakan unsur paduan utama Al-Mn merupakan unsur paduan utama Al-Si merupakan unsur paduan utama Al-Mg merupakan unsur paduan utama Al-Mg dan Si merupakan unsur paduan utama Al-Zn merupakan unsur paduan utama
1001 1100 2010 – 2029 3033 – 3009 4030 – 4039 5050 – 5086 6061 – 6069 7070 – 7079
pada digit kedua menunjukkan bahwa paduan itu adalah chromium dan kandungannya adalah 0,49%. Berarti paduan itu adalah 99,51% terdiri dari alumunium magnesium dan silicon.
Alumunium juga dapat digolongkan apakah bisa di heat-treatment atau tidak. Alumunium yang tidak dapat dilakukan perlakuan panas termasuk alumunium murni atau seri 1000, mangan atau seri 3000 dan magnesium seri 5000. Alumunium dapat di heat-treatment jika mengandung satu dari copper, magnesium, silicon ataupun zinc. Seri 4000 adalah seri silicon dari paduan alumunium yang sebagian besar dapat dilas dan untuk bahan pengisi pada proses pangelasan.
2.5.4 Paduan-paduan Aluminium yang utama
Alumunium lebih banyak dipakai sebagai paduan daripada logam murni sebab tidak kehilangan sifat ringan dan sifat-sifat mekanisnya serta mampu cornya diperbaiki dengan menambah unsur –unsur lain. Unsur-unsur paduan yang tidak ditambahkan pada alumunium murni selain dapat menambah kekuatan mekaniknya juga dapat memberikan sifat-sifat baik lainnya seperti ketahanan korosi dan ketahanan aus.
Adapun paduan-paduan alumunium yang sering dipakai yaitu: 1. Al-Cu dan Al-Cu-Mg
Mempunyai kandungan 4% Cu dan 0,5% Mg untuk menambah kekuatan paduan mampu mesin yang baik serta dipakai pada bahan pesawat terbang.
2. Al-Mn
Mn adalah unsur yang memperkuat Al tanpa mengurangi ketahanan korosi dan dipakai untuk membuat paduan yang tahan korosi.
3. Paduan Al-Si
Sangat baik kecairannya dam mempunyai permukaan yang bagus sekali, mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik sangat ringan, koefisien pemuai yang kecil, dan penghantar yang baik untuk listrik dan panas. Karena kelebihan yang menyolok maka paduan ini sangat banyak dipakai.
4. Paduan Al-Mg
Paduan ini mempunyai kandungan magnesium sekitar 4% sampai 10% mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik, dapat ditempa, di rol dan di ekstruksi. Karena sangat kuat dan mudah di las maka banyak dipakai sebagai bahan untuk kapal laut, kapal terbang serta peralatan-peralatan kimia.
2.5.5 Paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg
Seperti telah dikemukakan pada uraian sebelumnya, paduan coran alumunium ini mengandung 4-5% Cu. Ternyata dari fasa paduan ini mempunyai daerah luas dari pembekuannya, penyusutan yang besar, resiko besar pada kegetasan panas dan mudah terjadi retakan pada coran. Adanya Si sangat berguna untuk mengurangi keadaan itu dan penambahan Si sefektif untuk memperhalus butir. Dengan perlakuan panas pada paduan ini dapat dibuat bahan yang mempunyai kekuatan tarik kira-kira 25kgf/mm2
Sebagai paduan, Al-Cu-Mg ini mengandung 4% Cu, dan 0,5%ditemukan oleh A.Wilm dalam usahanya mengembangkan paduan Al yang kuat, dinamakannya yaitu duralumin. Duralumin adalah paduan praktis yang sangat terkenal disebut paduan alumunium dengan nomor 2017, komposisi standarnya adalah 4% Cu, 1,5% Mn dinamakan paduan dengan nomor 2044 nama lamanya yaitu duralumin super. Paduan yang mengandung Cu mempunyai ketahanan korosi yang buruk, jadi apabila diingini ketahanan korosi yang tinggi maka permukaanya dilapisi dengan Al murni atau paduan alumunium yang tahan korosi yang disebut pelat alklad. Paduan dalam sistem ini terutama dipakai sebagai bahan pesawat terbang. Tabel dibawah ini menunjukkan sifat-sifat paduan alumunium ini
Tabel 2.3. Sifat-sifat paduan Al-Cu-Mg Paduan Keadaa n Kekuatan tarik (kgf/mm2) Kekuatan mulur (kgf/mm2) Perpanjangan (%) Kekuatan geser (kgf/mm2) Kekerasan Brinel Batas lelah (kgf/mm2) 175 (2017) O T4 18,3 43,6 7,0 28,1 - - 12,7 26,7 45 105 7,7 12,7 A175 (A2017) T4 30,2 16,9 27 19,7 70 9,5 RJ17 Setelah dianil 42,9 24,6 22 - 100 - 24S (2024) O T4 T36 18,9 47,8 51,3 7,7 32,3 40,1 22 22 - 12,7 28,8 29,5 42 120 130 - - - 14S (2014) O T4 T4 19,0 39,4 49,0 9,8 28,0 42,0 18 25 13 12,7 23,9 29,5 45 100 135 - - -
Paduan Al-Cu-Mg ini dihasilkan melalui proses pencampuran paduan ini pada temperatur 550°C seperti terlihat pada gambar 2.3. dimana pada gambar ini paduan harus diupanaskan sampai temperatur A sehingga
komponen-komponen larutan membentuk larutan padat. …
2.5.6 Paduan Al-Si (4030-4039)
Paduan Al-Si ini sangat baik kecairannya, yang mempunyai permukaan bagus sekali, pada ketegasan panas dan sangat baik untuk paduan cor. Sebagai tambahan paduan ini mempunyai ketahanan korosi yang baik dan sangat ringan, koefisien pemuaian yang kecil dan penghantar listrik dan panas yang baik. Karena mempunyai kelebihan yang mencolok ini maka paduan ini sangat banyak dipergunakan. Paduan Al-Si ini ditemukan pertama kali oleh A. Pacz pada tahun 1921 dan paduan yang telah diadakan perlakuan tersebut dinamakan silumin.
Paduan Al-Si dengan kandungan 12% sangat banyak dipakai untuk paduan cor cetak. Tetapi dalam hal modifikasi tidak perlu dilakukan. Sifat-sifat paduan ini dapat diperbaiki dengan perlakuan panas dan sedikit diperbaiki dengan tambahan unsur paduan lainnya yang umum dipakai yaitu 0,15 – 0,4% Mn dan 0,5% Mg. paduan yang diberi perlakuan peraturan dan ditempa dinamakan silumin β. Paduan yang memerlukan paduan panas ditambah juga dengan unsur Mg, Cu dan Ni untuk memberikan kekerasan pada saat proses pemanasan. Bahan ini biasa dipakai untuk torak motor. Tabel 2.4 ini menunjukkan kekuatan dan sifat mekanis Al-Si.
Tabel 2.4 Sifat-sifat kimia paduan Al-Si
Paduan Perlakuan Temperatur Uji (°C) Sifat-sifat mekanik Kekuatan tarik (kgf/mm2) Kekuatan mulur (kgf/mm2) Perpanjangan (%) Alcoa 32S Al-12,5Si-1,0Mg-0,9Cu-0,9Ni (untuk dibentuk) T6: 510-521°C, 4 jam dicelup dingin air, 160-174°C, 6-10 jam penuaan 24 204 316 371 39,2 11,2 4,2 2,5 32,2 7,7 2,5 1,4 8 30 60 120 Alcoa A132 Al-12Si-2,5Ni-1,2Mg-0,8Cu
(untuk dicor cetak)
T551: 168-174°C, 14-18 jam dianil, tanpa perlakuan pelarutan 24 204 316 25,2 16,1 7,7 19,6 9,5 3,5 0,5 2,0 8,0 Alcoa D 132 Al-9Si-3,5Cu-0,8Mg-0,8Ni
(untuk dicor cetak)
T5: 204°C, 7-9 jam dianil, tanpa perlakuan pelarutan
24 204 316 371 25,2 14,4 6,3 3,9 19,6 9,1 4,2 2,8 1,0 5,0 20,0 40,0
Pada gambar 2.4 juga dapat dilihat terjadinya diagram fasa dari paduan ini dimana dari gambar ini dapat diketahui titik eutektik yaitu pada suhu 577°C serta fasa paduan mencair serta terjadinya fasa lainnya.
Gambar 2.4 Diagram Fasa Al-Si
Koefisien pemuaian termal dari Si sangat rendah, oleh karena itu paduannya mempunyai koefisien yang rendah juaga apabila ditambah Si lebih banyak. Berbagai cara dicoba untuk memperhalus butir primer Si, seperti yang telah dikembangkan pada paduan Hypereotektik Al-Si sampai dengan 29%Si. Paduan Al-Si juga banyak dipakai untuk elektroda pengerasan terutama yang mengandung 5% Si.
2.5.7 Paduan Al-Mg-Si (6001 – 6069)
Kalau sedikit Mg ditambahkan pada Al pengerasan penuaan sangat jarang terjadi. Paduan alam sistem ini mempunyai kekuatan yang kurang baik sebagai bahan tempaan dibandingkan dengan paduan-paduan lainnya
tetapi sangat liat dan sangat baik mampu bentuknya yang tinggi pada temperatur biasa. Mempunyai kemampuan bentuk yang lebih baik pada ekstruksi dan tahan korosi dan sebagai tambahan banyak digunakan untuk angka-angka konstruksi.
Karena paduan ini mempunyai kekuatan yang sangat baik tanpa mengurangi sifat kehantaran listriknya maka dapat digunakan untuk kabel tenaga listrik. Dalam hal ini pencampuran dengan Cu, Fe dan Mn perlu dihindari karena unsur-unsur itu menyebabkan tahanan listrik menjadi tinggi. Kelebihan dari paduan Al-Mg-Si dapat dilihat pada tabel 2.5, sedangkan untuk perubahan fasa dari paduan ini dapat dilihat dari gambar 2.5.
Tabel 2.5 Sifat-sifat paduan Al-Mg-Si (lit 8 hal 139)
Paduan Keadaan Kekuatan tarik (kgf/mm2) Kekuatan mulur (kgf/mm2) Perpanjangan (%) Kekuatan geser (kgf/mm2) Kekerasan Brinell Kekuatan lelah (kgf/mm2) 6061 O T4 T6 12,6 24,6 31,6 5,6 14,8 28,0 30 28 15 8,4 16,9 21,0 30 65 95 6,3 9,5 9,5 6063 T5 T6 T83 19,0 24,6 26,0 14,8 20,8 24,6 12 12 11 11,9 15,9 15,5 60 73 82 6,7 6,7 -
2.5.8 Paduan Al-Mg-Zn (7075)
Alumunium menyebabkan keseimbangan biner semu dengan
senyawa antar logam MgZn2 dan kelarutannya menurun apabila temperatur
turun. Telah Diketahui sejak lama bahwa paduan sistem ini dapat dibuat keras sekali dengan penuaan setelah perlakuan pelarutan. Tetapi sejak lama tidak dipakai sebab mempunyai sifat patah getas oleh retakan korosi tegangan
Di Jepang pada permulaan tahun 1940 Igarasi dan kawan-kawan mengadakan studi dan berhasil mengembangkan suatu paduan logam dengan penambahan kira-kira 3% Mn atau Cr dimana butir kristal dapat diperhalus dan mengubah bentuk resivitasi serta retakan korosi tegangan hampir tidak terjadi. Pada saat itu paduan tersebut dinamakan Duralumin super ekstra.
Paduan yang terdiri dari 5,5% Zn, 2,5-1,5% Mn, 1,5% Cu, 0,3% Cr, 0,2% Mn dan sisanya Al sekarang dinamakan paduan 7075 mempunyai kekuatan tertinggi diantara paduan-paduan lainnya. Sifat-sifat mekaniknya dapat dilihat pada tabel 2.6. Penggunaan paduan ini yang paling besar adalah untuk bahan konstruksi untuk pesawat terbang. Disamping itu penggunaannya juga penting untuk bahan konstruksi. Perubahan fasa dari paduan ini dapat dilihat pada gambar 2.6. dimana pada gambar ini dapat dilihat fasa-fasa untuk mendapatkan paduan ini.
Tabel 2.6 Sifat-sifat paduan Al-Mg-Zn (lit 8 hal 141)
Perlakuan panas Kekuatan tarik (kgf/mm2) Kekuatan mulur (kgf/mm2) Perpanjangan (%) Kekerasan Kekuatan geser (kgf/mm2) Kekuatan lelah (kgf/mm2) (a) (b) Rockwell Brinell
Bukan Klad O T6 23,2 58,4 10,5 51,3 17 11 16 11 E60-70 B85-95 60 150 15,5 33,8 - 16,2 Klad O T6 22,5 53,4 9,8 47,1 17 11 - - - E88-111 - - 15,5 32,3 - -
Gambar 2.6 Diagram Fasa paduan Al-Mg-Zn
2.6 Dapur Crucible
Dapur Crucible adalah jenis dapur yang paling tua digunakan. Dapur ini mempunyai konstruksi paling sederhana. Dapur ini ada yang menggunakan kedudukan tetap dimana pengambilan logam cair dengan memakai gayung. Dapur ini sangat Fleksibel dan serba guna untuk peleburan yang skala kecil dan sedang. Bahan bakar Dapur Crucible ini bisa berupa gas, padat, dan cair. Karena bantuknya yang sederhana maka dapur ini mudah dalam mengawasi operasinya. Ada pula dapur yang dapat dimiringkan sehingga pengambilan logam dengan menampung dibawahnya. Dapur ini biasanya dipakai untuk skala sedang dan skala besar. Dapur Crucible jenis ini ada yang dioperasikan dengan tenaga listrik sebagai alat pemanasnya yaitu dengan induksi listrik frekuensi rendah dan juga dapat dengan bahan bakar gas atau minyak, sedangkan dapur Crucible yang memakai burner sebagai alat pemanas dengan kedudukan tetap dapat dilihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Dapur kedudukan tetap
Tanur udara terbuka adalah tanur yang bentuknya seperti tungku yang agak rendah dan logam cair akan akan melebur dan dangkal. Pada bagian bawah tanur dipasang 4 buah ruang pemanas (regenerator ). Tanur juga disangga oleh dua buah rol yang memungkinkan untuk dimiringkan pada saat pengeluaran terak atau logam cair. Burner diletakkan pada kedua sisi tanur dan dioperasikan secara periodik untuk mendapatkan panas yang merata. Bahan bakar yang digunakan adalah gas atau minyak. Udara pembakaran dan bahan bakar biasanya dipanaskan mula dengan melewatkan pada ruang pemanas dibawah tanur. Pemanasan ini bertujuan untuk mempercepat terjadinya pembakaran dan menjaga agar tidak terjadi perubahan suhu yang mencolok didalam tanur. Pintu pengisian terletak di sisi depannya. Tanur udara terbuka biasanya digunakan untuk peleburan baja. Tanur udara terbuka dapat dilihat pada gambar 2.9 dibawah ini
Gambar 2.9. Tanur udara terbuka (a) tanur udara terbuka (b) penampang melintang
Tanur udara adalah bentuk yang dimodifikasi dari tanur udara terbuka. Bentuknya hampir sama dengan tanur udara terbuka, penampang tempat logam cair berbentuk lebar dan dangkal. Tanur dipanaskan dengan alat pemanas dengan bahan bakar minyak . Burner dan udara pembakaran ditempatkan pada salah satu ujung tanur dan udara sisa pembakaran akan
keluar dari ujung yang lain. Komposisi kimia dapat dikontrol lebih baik pada dapur ini dibanding dengan dapur Kupola. Bila ingin melakukan penambahan dilakukan dengan membuka tutup tanur dan menuangkannya dari atas.
Tanur ini biasanya digunakan untuk melebur besi cor putih dan besi cor mampu tempa, dan kadang juga digunakan untuk peleburan logam non besi. Biaya operasi tanur ini lebih tinggi dibandingkan dengan kupola. Sering juga tanur ini dikombinasikan dengan kupola dalam operasinya. Mula-mula peleburan dilakukan dengan kupola kemudian cairan dipindahkan ke tanur udara untuk diatur komposisinya. Skema tanur udara dapat dilihat pada gambar 2.10
Gambar 2.10. Penampang tanur udara
Tanur induksi listrik adalah tanur yang melebur logam dengan medan elektromagnet yang dihasilkan oleh induksi listrik, baik yang berfrekuensi rendah maupun yang berfrekuensi tinggi. Tanur induksi biasanya berbentuk Crucible yang dapat dimiringkan. Tanur ini dipakai untuk melebur baja paduan tinggi, baja perkakas, baja untuk cetakan, baja tahan karat,dan baja tahan panas yang tinggi. Tanur ini bekerja berdasarkan arus induksi yang timbul dalam muatan yang menimbulkan panas sehingga memanasi Crucible dan mencairkan logam di dalam Crucible. Bentuk dari tanur induksi listrik dapat dilihat pada gambar 2.11. di bawah ini……
Gambar 2.11. Tanur Induksi (a) Penampang (b) Kumparan yang bisa diangkat (c) Garis gaya pada Tanur Induksi
2.7 Batu Tahan Api
Pemilihan bahan batu yang akan digunakan untuk dapur pelebur tipe Crucible dengan bahan bakar padat ini, ditentukan dengan memperhatikan sifat-sifat dapur tersebut seperti dapur yang bekerja sampai temperatur 13000C serta perhitungan biaya dari banyaknya batu bata yang digunakan.
Diharapkan pada suhu yang direncanakan tersebut bahan dari dapur tidak akan berubah sifatnya akibat pembebanan panas sehingga terjadi perubahan struktur dari bahan. Koefisien dari daya hantar panas juga tergantung dari suhu karena koefisien ini akan berkurang nilainya bila suhu dinaikkan. Oleh karena itu dalam pemilihan batu bata untuk lapisan dinding dapur dan alas dapur bahannya haruslah ditentukan dan dipilih sebaik mungkin agar dapat bertahan lama dan dapat meningkatkan efisiensi dapur.
2.7.1 Pemilihan Batu Tahan Api
Batu bata yang umum digunakan unuk dapur pelebur tipe Crucible adalah Batu bata yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut:
a) Tidak melebur pada suhu yang relatif tinggi
b) Sanggup menahan lanjutan panas yang terjadi tiba-tiba ketika pembebanan suhu
c) Tidak hancur di bawah pengaruh tekanan yang tinggi ketika digunakan pada suhu yang tinggi.
d) Mempunyai koefisien thermal yang rendah sehingga dapat memperkecil suhu yang keluar
e) Memiliki tekanan listrik yang tinggi jika digunakan untuk dapur listrik.
Bahan batu bata ini diklasifikasikan dalam beberapa jenis yaitu golongan Asam, Basa dan Netral. Pemilihan ini sesuai dengan dapur apa yang akan dipergunakan. Adapun bahan-bahan dari bahan batu bata ini adalah:
1. Bahan Batu Bata Jenis Asam
Biasanya terdiri dari pasir silika dan tanah liat tahan api. Silika
dalam bentuk murni melebur pada suhu 1710 oC bahan ini terdiri
dari hidrat alumina silica (Al2O3, 2SiO2, 2H2O ).
2. Bahan Batu Bata Jenis Basa
Biasanya terdiri dari magnesia, clionic magnesia, dan dolomite magnesia mempunyai titik lebur tinggi dan baik untuk melawan korosi, bahan-bahan ini terdiri dari 20 -30 % MgO dan 70 -80 % cliromite dolomite terdiri dari kalsium karbinat dan magnesia (CaCO3, MgCO3). Dolomite stabil yang terdiri dari CaCO3, SiO3,, MgO adalah bahan yang lebih baik daripada dolomite biasa sehingga
lebih tidak mudah retak. 3. Bahan Batu Bata Jenis Netral
Terdiri dari karbon, grafit, cliromite, dan silimanite. Bahan ini tidak membentuk fasa cair pada pemanasan penyimpan kekuatan pada suhu tinggi jenis cliromite terbuat dari biji cliromite yang
komposisinya terdiri dari 32 % FeO dan 68 % CrO3 dan mempunyai
titik cair sekitar 2180 0C silimate terdiri dari 63 % Al2O3, dan 37 % SiO2 dan mempunyai titik cair sekitar 1900 0C)
2.7.2 Bahan Batu Tahan Api
Bahan dasar untuk pembuatan batu bata yang dibakar adalah tanah liat. Tanah liat itu terjadi dari tanah napal ( tanah tawas asam kersik) yang dicampur dengan bahan yang lain seperti pasir. Bahan dasar tanah liat didapat di alam dalam berbagai susunan yang dapat dipakai begitu saja untuk industri batu bata. Dua sifat menyebabkan tanah liat cukup dipakai untuk industri bakar:
1. Keadaan liat atau dapat diremas yang perlu untuk tetap berada dalam bentuk yang sekali diberikan
2. Struktur seperti batu bata yang baru terjadi setelah hasil pembakaran. Jika panas terlampau tinggi dalam pembakaran maka bahan bakar dapat melebur. Tidak semua jenis tanah liat melebur pada saat yang sama.
Dasar dan susunan bahan-bahan menentukan besarnya derajat panas yang dibutuhkan . Untuk menggantikan struktur asli dalam struktur batu bata atau untuk melebur batu bata. Kualitas hasil yang didapat bertalian rapat dengan susunan. Tanah liat ,zat bakar ,panas yang terjadi jika membakar dan lamanya membakar... (lit 11 hal 136)
Bahan tahan panas yang dipakai untuk apur ini adalah batu bata deli clay dan biasa juga disebut dengan batu bata pakam yang termasuk golongan bahan batu bata jenis asam dimana konduktivitas dari batu bata ini adalah 0,69 W/m 0C. Pemilihan batu bata ini berdasarkan penelitian yaitu
batu bata dipanasi sampai suhu kurang lebih 1000 0C di dalam oven
pemanas dilakukan berulang kali dan diteliti keadaannya. Ternyata batu bata ini tidak mengalami perubahan bentuk struktur mekanis dan fisiknya secara besar atau batu bata ini mampu dan sesuai untuk digunakan pada dapur peleburan ini... (lit 11 hal 136)
Dengan tahannya batu bata ini dipanasi sampai suhu diatas 1200 0C,
sedangkan suhu dapur yang direncanakan hanya lebih kurang 1000 0C
sehingga batu bata deli clay ini dapat digunakan untuk dapur pelebur, selain itu harga dari tiap batu bata deli clay relative murah dari batu bata jenis lain serta mempunyai kekuatan yang baik sehingga dapat menahan beban yang akan ditumpu oleh batu bata ini , keuntungan yang lain adalah konduktivitas dari batu bata ini juga kecil sehingga dapat mengurangi panas yang keluar dari ruang bakar sehingga efisiensi panas dapat lebih ditingkatkan... (lit 11 hal 136)
2.8 Semen Tahan Api
Bahan pengikat berfungsi untuk mengikat batu tahan api yang satu dengan batu tahan api yang lain. Bahan pengikat juga dapat digunakan untuk menutup celah yang terjadi dari penyusunan batu tahan api sehingga mengurangi terbuangnya panas di dalam ruang bakar. Bahan pengikat yang dipakai ini adalah semen tahan api.
Untuk dapur peleburan ini dipakai bahan pengikat yaitu semen tahan api yang dijual dipasaran dengan komposisi kimia :
a) SiO2 dengan kadar 96,33 % b) Al2O3 dengan kadar 0,28 %
c) CaO dengan kadar 2,74 %
d) Fe2O3 dengan kadar 0,56 %
e) Na2O dengan kadar 0,04 %
f) K2O dengan kadar 0,04 %
g) TiO2 dengan kadar 0,03 %
Sebagai bahan pengikat, semen ini dicampur dengan air dan pasir silica dengan perbandingan 1 : 2 : 3. Campuran semen dan pasir silica ini kemudian diaduk selama kurang lebih 2 menit dan kemudian ditambahkan air dan diaduk kurang lebih 3 menit. Kadar air harus dijaga sebaik mungkin karena bila kadar air berlebihan akan menyebabkan gelembung gas dan lubang-lubang kecil sedangkan bila air terlalu sedikit semen akan kehilangan sifat lekatnya sehingga tidak dapat mengikat batu bata dengan baik dan akibatnya batu bata dapat ambruk atau berlepasan. Selain kadar air yang berlebihan menyebabkan air berusaha melepaskan diri sehingga akibatnya permeabilitas permukaan yang besar.
Pemakaian bahan pengikat juga memerlukan teknik yang baik. Kadar semen dan pasir silica juga menjadi faktor yang penting karena bila kadar semen yang terlalu sedikit selain menyebabkan kehilangan sifat lekatnya juga dapat membentuk gumpalan-gumpalan pasir serta menyebabkan konstruksi batu bata mudah dibongkar.
2.9 Perpindahan Panas
Penerapa prinsip-prinsip perpindahan kalor untuk merancang (design) alat-alat guna mencapai sesuatu tujuan teknik sangatlah penting,
karena dalam menerapkan prinsip ke dalam rancanganlah orang bekerja
ke arah pencapaian tujuan untuk mengembangkan barang hasil yang
memberikan manfaat ekonomi. Akhirnya ekonomi pulalah yang memegang peranan penting dalam perancangan dan dan pemilihan material penukar kalor.
Setiap penerapan tertentu akan menentukan kaidah yang harus dipatuhi untuk mendapatkan rancangan yang terbaik yang sesuai dengan kebutuhan dan pertimbangan ekonomi.
Dalam perancangan dinding dapur menggunakan batu tahan api dan plat berbentuk tabung. Perpindahan panas dari tabung ini menggunakan rumus : T1 Tf = T2 R1 = R2 = q
=
=
…..…….………..(lit 5 hal.65) dimana : q = perpindahan kalor T1 = suhu dalam T2 = suhu luar K = konduktifitas termalh = koefisien perpindahan kalor L = panjang selinder
Pada perancangan ini dingunakan 2 jenis material yaitu batu tahan api dan plat baja, maka bentuk dari dinding ini seperti selinder 2 lapis. Untuk selinder 2 lapis ini digunakan persamaan :
R2 =
T1 T2
R1 = R3 =
Maka digunakan persamaan:
q =
