5.1 Proses Pembuatan Besi/Baja
Bijih besi merupakan bahan baku dalam pembuatan besi yang dapat berupa senyawa oksida, karbonat dan sulfida, serta tercampur dengan unsur lainnya seperti silika.
Bijih besi diolah dalam tanur atau dapur tinggi untuk menghasilkan besi kasar.
Besi kasar adalah bahan baku untuk pembuatan basi cor (cost iron), besi tempa (wrought iron) dan baja (steel).
Baja adalah logam paduan antara besi dan karbon dengan kadar C max 1,7%
Besi cor adalah logam paduan antara besi dengan karbon dengan kadar C 1,7-3,5%
Besi tempa adalah baja yang mempunyai kadar karbon rendah 5.2 Jenis Bijih Besi
Jenis bijih besi dibagi dalam 3 kelompok:
1. Bijih besi oksida, terdiri dari:
Bijih besi magnit (kadar besi ± 56%)
Bijih besi hematit (kadar besi ± 40%)
2. Bijih besi hidrat (2Fe2O3H2O), mengandung kadar besi 20-55%
3. Bijih besi karbonat, berbentuk pasir, mengandung kadar besi ± 30%) 5.3 Bahan Dasar Besi
Bahan dasar besi mentah adalah bijih besi yang persentase besinya harus sebesar mungkin: Fe2O4 (besi oksida), FeCO2 (besi karbonat)
80
Pengolahan besi mentah pada “dapur tinggi” dilakukan dengan mereduksi bijih besi menggunakan “kakas”, bahan tambahan dan “udara panas”
5.4 Bahan Bakar
Bahan bakar untuk peleburan bijih besi: arang, antrasit, kakas.
Kakas paling banyak digunakan karena mempunyai nilai kalor yang tinggi ± 8000 kal/kg. Kakas diperoleh dengan pembakaran batu bara secara tidak sempurna di dalam dapur kakas.
- Batu Kapur (CaO)
Batu kapur digunakan sebagai bahan pengikat atau bahan imbuh dari kotoran unsur-unsur yang tidak diinginkan
- Udara Panas
Udara panas yang dimasukkan ke dalam dapur tinggi digunakan untuk membakar kakas sehingga menghasilkan gas panas bertemperatur tinggi dan karbon monoksida (CO).
Gas panas digunakan untuk melebur bijih besi dan mereduksi unsur-unsur yang terdapat di dalam bijih besi yang telah cair.
- Dapur Tinggi
Dapur tinggi terdiri dari kerangka baja yang berdiri tegak lurus dan mendekati bentuk silinder. Tinggi 30 m dan diameter 6 m. Pada bagian dalam dapur disediakan batu tahan api dan dilengkapi dengan alat pemasukan bahan-bahan pada bagian atas, sedangkan pada bagian bawah terdapat tempat pengumpulan besi dan terak cair.
- Hasil Dapur Tinggi
Hasil dapur tinggi yang utama: a. Terak dan b. Besi kasar, disamping itu bagian bawah menghasilkan gas dan debu.
a. Terak
Terak yang dihasilkan dari dapur tinggi volumenya ± 3x dari volume besi kasar. Terak dapat diproses lebih lanjut menjadi: pupuk posfat, batu tegel, dll.
b. Besi Kasar
Adalah logam campuran besi dan karbon yang mengandung unsur-unsur campuran lainnya di atas 10%. Besi ini dapat dikatakan logam murni dari besi tuang yang mempunyai komposisi:
Carbon 3 - 4%
Logam lainnya:
Silikon (Si) 0,4 – 2,5%
Sulfur (S) 0,02 – 0,2%
Posfor (P) 0,04 – 2,5%
Mangan (Mn) 0,4 – 2,7%
5.5 Karakteristik Bahan Logam 5.5.1 Sifat Mekanis
Adalah kemaampuan atau kelakuan logam untuk menahan beban yang diberikan, baik beban statis atau dinamis pada suhu biasa, tinggi atau di bawah 0 ° C.
Sifat-sifat mekanis logam antara lain:
Sifat pada beban tarik
Sifat pada pembebanan dinamis
Sifat elastisitas/penjalaran
Sifat terhadap beban yang tiba-tiba
Kekerasan logam
Geser dan puntir
5.5.2 Sifat Fisik
Adalah sifat bahan karena mengalami peristiwa fisika, seperti: pengaruh panas dan listrik.
5,5,3 Sifat Kimia
Sifat kimia suatu bahan tersebut pada larutan basa atau garam dan pengoksidasian bahan tersebut, misalnya: serangan korosi.
5.5.4 Sifat Pengerjaan
Sifat suatu bahan yang timbul dalam proses pengolahannya. Pengujian yang dilakukan antara lain: mampu dilas, mampu cor, keras.
5.6 Proses Pembuatan Baja & Paduannya
Baja dapat didefinisikan suatu campuran dari besi dan karbon, dimana unsur karbon menjadi dasar campurannya. Disamping itu, mengandung unsur campuran lainnya seperti sulfur, posfor, silikon dan mangan yang jumlahnya dibatasi. Kandungan karbon didalam baja sekitar 0,1-1,7%, sedangkan unsur lainnya dibatasi %nya.
5.7 Unsur Campuran Dasar (Karbon)
Merupakan paduan yang paling banyak dalam baja. Bila kadar karbon naik, maka sifat mekanik dan kekerasan akan naik, tapi elastisitasnya, mempu tempa, mampu las dan mampu potongnya akan turun.
5.8 Unsur Campuran Lainnya Unsur-unsur itu adalah:
a. Sulfur (S) : memberikan sifat buruk waktu kena panas tinggi dan membuat baja jadi getas. Baja mutu baik boleh mengandung Sulfur maximim 0,025%.
b. Posfor (P) : memberikan sifat buruk pada baja dan merupakan pengotor pada baja, oleh karena itu baja bermutu tinggi maksimum mengandung Posfor 0,03- 0,5%.
c. Silikon (Si) : akan selalu ada dalam baja. Yang dimaksud baja silikon harus mengandung Silikon minimum 0,4%. Silikon akan menaikkan kekuatan mekanik, sedikit mempengaruhi pada elastisitas baja tapi akan menaikkan kuat
tarik dan batas mulur. Bila Silikon ± 14%, maka baja tadi tahan terhadap korosi dan bahan kimia hanya tidak bisa ditempa.
d. Mangan (Mn): akan memperbaiki kekuatan dan kekerasan dari baja dan hanya sedikit pengaruhnya pada elastisitas. Mempengaruhi sifat mempu tempa dan mempu las. Dengan karbon akan sangat menaikkan kekuatan tahan gesek dan kekerasan. Tiap Mn 1% akan naik kekuatan tarik 10kg/mm2. Tapi tidak boleh lebih dari 8% karena akan turun.
5.9 Proses Pembuatan Baja Secara Modern
Terdapat 3 proses dalam pembuatan baja secara modern, yaitu:
1. Proses menggunakan Konvertor a. Proses Bassemer
b. Proses Thomas
c. Proses Siemens Martin 2. Proses Dapur Listrik 5.10 Jenis Baja Karbon
Baja karbon dapat diklasifikasikan berdasarkan jumlah kandungan karbonnya.
Terbagi menjadi 3 macam, yaitu:
1. Baja Karbon Rendah
Disebut juga baja ringan (mild steel) atau baja perkakas, bukan baja keras karena kandungan karbonnya < 0,3%.
Baja ini dapat dijadikan mur, baut, ulir sekrup, peralatan senjata, dll 2. Baja Karbon Sedang
Mengandung karbon 0,3-0,6% dan kandungan karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan sebagian dengan pengerasan panas.
Baja karbon sedang digunakan untuk sejumlah peralatan mesin seperti roda gigi otomotif, poros bubungan, poros engkol, sekrup, alat angkat presisi.
3. Baja Karbon Tinggi
Mengandung karbon 0,6-1,5%, dibuat dengan cara digiling panas. Apabila baja ini digunakan untuk bahan produksi maka harus dikerjakan dalam keadaan panas.
Digunakan untuk peralatan mesin berat, palu, obeng, tang, kunci mur, pegas kumparan, peralatan pertanian.
5.11 Baja Paduan
Baja paduan dihasilkan dengan biaya lebih mahal dari baja karbon, karena bertambahnya biaya untuk penambahan pengerjaan yang khusus.
Baja paduan didefinisikan sebagai suatu baja yang dicampur dengan satu atau lebih unsur campuran seperti Nikel, Chromium, Molibden, Vanatium, Mangan, Wolfram yang berguna untuk memperoleh sifat-sifat baja yang dikehendaki (misal keras, kuat, liat) tetapi unsur karbon tidak dianggap sebagai salah satu campurannya.
Vanatium : mempertinggi sifat kekerasannya
Wolfram & Molibden : membuat baja tahan api dan menambah kekerasannya
Kobalt : menambah kekenyalan dan tahan aus 5.12 Contoh Pemakaian di Lapangan
Baja/Steel 37 → batang-batang profil, sekrup, plat
Baja/Steel 42 → plat-plat kapal, batang penggerak dan poros-poros
Baja/Steel 70 → bangunan kapal, jembatan, konstruksi bangunan gedung
Baja Khrom Nikel → onderdil mobil, roda gigi
Baja Khrom Vanatium → pegas
Baja Stainless → pisau, sudu turbin
Baja Keras → pesawat keruk, perkakas
Baja Magnit → dinamo, induktor, mesin listrik
Baja Wolfram → bor, pahat
Baja Siemen Martin → gunting, garpu, pisau, pahat
5.13 Proses Pembentukan dan Bentuk-Bentuk Produk Baja
Pembentukan baja adalah tahap lanjutan dari proses pengolahan bajan dengan berbagai dapur baja. Baja yang telah cair dan ditambah dengan campuran lain (sesuai dengan kebutuhan/sifat-sifat baja yang diinginkan) dituang ke dalam cetakan yang berlubang dan didinginkan sehingga menjadi padat.
Batangan baja yang masih panas dan berwarna merah dikeluarkan dari cetakan untuk disimpan sementara dalam dapur bentuk kotak serta dijaga panasnya dengan temperatur 1100-1300 ° C menggunakan bahan bakar gas atau minyak.
5.14 Karat dan Korosi 5.14.1 Karat
Karat besi/baja (rusting) terjadi disebabkan oleh peristiwa proses kimia atau elektrokimia, ada transfer elektron sehingga terbentuknya oksida di permukaan besi/baja.
Reaksi kimianya:
Fe + O2 + 2CO2 + H2 → Fe(HCO3)2 (Ferro Karbonat)
Pada tingkat kedua Ferro Karbonat berubah menjadi Ferri Bikarbonat sesuai dengan reaksi sebagai berikut:
4Fe(HCO3) 2 + O2 → 4Fe(OH)CO3 + 4CO2 + 2H2O
Akhirnya Ferri Bikarbonat berubah menjadi Ferri Hidroksida = “karat merah” (red rust) dan karbondioksida menguap (keluar)
Fe(OH)CO3 + H2O → Fe(OH)3 + CO2 ↑ 5.14.2 Korosi
Korosi (corrosion) adalah permukaan dari besi/baja yang dimakan habis oleh karat, atau permukaan besi berkarat secara perlahan-lahan, teratur, berangsur- angsur besi kehilangan berat dan dapat menyebabkan besi hancur.
Ini adalah penyebab mula-mula berkaratnya logam. Permukaan baja secara luas kelihatan tertutup oleh sisik-sisik oksida.
Kelembaban dan polusi mempercepat proses perkaratan. Oleh karena polusi di kota sangat besar dibandingkan dengan polusi di pedesaan, maka perkaratan besi di kota umumnya sangat besar dan cepat.
5.14.3 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Korosi 1. Lingkungan
Lingkungan: air, air laut, udara, tanah.
Kecepatan korosi dalam lingkungan ini ditentukan oleh kecepatan oksigen mencapai permukaan besi/baja secara difusi.
Bila oksigen yang terlarut dalam air besar, maka jumlah difusi oksigen akan naik sehingga perkembangan karat pada permukaan besi/baja dapat dihindari/dikurangi dengan memperhatikan difusi oksigen.
Faktor-faktor utama difusi oksigen:
Konsentrasi oksigen dalam air
Kecepatan pengaliran
Suhu lingkungan 2. Sifat-Sifat Logam
Di udara dan di dalam air laut, untuk bahan unsur paduan (alloying elementer) yang tepat ialah: Posfor, Tembaga, Chromium yang dapat memberikan ketahanan terhadap korosi hingga 2-3 kali baja biasa.
Bila baja paduan rendah mulai korosi maka bahan campuran menjadi bagian karat. Hubungan antara ketebalan karat dengan ketebalan baja yang hilang:
Y=D . S . X 100.A Dimana:
Y: tebal baja yang hilang D: berat jenis karat
S: kandungan besi dalam karat (%) X: ketebalan karat
A: berat jenis besi (7,85)
Tebal karat lebih besar 3-4 kali tebal baja yang hilang
5.14.4 Lingkungan dan korosi 1. Korosi di dalam air laut
Akibat kandungan garam dalam air yang cukup tinggi. Air laut mempunyai konduktifitas yang lebih tinggi daripada air biasa.
Tingkat kecepatan korosi (corossion rate) baja di air laut 0,1 mm/thn, kira-kira 2x lipat tingkat kecepatan korosi di dalam air biasa.
2. Korosi di udara bebas (atmosfer)
Mekanismenya sama dengan korosi di dalam air. Korosi terjadi bila permukaan baja basah dan kelembaban relatif yang tinggi lebih dari 70%.
Berulangnya antara basah dan kering dalam udara akan menyebabkan terbentuknya lapisan karat pada permukaan baja.
Ketahanan terhadap korosi baja karbon di udara dapat ditingkatkan dengan memberikan sedikit unsur-unsur: Tembaga, Chrom, Posfor, Nikel atau Molibdenum.
3. Korosi di dalam tanah
Ditentukan oleh faktor yang ada di dalam tanah, yaitu:
Ketahanan listrik tanah
Permeabilitas/ porositas tanah
Kelembaban tanah
Keasaman tanah
Garam-garam di dalam tanah
Tabel 5.1 Standar Jumlah Rata-Rata Korosi Baja Karbon Tanpa Treatment Khusus
Zona Lingkup Jumlah Rata-Rata (mm/thn) Daerah Laut Di atas ketinggian muka air max
Di antara ketinggian muka air dan dasar laut
Lapisan lumpur dasar laut
0,3 0,1
0,03 Daratan Di atas tanah (udara bebas)
Di bawah tanah (di atas m.a.t.)
Di bawah tanah (di bawah m.a.t.)
0,1 0,03 0,02
Tabel 5.2 Korosi oleh Daerah Lingkungan Sekitarnya
Lingkungan Jumlah Rata-Rata Kehilangan
oleh Korosi untuk Baja Karbon yang Tanpa Treatment
Pedesaan dan pegunungan dengan udara bersih
Perkotaan dan daerah perindustrian sedang
Tepi laut dan daerah industri
Daerah industri kimia
0,01-0,03
0,03-0,06 0,06-0,12 0,12-0,90
Tingkat korosi baja terutama baja karbon banyak bervariasi oleh daerah sekitar lingkungan lokasi bangunan.
5.14.5 Melindungi & memelihara besi/baja terhadap korosi
Melindungi baja/besi ialah memberi perlakuan terhadap besi itu untuk memlihara terhadap perkaratan dan korosi.
Ada beberapa metode perlindungan terhadap korosi untuk suatu konstruksi baja:
1. Metode Perlindungan Tingkat Kesatu
Metode ini umumnya mahal, dimana ditambahkan elemen (unsur) “paduan”
terhadap baja untuk meningkatkan ketahanan produk konstruksinya, misalnya:
pemakaian baja stainless dan baja tahan cuaca (weathered steel) 2. Metode Perlindungan Tingkat Kedua
a. Metode Pelapisan (coating methods)
Pelapisan ini terbentuk di permukaan baja untuk menutup/mengisolasi besi terhadap pengaruh air yang mengandung oksigen. Pelapisan ini ada beberapa cara:
Perminyakan (oiling): perlindungan sementara dengan minyak yang tidak mudah kering (non drying oil), memberi vaselin, dll.
Pengeteran (coaltaving): digunakan ter batu bara, cara ini sederhana, murah dan efektif. Umumnya penggunaan terbatas untuk komponen besi di bawah tanah karena warnanya hitam. Komponen besi tersebut dicelupkan ke dalam larutan ter atau dikuaskan.
Pengecatan (painting): metode ini sangat umum dilakukan dengan cat-cat jenis khusus. Dapat digunakan untuk pemeliharaan jembatan, gelagar, menara, dll.
Pelapisan logam (metal coating):
1) Pelapisan dengan pencelupan panas (hot dip plating)
Pelapisan dengan logam seng: benda yang akan dilapisi dibersihkan dahulu kemudian dimasukkan ke dalam tanur dengan suhu yang diamati yang berisi logam seng cair.
Pelapisan dengan logam timah (tim plating): permukaan benda yang akan dilapisi dibersihkan dahulu kemudian dicelupkan cairan timah.
Pelapisan semprot (melt spraying): dengan logam cair. Logam yang dipergunakan Seng dan Aluminium yang dicairkan. Benda yang akan dilapisi dibersihkan dahulu, lapisan logam akan terbentuk pada permukaam baja/besi.
Pelapisan dengan bahan kimia: bahan pelapis ini dalam bentuk tepung. Permukaan benda yang akan dilapis dibersihkan terlebih
dahulu kemudian dicelupkan ke dalam cairan panas tepung bahan kimia.
2) Pelapisan dengan cara elektris (elektro plating)
Ketika aliran listrik dilewatkan melalui larutan di antara 2 elektroda, larutan terpisah menjadi ion-ion yang mengendap di sebuah elektroda.
Benda pelapis yang dapat dijadikan katoda: Nikel, Chromium, Tembaga, Seng. Proses ini mahal.
- Pelapisan Khusus (Lining): bahan pelapis digunakan karet, plastik, kaca, porselin. Pelapisan ini digunakan untuk perabot rumah tangga, papan tanda etalase, dll. Permukaan benda yang akan dilapis dibersihkan dahulu kemudian bahan pelapis yang sesuai dicairkan di atasnya.
b. Metode Elektrik (Electrical Methods)
Ini merupakan cara perlindungan baja/besi untuk konstruksi dengan teknik arus listrik. Cara ini dipergunakan apabila diperlukan ketahanan terhadap korosi yang cukup tinggi atau untuk konstruksi tiang pancang baja yang tidak dapat atau sulit perawatannya.
Ada 2 cara pelaksanaannya yaitu:
Perlindungan Sistem Katodik (Cathodic Protection). Benda/objek dibersihkan dan dijadikan sebagai katoda.
Perlindungan Sistem Anodik (Anodic Protection). Cara ini disebut
“galvanisasi” (galvanishing). Benda/objek dibersihkan dan dijadikan anoda dalam rangkaian arus listrik pada larutan. Permukaan benda akan memperoleh pelapisan sehingga terlindung dari oksidasi. Sebagai pelapis digunakan logam Seng, Magnesium, Aluminium.
5.15 Bahan Non Logam dan Plastik
5.15.1 Logam bukan besi (NON FERRO)
Adalah semua jenis logam yang tidak termasuk kelompok logam besi.
Logam-logam ini terbagi atas 2 kelompok, yaitu: Logam Non Ferro Berat dan Logam Non Ferro Ringan.
Dasar pengelompokkannya adalah berat jenis logam tersebut, dimana:
Logam Non Ferro Berat → BJ > 3500 kg/cm3
Logam Non Ferro Ringan → BJ < 3500 kg/cm3
Tabel 5.3 Daftar Logam Bukan Besi (Non Ferro)
LOGAM SIMBOL BJ (kg/cm3) Titik Cair (
°C¿ Emas
Wolfram Air raksa Timbal Molydenum Perak Bismuth Uranium Tembaga Cobalt Nikel Timah putih Mangan Seng Khrom Antimon Zirkonium Alumunium Magnesium Kalsium Natrium Kalium
Au W Hg Pb Mo Ag Bi U Cu Co Ni Sn Mn
Zn Cr Sb Zr Al Mg
Ca Na K
19300 19300 13550 11340 10200 10500 9823 9000 8920 8900 8900 7300 7200 7140 7100 6700 6390 2700 1740 1550 970 860
1063 3370 -38,87
327,5 2620 960,5
271 1132 1083 1480 1452 231,85
1260 419,4
1615 631 2350
660 650 810 97,5 62,3
5.15.2 Logam non ferro dan paduan
Yang dimaksud dengan logam-logam tersebut yaitu logam-logam non ferro yang tidak dipadu artinya logam non ferro murni.
a. Alumunium (Al)
Sehubungan dengan berat jenisnya yang ringan dan sifat-sifat nya yang tahan akan perubahan cuaca, Al diharapkan menjadi material untuk konstruksi. Kekurangannya adalah Al termasuk logam lunak dan lemah, sulit dikerjakan secara mekanis, maka Al dalam pelaksanaannya kebanyakan berupa paduan.
b. Tembaga
Tembaga murni dapat dibentuk dalam keadaan dingin, misal ditempa, dirol dan ditarik. Sifatnya akan lebih baik bila dipadu dengan Sn, Zn dan Al. Cu mempunyai sifat penghantar listrik dan panas yang baik.
c. Nikel (Ni)
Nikel termasuk logam yang mempunyai kekuatan tinggi dan cukup keras, mempunyai keliatan yang tinggi, mudah dibentuk dalam keadaan dingin atau panas. Ni tahan akan korosi bahkan terhadap air laut, oleh karena itu banyak digunakan sebagai lapisan pelindung atau sebagai unsur paduan baja.
d. Seng (Zn)
Zn murni sukar larut dalam asam. Zn tahan akan udara lembab, maka Zn baik untuk pelapis material (logam) yang berada di udara bebas. Dapat digunakan sebagai plat seng atap rumah, pipa-pipa pembuang.
SOA-SOAL BESI dan BAJA:
1. Jelaskan proses pembuatan besi baja!
2. Sebutkan dan jelaska jenis bijih besi!
3. Sebutkan bahan dasar besi mentah!
4. Sebutkan bahan bakar yang digunakan untuk meleburkan bijih besi!
5. Sebutkan dan jelaskan sifat fisik dan sifat mekanik bahaqn logam!
6. Bagaimanakah proses pembuatan baja dan paduannya?
7. Bagaimanakah proses pembuatan baja secara modern?
8. Sebutkan dan jelaskan klasifikasi baja berdasarkan jumlah kandungan karbonnya.!
9. Apakah baja paduan itu?
10. Jelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi karat/korosi!
11. Bagaimanakah cara melindungi logam dari karat/korosi?
12. Sebutkan dan jelaskan jenis-jenis logam dan beri contoh!
