BESI DAN BAJA

1.Apakah perbedaan antara besi dan baja ?

Ø  Perbedaan yang terdapat antara besi dan baja adalah banyaknya kandungan unsur   karbon yang tersusun pada besi dan baja. Pada besi, unsur karbonnya lebih banyak daripada unsur karbon pada baja.

No.	BESI	BAJA
1.	Kandungan (C) karbon pada  Besi tuang, besi tuang maleable, pig iron mengandung jumlah karbon sekitar  ,  2 %  Sampai 4%  Tetapi ada juga besi yang tidak mengandung karbon yaitu , white-heart  malleable iron.	Kandungan (C) karbon pada Baja  0,04 %  Sampai 2,0 %
2.	Mempunyai sifat brittle (sifat getas) yang tinggi karena kadar karbon yang tinggi	Dapat meningkatkan kekerasan (hardness) dan kekuatan tariknya (tensile strength)
3.	Proses pengelolahan besi relatif murah	Proses pengelolahan baja relatif lebih mahal

2. Bila dilihat pada diagram besi karbon, berapa kandungan maksimum Ferrit pada suhu kamar?

Gambar Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid (Fe-Fe3C)

Keterangan gambar :

Dari diagram diatas dapat kita lihat bahwa pada proses    pendinginan perubahan – perubahan pada struktur kristal dan  struktur mikro sangat bergantung pada komposisi kimia.

· Pada kandungan karbon mencapai 6.67% terbentuk struktur mikro dinamakan Sementit Fe₃C (dapat dilihat pada garis vertical paling kanan).

· Sifat – sifat cementitte: sangat keras dan sangat getas

· Pada sisi kiri diagram dimana pada kandungan karbon yang sangat rendah, pada suhu kamar terbentuk struktur mikro ferit.

· Pada baja dengan kadar karbon 0.83%, struktur mikro yang terbentuk adalah Perlit, kondisi suhu dan kadar karbon ini dinamakan titik Eutectoid.

· Pada baja dengan kandungan karbon rendah sampai dengan titik eutectoid, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara ferit dan perlit.

· Pada baja dengan kandungan titik eutectoid sampai dengan 6.67%, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara perlit dan sementit.

· Pada saat pendinginan dari suhu leleh baja dengan kadar karbon rendah, akan terbentuk struktur mikro Ferit Delta lalu menjadi struktur mikro Austenit.

· Pada baja dengan kadar karbon yang lebih tinggi, suhu leleh turun dengan naiknya kadar karbon, peralihan bentuk langsung dari leleh menjadi Austenit.

Penekanan terletak pada Struktur mikro, garis-garis dan Kandungan Carbon.

a. Kandungan Carbon
0,008%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada temperature kamar
0,025%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada temperature 723

b. Derajat Celcius
0,83%C = Titik Eutectoid
2%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Gamma pada temperature 1130 Derajat Celcius
4,3%C = Titik Eutectic
0,1%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Delta pada temperature 1493 Derajat Celcius

c. Garis-garis
Garis Liquidus ialah garis yang menunjukan awal dari proses pendinginan (pembekuan).
Garis Solidus ialah garis yang menunjukan akhir dari proses pembekuan (pendinginan).
Garis Solvus ialah garis yang menunjukan batas antara fasa padat denga fasa padat atau solid solution dengan solid solution.
Garis Acm = garis kelarutan Carbon pada besi Gamma (Austenite)
Garis A3 = garis temperature dimana terjadi perubahan Ferrit menjadi Autenite (Gamma) pada pemanasan.
Garis A1 = garis temperature dimana terjadi perubahan Austenite (Gamma) menjadi Ferrit pada pendinginan.
Garis A0 = Garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic pada Cementid.
Garis A2 = Garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic pada Ferrite.

d. Struktur mikro
Ferrite ialah suatu komposisi logam yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 0,025%C pada temperature 723 Derajat Celcius, struktur kristalnya BCC (Body Center Cubic) dan pada temperature kamar mempunyai batas kelarutan Carbon 0,008%C.
Austenite ialah suatu larutan padat yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 2%C pada temperature 1130 Derajat Celcius, struktur kristalnya FCC (Face Center Cubic).
Cementid ialah suatu senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C dengan perbandingan tertentu (mempunyai rumus empiris) dan struktur kristalnya Orthohombic.
Lediburite ialah campuran Eutectic antara besi Gamma dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 1130 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 4,3%C.
Pearlite ialah campuran Eutectoid antara Ferrite dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 723 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 0,83%C.

3. Beri penjelasan tentang struktur atom logam FCC,BCC dan martensite

                Gambar.FCC (face-centred cubic)

Ø  FCC (face-centred cubic) merupakan salah satu sel satuan kubus logam

      Yang spesifikasinya sebagai berikut :

o   Jumlah Atomnya                         =  4 Atom induk

o   Jumlah atom terdekat yang menyentuhnya (Bilangan koordinasi) = 12 atom

o   Atomic Packing Factor (APF)    =  0,74

o   Panjang Kisinya (a)                     = 2R√2

                                        Gambar . BCC (body-centred cubic)

Ø  BCC (body-centred cubic) merupakan salah satu sel satuan kubus logam

      Yang spesifikasinya sebagai berikut :

o   Jumlah Atomnya                         =  2 Atom induk

o   Jumlah atom terdekat yang menyentuhnya (Bilangan koordinasi) = 8 atom

o   Atomic Packing Factor (APF)    =  0,68

o   Panjang Kisinya (a)                     = 4R√3

     

Ø  Martensite merupakan salah satu metode penguatan struktur atom pada logam yang terjadi ketika material baja yang memiliki kadar karbon yang relatif tinggi dan kemudian dilakukan proses quenching atau Pendinginan secara tiba-tiba kedalam media yang laju pendinginannya cepat seperti air .Baja yang dipanaskan hingga suhu austensit ditahan ( Holding Time ) lalu di celiupkan ke dalam air . selama proses ini terjadi transformasi fasa dari γ (austensit) yang FCC menjadi martensit BCT dengan mekanisme geser .

Fasa martensit ini mempunyai sifat keras dan Getas , sehingga untuk mengurang sifat getasnya dilakukan proses temper , karena fasa yang keras ini akan meghambat gerakan dislokasi .   

4. Bagaimana hubungan antara struktur atom logam dengan bidang slip dan sifat mekanik logam ?

Ø  Bidang slip adalah Atom-atom logam yang tersusun secara teratur mengikuti pola geometris yang tertentu. Adanya tegangan geser yang cukup besar, maka atom akan bergeser dan berpindah serta menempati posisinya yang baru. Bidang-bidang atom yang jaraknay berjauhan adalah yang kerapatan atomnya tinggi. Maka, bidang slip adalah bidang yang rapat atomnya tinggi. Pergeseran atom-atom ini juga mempunyai arah, yang disebut arah slip.

Ø  Hubungan antara deformasi dengan teori dislokasi.
Dislokasi yaitu, cacat bidang atau cata garis yang mempermudah terjadinya slip. Dengan demikian adanya dislokasi akan menurunkan kekuatan logam. Hal ini disebabkan adanya tegangan geser. Dislokasi yang mencapai permukaan luar dapat diartikan menimbulakan suatu deformasi, dalam skala mikroskopis. Dislokasi dibedaka atas 2 jenis, secara model ekstrem :
1. dislokasi sisi, (garis dislokasi tegak lurus terhadap vektor slipnya, dan arah gerakan dislokasi searah dengan vektor Burgernya).
2. dislokasi ulir, (garis dislokasi searah dengan vektor Burger, arah gerakan dislokasi tegak lurus terhadap vektor Burger).

  Pengaruh pengerjaan dingin terhadap sifat logam adalah, deformasi akan menyebabkan naiknya kekerasan, naiknya kekuatan, tatapi disertai dengan turunyanya keuletan. Untuk mengembalikan logam kesifat semula (lunak dan ulet) perlu dilakukan proses pemanasan terhadap benda kerja yang telah mengalami pengerjaan dingin.
Pengaruh pemanasan setalah pegerjaan dingin, perubahan sifat akibat pemanasan tergantung pada temperatur dan waktu pemanasan. Prinsip dasarnya ialah bahawa pemanasan terhadap benda kerja yang telah mengalami deformasi akan menurunkan kerapatan dislokasinya. Pemanasan pada daerah yang dibawah temperatur rekristalisasai akan menyebabkan dua hal :

1.      Terjadinya gerakan dislokasi difusi yang disebut gerakan memanjat (climb).

2.       Pengaturan kembali susunan dislokasi yang tadinya kurang teratur menajdi  lebih teratur. Peristiwa ini disebut poligonisasi.

5. Beri penjelasan sepanjang yang anda ketahui tentang :  Ferrit,Austenit, Pearlite,          

    dan cementite ?

·      Ferrite  adalah, suatu komposisi logam yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 0,025%C pada temperature 723 Derajat Celcius, struktur kristalnya BCC (Body Center Cubic) dan pada temperature kamar mempunyai batas kelarutan Carbon 0,008%C.dan Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (body centered cubic) Ferrite dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperaturruang, 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 dalamfase ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam faselarutan 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-sifatferrite. 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, factor lain yang berpengaruh signifikan terhadap sifat-sifat mekanik adalah ukuran butir.

·         Austenite  adalah, suatu larutan padat yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 2%C pada temperature 1130 Derajat Celcius, struktur kristalnya FCC (Face Center Cubic),dan 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.

·         Cementid   adalah, suatu senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C dengan perbandingan tertentu (mempunyai rumus empiris) dan struktur kristalnya Orthohombic. 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.

·         Pearlite   adalah, campuran Eutectoid antara Ferrite dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 723 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 0,83%C.

6. Apakah pengaruh unsur pemadu berikut terhadap baja ?

·        Chromium

·        Nikel

·        Carbon

·        Mangan

·        Molybdenum

A.Chromium

Chromium memiliki sifat yang keras serta tahan terhadap korosi jika digunakan  

 sebagai unsur paduan pada baja dan besi tuang dan dengan penambahan unsur Nickel 

 maka akan diperoleh sifat baja yang keras dan tahan panas (Heat resistance-Alloy),

 dan memiliki pengaruh yaitu meningkatkan kekuatan dengan membentuk fase kedua  

 karbida.

B.Nikel

Nikel memiliki sifat mampu tempa, mampu mesin dengan pemotong HSS. Dapat dikerjakan dengan Cupping, Drawing, Spining, Swaging, Bending, dan Forming. Penyambungan dapat dilakukan dengan pengelasan, penyolderan, Brazing dan Welding.

Nikel memiliki sifat  ketahanan korosi dalam jumlah kecil selain itu juga  nikel memiliki pengaruh toughnes, menurunkan suhu dan dikenal sebagai unsur menstabilkan austenit.

Nikel dapat mempertahankan sifatnya pada temepratur tinggi. Oleh karena itu Nikel banyak digunakan sebagai pelapis dasar sebelum pelapisan dengan Chromium, dimana Nickel dapat memberikan perlindungan terhadap berbagi pengaruh gangguan korosi pada baja atau logam logam lainnya.

C.Carbon

 Carbon merupakan unsur yang penting karena mempengaruhi persentase jumlah grafit dan karbida. Semakin tinggi jumlah karbon (C) pada logam akan meningkatkan jumlah grafit dan kecendrungan untuk membentuk karbida semakin besar. Komposisi euktik dinyatakan dalam bentuk karbon equivalen (CE). Maka meningkatkan kekuatan tarik tetapi juga ada efek kecil terhadap kekerasan dan elongasi.

D. Mangan

Mangan dapat meningkatkan kekerasan . mangan juga sangat berpengaruh terhadap kadar sulphur (S). Tanpa Mn , sulphur membentuk FeS dibatas butir selama pembekuan .Dengan mangan , Mn akan mengikat S menjadi MnS yang terdistribusi pada seluruh struktur atom mikro .Sehingga Jumlah ferrit yang bebas akan maksimum dan kekerasan akan minimum. Kelebihan Mn dari kondisi seimbang akan menyebabkan terjadinya struktur ferrit dan menaikan kekerasan dan kekuatan.

E.Molybdenum

            Molybdenum memiliki pengaruh yaitu membantu untuk melawan embrittlement, Stabil karbida; menghambat pertumbuhan butir, dengan titik Cair 26200 ˚C. Terdapat dalam bentuk Sulphide serta berbagai Oxid pada berbagai jenis Logam.Molybdenum (Mo) digunakan sebagai unsur paduan pada baja dan Besi Tuang (Cast Iron).

7. Beri penjelasan sepanjang yang anda ketahui tentang :

·        Annealing

·        Carburizing

·        Quenching

·        Tempering

       

Ø  Annealing
      Annealing merupakan suatu proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur , memperbaiki ukuran butir serta untuk memperbaiki machinibility (mampu mesin) pada logam dengan tujuan utama dari proses ini adalah softening baja . pengerjaan annealing ini dilakukan dengan cara memanaskan logam baja hingga di atas temperatur trasnformasi (723°C) bertujuan untuk mengubah ke fasa austenit kemudian didinginkan secara perlahan-lahan (pendinginan tungku).

Tahap proses annealing sebagai berikut :

o   Pemanasan sampai temperature ( 900°C ). Waktu pemanasan tergantung komposisi kimia dan tebal penampang atau minimal 2 jam

o   Kemudian diturunkan sampai temperature 700°C dan ditahan pada temperature tersebut dengan waktu minimal 5 jam.

o   Penurunan ke temperature kamar dapat dilakukan dengan berbagai cara , yaitu :

ü  Pendinginan dalam tungku

ü  Pendinginan udara (normalizing)

ü  Dari temperature 700° C diturunkan sampai 480° C kemudian diikuti pendinginan udara atau tungku

                       Baja yang dalam proses pengerjaannya mengalami pemanasan sampai      

               temperature yang terlalu tinggi ataupun waktu tahan (holding time) terlalu lama  

               biasanya butiran kristal austenitenya akan terlalu kasar dan bila didinginkan

               dengan lambat akan menghasilkan ferrit atau pearlite yang kasar sehingga sifat

               mekaniknya (akan lebih getas). Untuk baja hypereutectoid,annealing merupakan    

               persiapan untuk proses selanjutnya dan tidak merupakan proses akhir.

Ø Carburizing

Carburizing  adalah salah satu proses perlakuan panas dan penambahan unsure karbon (C). proses di mana besi atau baja dipanaskan di hadapan materi lain (di kisaran 900-950 ° C (1.650 sampai 1.740 ° F)) yang membebaskan karbon seperti decomposes Tergantung pada jumlah waktu dan suhu, daerah yang terkena dapat bervariasi dalam kadar karbon. kandungan karbon lebih tinggi pada permukaan luar menjadi keras melalui transformasi dari austenit ke martensit , sedangkan inti tetap lunak dan keras sebagai feritik dan / atau perlit mikro .

Ø Quenching

Quenching merupakan proses Perlakuan baja yang dilakukan dengan memanaskan baja hingga fasa menjadi austenit dan didinginkan secara cepat (lihat diagram CCT baja karbon rendah). Media pendinginan cepat seperti air, oli, garam , timah cair atau media pendingin lainnya dengan suhu sampai 243 °C (470° F). Tujuan utama perlakuan ini untuk meningkatkan kekerasan baja.

Ø Tempering

      Proses tempering adalah proses transformasi dekomposisi austensit isothermal pada temperatur antara 230° C- 540° C, yaitu pada temperatur pembentukan antara pearlit dan mautensit.

      Perlakuan pemanasan kembali logam baja yang telah dikeraskan (quenching) dengan pencelupan cepat. Suhu pemanasan adalah agak rendah dibawah suhu transformasi eutectoid (lihat diagram fasa biner Fe-C). Tujuan utama yaitu mengurangi nilai kekerasan logam sehingga keuletan (ductility) logam akan naik. Beberapa variabel penting dalam perlakuan temper adalah temperatur, waktu pemanasan dan lain-lain.
berikut langkah – langkah proses tempering :

1.      Pemanasan logam nodular sampai temperatur austensi , yaitu sekitar 815-927 °C.

2.      Menalian temperatur tersebut sampai ± 2 jam.

3.      Melakukan quenching secara cepat untuk menghindari terbentuknya martensite sampai temperatur 232 - 400°C.

4.      Menahan temperatur untuk menghasilkan bainit.

5.      Pendinginan udara pada temperatur kamar