Logam Ferro

LOGAM FERRO

A.    PENGERTIAN LOGAM FERRO

Logam ferro adalah suatu logam paduan yang terdiri dari campuran unsur karbon dengan besi. Untuk menghasilkan suatu logam paduan yang mempunyai 2 sifat yang berbeda dengan besi dan karbon maka dicampur dengan bermacam logam lainnya.

Logam ferro terdiri dari komposisi kimia yang sederhana antara besi dan karbon. Masuknya unsur karbon ke dalam besi dengan berbagai cara.

Jenis logam ferro adalah sebagai berikut.

1.    Besi Tuang

Komposisinya yaitu campuran besi dan karbon. Kadar karbon sekitar 4%, sifatnya rapuh tidak dapat ditempa, baik untuk dituang, liat dalam pemadatan, lemah  dalam tegangan. Digunakan untuk membuat alas mesin, meja perata, badan ragum, bagian-bagian mesin bubut, blok silinder, dan cincin torak.

2.    Besi Tempa

Komposisi besi tempa terdiri dari 99% besi murni,sifat dapat ditempa,liat,dan tidak dapat dituang.Besi tempa antara lain dapat digunakan untuk membuat rantai jangkar,kait keran dan landasan kerja pelat.

3.   Baja Lunak

Komposisi campuran besi dan karbon, kadar karbon 0,1% -0,3% mempunyai sifat dapat ditempa dan liat. Digunakan untuk membuat mur; sekrup, pipa, dan keperluan umum dalam pembangunan.

4.   Baja Karbon Sedang

Komposisi campuran besi dan karbon, kadar karbon 0,4% - 0,6%.Sifat lebih kenyal dari yang keras. Digunakan untuk membuat benda kerja tempa berat, poros, dan rel baja.

5.    Baja Karbon Tinggi

Komposisi campuran besi dan karbon, kadar karbon 0,7 - 1,5%. Sifat dapat ditempa, dapat disepuh keras, dan dimudakan. Digunakan untuk membuat kikir, pahat, gergaji, tap, stempel, dan alat mesin bubut.

6.   Baja Karbon Tinggi dengan Campuran

Komposisi baja karbon tinggi ditambah nikel atau kobalt, krom atau tungsten. Sifat rapuh, tahan suhu tinggi tanpa kehilangan kekerasan, dapat disepuh  keras, dan dimudakan. Digunakan untuk membuat mesin bubut dan alat-alat mesin.

B.    PROSES DASAR DALAM PEMBUATAN BAJA

Proses pembuatan baja dapat dilakukan berdasarkan proses asam dan basa  yang berhubungan dengan sifat kimia yang menghasilkan terak dari lapisan dapur.

Proses asam digunakan untuk memurnikan besi kasar yang persentasenya rendah dalam fosfor dan sulfur. Besi kasar ini dihasilkan dari bijih besi yang kaya silikon yang akan menghasilkan terak asam. Lapisan dapur dibangun dari batu silika (SiO2) dan mempunyai sifat yang sama dengan terak, sehingga mencegah reaksi antara unsur fosfor dengan lapisan dapur.

Proses basa digunakan untuk mernurnikan besi kasar yang kaya fosfor. Unsur itu hanya dapat dikeluarkan apabila digunakan sejumlah besar dari batu kapur selama berlangsung proses pemurnian, sehingga akan menghasilkan terak. Lapisan dapur harus terbuat dari batu kapur untuk mencegah reaksi antara lapisan dapur dengan unsur silikon.

C.   PERKEMBANGAN PROSES PEMBUATAN BAJA

Pembuatan baja telah dilakukan di Asia sekitar awal abad ke-14 yang berdasarkan atas penyerapan karbon sewaktu besi dipanaskan dalam atmosfer yang kaya dengan karbon. Dalam proses ini besi tempa dibungkus atau dikelilingi dengan serbuk arang kayu di dalam tromol. Kemudian tromol ditutup dan dipanaskan untuk beberapa hari sehingga karbon diserap oleh besi dan membentuk sementit pada permukaan besi tempa. Proses seperti itu disebut proses segmentasi.

Setelah proses segmentasi selesai maka batangan besi dipanaskan kembali dan ditempa yang membuat pendistribusian karbon ke arah melintang, tetapi biasanya pendistribusian yang baik tidak pernah diperoleh. Proses itu telah berhasil membuat peralatan kecil seperti mata pahat potong, dan sekarang pekerjaan seperti itu digunakan proses karburasi sewaktu dilakukan penyepuhan.

Dalam proses cawan yang merupakan salah satu proses pencampuran dan proses yang sebenarnya dalam pengerjaan besi tempa adalah proses segmentasi.

Unsur-unsur campuran yang telah cair di dalam dapur cawan yang berkapasitas 20 kg dituangkan ke dalam cetakan setelah terak dikeluarkan terlebih dahulu. Proses ini menghasilkan baja yang berkualitas baik tetapi tingkat produksinya rendah.

Baja dapat dihasilkan dengan mengembuskan udara melalui besi kasar cair di dalam dapur yang disebut "konvertor", sehingga unsur-unsur yang tidak murni akan dikeluarkan dengan jalan oksidasi.

Pada waktu itu cara pembuatan jalan kereta api dan pembuatan peralatan hampir sama pentingnya. Proses itu, secara potensial merupakan era yang baik untuk menghasilkan baja, karena sejak udara dimasukkan atau diembuskan, kotoran-kotoran di dalam baja akan berkurang.

Proses Bessemer mengolah baja dengan menggunakan besi kasar berkualitas baik yang mengandung fosfor rendah. Bila fosfornya tinggi baja yang dihasilkan berkualitas rendah, sebab dalam proses pengolahan tidak seluruh fosfor dapat dikeluarkan.

Masalah pengeluaran unsur fosfor telah dapat dipecahkan pada proses Dapur Thomas, dengan menggunakan batu kapur pada lapisan dasar dapur. Sehingga sampai saat ini proses Thomas digunakan untuk memproses besi kasar yang kaya dengan fosfor.

D.   PROSES PEMBUATAN BAJA SECARA MODERN

Dewasa ini telah digunakan beberapa cara modern dalam pembuatan baja. Ada tiga proses dalam pembuatan baja secara modern, yaitu.

1.   Proses Menggunakan Konvertor

Konvertor terbuat dari pelat baja dengan mulut terbuka (untuk memasukkan bahan baku dan mengeluarkan cairan logam) serta dilapisi batu tahan api. Konvertor diikatkan pada suatu tap yang dapat berputar sehingga konvertor dapat digerakkan pada posisi horizontal untuk memasukkan dan mengeluar­kan bahan yang diproses dan pada posisi vertikal untuk pengembusan selama proses berlangsung. Konvertor ini dilengkapi dengan pipa yang berlubang kecil (diameternya sekitar 15-17 mm) dalam jumlah yang banyak (sekitar 120 - 150 buah pipa) yang terletak pada bagian bawah konvertor. Sewaktu proses berlangsung udara diembuskan ke dalam konvertor melalui pipa saluran dengan tekanan sekitar 1,4 kg/cm² dan langsung diembuskan ke cairan untuk mengoksidasikan unsur yang tidak murni dan karbon. Kandungan karbon terakhir dioksidasi dengan penambahan besi kasar yang kaya akan mangan, seterusnya baja cair dituangkan ke dalam panci-panci dan dipadatkan menjadi batang-batang cetakan..Kapasitas konvertor sekitar 25 – 60 ton dan setiap proses memerlukan waktu 25 menit.Proses pembuatan baja yang menggunakan konvertor adalah sebagai berikut.

a.    Proses Bessemer |

Proses Bessemer adalah suatu proses pembuatan baja yang dilakukan di dalam konvertor yang mempunyai lapisan batu tahan api dari kuarsa asam atau oksida asam (SiO2), sehingga proses ini disebut "Proses Asam". Besi kasar yang diolah dalam konvertor ini adalah besi kasar kelabu yang kaya akan unsur silikon dan rendah fosfor (kandungan fosfor maksimal adalah 0,1%).                                                                           

Besi kasar yang mengandung fosfor rendah diambil karena unsur fosfor tidak dapat direduksi dari dalam besi kasar apabila tidak diikat dengan batu kapur. Di samping itu fosfor dapat bereaksi dengan lapisan dapur yang terbuat dari kuarsa asam, reaksi ini membahayakan atau menghabiskan lapisan konvertor

Oleh karena itu, sangat menguntungkan apabila besi kasar yang diolah dalam proses ini adalah besi kasar kelabu yang mengandung silikon sekitar 1,5% - 2%.

Dalam proses ini bahan baku dimasukkan dan dikeluarkan sewaktu konvertor dalam posisi horizontal (kemiringannya sekitar 30°). Sementara itu, udara diembuskan dalam posisi vertikal atau disebut juga kedudukan proses.

Dalam konvertor, yang pertama terjadi adalah proses oksidasi unsur silikon yang menghasilkan oksida silikon. Kemudian diikuti oleh proses oksidasi unsur fosfor dan mangan yang menghasilkan oksida fosfor dan oksida mangan, ditandai dengan adanya bunga api yang berwarna kehijau-hijauan.

Proses oksidasi yang terakhir adalah mengoksidasi karbon. Proses ini berlangsung disertai dengan suara gemuruh dan nyala api berwarna putih dengan panjang sekitar 2 meter, kemudian nyala api mengecil. Sebelum nyala api padam, ditambahkan besi kasar yang banyak mengandung mangan, kemudian baja cair dituangkan ke dalain panci-panci tuangan dan dipadatkan dalam bentuk batang-batang baja.

b.   Proses Thomas

Proses Thomas adalah suatu proses pembuatan baja yang dilakukan di dalam konvertor yang bagian dalamnya dilapisi dengan batu tahan api dari bahan karbonat kalsium dan magnesium karbonat (CaCO + MgCO3) yang disebut "dolomit". Proses ini disebut juga proses basa karena lapisan konvertor terbuat dari dolomit dan hanya mengolah besi kasar putih yang kaya dengan fosfor (sekitar 1,7 - 2%) dan mengandung unsur silikon rendah (sekitar 0,6 - 0,8%). Proses ini makin baik hasilnya apabila besi kasar yang diolah mengandung unsur silikon yang sangat rendah.

Dalam proses ini udara diembuskan ke cairan besi kasar di dalam konvertor melalui pipa saluran udara, sehingga terjadi proses oksidasi di dalam cairan terhadap unsur-unsur campuran. Pertama kali unsur yang dioksidasi adalah silikon (Si), kemudian mangan (Mn), dan fosfor (P). Oksidasi unsur fosfor terjadi cepat sekali, sekitar 3-5 menit dan proses oksidasi yang terakhir adalah unsur karbon disertai suara gemuruh dan nyala api yang tinggi. Apabila nyala api sudah mengecil dan kemudian padam berarti proses oksidasi telah selesai. Proses oksidasi yang terjadi pada unsur-unsur di dalam besi kasar menghasilkan oksida yang akan dijadikan terak dengan jalan menambahkan batu kapur ke dalam konvertor.

Selanjutnya terak cair dikeluarkan dari dalam konvertor, diikuti dengan penuangan baja cair ke dalam panci-panci tuangan kemudian dipadatkan menjadi batangan baja.

c. Proses Siemens Martin

Proses tungku terbuka disebut juga proses Siemens Martin, yang

disesuaikan dengan nama ahli penemu proses tersebut. Proses ini

digunakan untuk menghasilkan baja yang mengandung karbon sedang

dan rendah dengan cara proses asam atau basa, sesuai dengan sifat

lapisan dapurnya.

Proses ini berlangsung di dalam dapur tungku terbuka atau dapur Siemen Martin yang mempunyai kapasitas 150 - 300 ton, bahan bakarnya gas yang dihasilkan dengan pembakaran kokas diatas tungku atau bahan bakar minyak. Dapur ini menggunakan prinsip regenerator (hubungan  balik) dan  tungku  pemanas dapat mencapai  temperatur sekitar 900 -1.200°C, tungku pemanas ini bisa mencapai temperatur tinggi apabila diperlukan, dan pada waktu yang sama menghemat bahan bakar.

Dalam proses ini dapur diisi dengan besi kasar dan baja bekas, kemudian dicairkan sehingga beberapa unsur campuran terbentuk menjadi terak di atas permukaan cairan besi, tambahkan bijih besi atau serbuk besi yang berguna untuk mereduksi karbon, maka lubang pengeluaran dapur dibuka dan cairan dituangkan ke dalam panci-panci tuangan. Baja cair meninggalkan dapur sebelum terak cair dan beberapa terak dapat dicegah meninggalkan dapur sarnpai seluruh baja cair dikeluarkan, kemungkinan terak ikut tertuang ke dalam panel yang akan mengapung di atas baja cair sehingga perlu dikeluarkan dan dituangkan ke dalam panci yang berukuran kecil.

Baja cair yang telah penuh di dalam panci dituangkan ke dalam cetakan melalui bagian bawah cetakan, sehingga terak tetap di dalam panci dan terakhir dikeluarkan. Selain itu, dapat pula dipisahkan dengan cara menuangnya ke dalam cetakan yang lebih kecil. Setiap melakukan proses pemurnian besi kasar dan bahan tambahan lainnya berlangsung selama 12 jam, kemudian diambil sejumlah baja cair sebagai contoh untuk dianalisis komposisinya. Sementara itu, terak yang dihasilkan dari proses basa digunakan sebagai pupuk buatan.

2.   Proses Dapur Listrik

Baja yang berkualitas tinggi dihasilkan apabila dilakukan pengontrolan temperatur peleburan dan memperkecil unsur-unsur campuran di dalam baja yang dilakukan selama proses pemurnian.

Proses pengolahan seperti ini dilakukan dengan menggunakan dapur listrik. Pada awal pemurnian baja menggunakan dapur tungku terbuka atau konvertor, selanjutnya dilakukan di dalam dapur listrik sehingga diperoleh baja yang berkualitas tinggi. Dapur listrik terdiri dari dua jenis, yaitu dapur listrik busur nyala dan dapur induksi frekuensi tinggi.

a.   Dapur listrik busur nyala

Dapur ini mempunyai kapasitas 25 - 100 ton dan dilengkapi dengan tiga buah elektroda karbon yang dipasang pada bagian atas atau atap dapur, disetel secara otomatis untuk menghasilkan busur nyala yang secara langsung memanaskan dan mencairkan logam.

Dapur ini dapat mengolah logam dengan proses asam atau basa sesuai dengan lapisan batu tahan apinya dan bahan yang dimasukkan ke dalam dapur (besi kasar), termasuk logam bekas (baja atau besi) yang terlebih dahulu diketahui komposisinya. Apabila dilakukan proses basa maka terjadi oksidasi terak dari batu kapur atau bubuk kapur untuk mereduksi unsur-unsur campuran. Selanjutnya diperoleh pemisahan terak (mengandung batu kapur) dari baja cair. Juga dapat ditambahkan dengan logam campur sebelum cairan dikeluarkan dari dalam dapur untuk mencegah oksidasi.

b.    Dapur induksi frekuensi tinggi

Dapur ini terdiri dari kumparan yang dililiti kawat mengelilingi cawan batu tahan api, ketika tenaga yang dialirkan dari listrik, akan menghasilkan arus listrik yang bersirkulasi di dalam logam yang menyebabkan terjadinya pencairan. Apabila bahan logam telah cair maka arus listrik membuat gerak mengaduk (berputar). Kapasitas dari dapur jenis ini adalah 350 kg - 6 ton pada umumnya dapur ini digunakan untuk memproduksi baja paduan yang khusus