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