BAJA

Baja adalah logam paduan, logam besi sebagai unsur dasar dengan karbon sebagai unsur paduan utamanya. Kandungan unsur karbon dalam baja berkisar antara 0.2% hingga 2.1% berat sesuai grade-nya. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras dengan mencegah dislokasi bergeser pada kisi kristal (crystal lattice) atom besi. Baja karbon ini dikenal sebagai baja hitam karena berwarna hitam, banyak digunakan untuk peralatan pertanian misalnya sabit dan cangkul.

Unsur paduan lain yang biasa ditambahkan selain karbon adalah (titanium), krom (chromium), nikel, vanadium, cobalt dan tungsten (wolfram). Dengan memvariasikan kandungan karbon dan unsur paduan lainnya, berbagai jenis kualitas baja bisa didapatkan. Penambahan kandungan karbon pada baja dapat meningkatkan kekerasan (hardness) dan kekuatan tariknya (tensile strength), namun di sisi lain membuatnya menjadi getas (brittle) serta menurunkan keuletannya (ductility).

Sejarah Penemuan Baja

Teknik peleburan logam telah ada sejak zaman Mesir kuno pada tahun 3000 SM. Bahkan pembuatan perhiasan dari besi telah ada pada zaman sebelumnya. Proses pengerasan pada besi dengan heat treatment mulai diperkenalkan untuk pembuatan senjata pada zaman Yunani 1000 SM.

Proses pemaduan yang dibuat mulai ada sejak abad 14 yang diklasifikasikan sebagai besi tempa. Proses ini dilakkan dengan pemanasan sejumlah besar bijih besi dan charchoal dalam tungku atau furnance. Dengan proses ini bijih besi mengalami reduksi menjadi besi sponge metalik yang terisi oleh slag yang merupakan campuran dari pengotor metalik dan abu charcoal. Spone iron ini dipindahkan dari furnance pada saat masih bercahaya dan diselimuti oleh slag yang tebal lalu slagnya dihilangkan untuk memperkuat besi. Pembuatan besi meggunakan metode ini menghasilkan kandingan slag sekiar 3 persen dan 0,1 persen pengotor lain. Kadang kala hasil produksi dengan metode ini menghasilkan baja bukannya besi tempa. Parapembuat besi belajar untuk membuat baja dengan memanaskan besi tempa dan charcoal pada boks yang terbuat dar tanah liat selama beberapa hari. Dengan proses ini besi akan menyerap cukup karbon untuk menjadi baja sebenarnya.

Setelah abad ke 14 tungku atau furnance yang digunakan mulai mengalami peningkatan ukuran dan  draft yang digunakan untuk pembakaran gas melewati “charge,” pada pencampuran material mentah. Pada tungku yang lebih besar ini, bijih besi pada bagian bagian atas furnance akan direduksi pertama kali direduksi menjadi besi metalik dan menghasilkan banyak karbon sebagai hasil dari serangan gas yang dilewatinya. Hasil dari furnance ini adalah pig iron, yaitu paduan yang meleleh pada temperatur rendah. Pig iron akan dproses lebih lanjut untuk membuat baja.

Pembuatan baja modern menggunakan blast furnance yang juga digunakan untuk memurniakan besi oleh pembuat besi yang lamapu. Proses pemurnian besi cair dengan peledakan udara diakui oleh penemu Inggris Sir Henry Bessemer yang mengembangkan  Bessemer furnance, atau pengkonversi, pada tahun 1855. Sejak tahun 1960 telah diproduksi baja dari besi bekas secara kecil-kecilan pada furnance elektrik, sehingga dinamakan mini mills. Mini mills adalah komponen yang sangat sangat penting bagi produksi baja Amerika. Mills yang lebih besar digunakan pada produksi baja dari bijih besi.

Proses pembuatan baja

Baja diproduksi didalam dapur pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun cair, besi bekas ( Skrap ) dan beberapa paduan logam. Ada beberapa proses pembuatan baja antara lain :

PROSES KONVERTOR

terdiri dari satu tabung yang berbentuk bulat lonjong dengan menghadap kesamping.

Sistem kerja

• Dipanaskan dengan kokas sampai ± 1500 ⁰C,
• Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja. (± 1/8 dari volume konvertor)
• Kembali ditegakkan.
• Udara dengan tekanan 1,5 – 2 atm dihembuskan dari kompresor.
• Setelah 20-25 menit konvertor dijungkirkan untuk mengelaurkan hasilnya.

• proses Bassemer (asam)

lapisan bagian dalam terbuat dari batu tahan api yang mengandung kwarsa asam atau aksid asam (SiO₂), Bahan yang diolah besi kasar kelabu cair, CaO tidak ditambahkan sebab dapat bereaksi dengan SiO_2, SiO₂ + CaO                 CaSiO₃

• proses Thomas (basa)

Lapisan dinding bagian dalam terbuat dari batu tahan api bisa atau dolomit [ kalsium karbonat dan magnesium (CaCO3 + MgCO3)], besi yang diolah besi kasar putih yang mengandung P antara 1,7 – 2 %, Mn 1 – 2 % dan Si 0,6-0,8 %. Setelah unsur Mn dan Si terbakar, P membentuk oksida phospor (P2O₅), untuk mengeluarkan besi cair ditambahkan zat kapur (CaO),

3 CaO + P₂O₅ Ca₃(PO₄)₂ (terak cair)

PROSES  SIEMENS MARTIN

menggunakan sistem regenerator (± 3000 ⁰C.) fungsi dari regenerator adalah:

1. memanaskan gas dan udara atau menambah temperatur dapur
2. sebagai Fundamen/ landasan dapur
3. menghemat pemakaian tempat

Bisa digunakan baik besi kelabu maupun putih,

• Besi kelabu dinding dalamnya dilapisi batu silika (SiO₂),
• besi putih dilapisi dengan batu dolomit (40 % MgCO₃ + 60 % CaCO₃)

PROSES BASIC OXYGEN FURNACE

• logam cair dimasukkan ke ruang baker (dimiringkan lalu ditegakkan)
• Oksigen (± 1000) ditiupkan lewat Oxygen Lance ke ruang bakar dengan kecepatan tinggi. (55 m³ (99,5 %O₂) tiap satu ton muatan) dengan tekanan 1400 kN/m².
• ditambahkan bubuk kapur (CaO) untuk menurunkan kadar P dan S.

Keuntungan dari BOF adalah:

• BOF menggunakan O₂ murni tanpa Nitrogen
• Proses hanya lebih-kurang 50 menit.
• Tidak perlu tuyer di bagian bawah
• Phosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon
• Biaya operasi murah

PROSES DAPUR LISTRIK

temperatur tinggi dengan menggunkan busur cahaya electrode dan induksi listrik.

Keuntungan :

• Mudah mencapai temperatur tinggi dalam waktu singkat
• Temperatur dapat diatur
• Efisiensi termis dapur tinggi
• Cairan besi terlindungi dari kotoran dan pengaruh lingkungan sehingga kualitasnya baik
• Kerugian akibat penguapan sangat kecil

PROSES DAPURKOPEL

mengolah besi kasar kelabu dan besi bekas menjadi baja atau besi tuang.

Proses

• pemanasan pendahuluan agar bebas dari uap cair.
• Bahan bakar(arang kayu dan kokas) dinyalakan selama ± 15 jam.
• kokas dan udara dihembuskan dengan kecepatan rendah hingga kokas mencapai 700 – 800 mm dari dasar tungku.
• besi kasar dan baja bekas kira-kira 10 – 15 % ton/jam dimasukkan.
• 15 menit baja cair dikeluarkan dari lubang pengeluaran.

Untuk membentuk terak dan menurunkan kadar P dan S ditambahkan batu kapur (CaCO3) dan akan terurai menjadi:

akan bereaksi dengan karbon:

Gas CO yang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan untuk pembangkit mesin-mesin lain.

PROSES DAPUR CAWAN

• Proses kerja dapur cawan dimulai dengan memasukkan baja bekas dan besi kasar dalam cawan,
• kemudian dapur ditutup rapat.
• Kemudian dimasukkan gas-gas panas yang memanaskan sekeliling cawan dan muatan dalam cawan akan mencair.
• Baja cair tersebut siap dituang untuk dijadikan baja-baja istimewa dengan menambahkan unsur-unsur paduan yang diperlukan

Klasifikasi baja

• Berdasarkan komposisi
• Baja karbon
• Baja paduan rendah
• Baja tahan karat
• Berdasarkan proses pembuatan
• Tanur baja terbuka
• Dapur listrik
• Proses oksidasi dasar
• Berdasarkan bentuk produk
• Pelat batangan
• Tabung
• Lembaran
• Pita
• Bentuk struktural
• Berdasarkan struktur mikro
• Feritik
• Perlitik
• Martensitik
• Austenitik
• Berdasarkan kegunaan dalam konstruksi
• Baja Struktural
• Baja Non-Struktural

JENIS BAJA
Baja secara umum dapat dikelompokkan atas 2 jenis yaitu :

• Baja karbon (Carbon steel)
• Baja paduan (Alloy steel)

1. Baja Karbon (carbon steel)
Baja karbon dapat terdiri atas :

• Baja karbon rendah (low carbon steel)

Machine, machinery dan mild steel (0,05 % – 0,30% C ) Sifatnya mudah ditempa dan mudah di mesin  Penggunaannya:
•          0,05 % – 0,20 % C : automobile bodies, buildings, pipes, chains, rivets, screws, nails.
•          0,20 % – 0,30 % C : gears, shafts, bolts, forgings, bridges, buildings

• Baja karbon menengah (medium carbon steel )
• Kekuatan lebih tinggi daripada baja karbon rendah.
• Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong.

     Penggunaan:

• 0,30 % – 0,40 % C : connecting rods, crank pins, axles.
• 0,40 % – 0,50 % C : car axles, crankshafts, rails, boilers, auger bits, screwdrivers.
• 0,50 % – 0,60 % C : hammers dan sledges

• Baja karbon tinggi (high carbon steel)  tool steel

       Sifatnya sulit dibengkokkan, dilas dan dipotong. Kandungan 0,60 % – 1,50 % C
       Penggunaan :

• screw drivers, blacksmiths hummers, tables knives, screws, hammers, vise jaws, knives, drills. tools for turning brass and wood, reamers, tools for turning hard metals, saws for cutting steel, wire drawing dies, fine cutters

2. Baja Paduan (Alloy steel)
Tujuan dilakukan penambahan unsur yaitu:

• Untuk menaikkan sifat mekanik baja (kekerasan, keliatan, kekuatan tarik dan sebagainya)
• Untuk menaikkan sifat mekanik pada temperatur rendah
• Untuk meningkatkan daya tahan terhadap reaksi kimia (oksidasi dan reduksi)
• Untuk membuat sifat-sifat spesial

Baja paduan yang diklasifikasikan menurut kadar karbonnya dibagi menjadi:

• Low alloy steel, jika elemen paduannya ≤ 2,5 %
• Medium alloy steel, jika elemen paduannya 2,5 – 10 %
• High alloy steel, jika elemen paduannya > 10 %

Baja paduan juga dibagi menjadi dua golongan yaitu baja campuran khusus (special alloy steel) &high speed steel.

• Baja Paduan Khusus (special alloy steel)

Baja jenis ini mengandung satu atau lebih logam-logam seperti nikel, chromium, manganese, molybdenum,       tungsten dan vanadium. Dengan menambahkan logam tersebut ke dalam baja maka baja paduan tersebut            akan merubah sifat-sifat mekanik dan kimianya seperti menjadi lebih keras, kuat dan ulet bila dibandingkan                terhadap baja karbon (carbon steel).

• High Speed Steel (HSS) Self Hardening Steel

Kandungan karbon : 0,70 % – 1,50 %. Penggunaan membuat alat-alat potong seperti drills, reamers, countersinks, lathe tool bits dan milling cutters. Disebut High Speed Steel karena alat potong yang dibuat dengan material tersebut dapat dioperasikan dua kali lebih cepat dibanding dengan carbon steel. Sedangkan harga dari HSS besarnya dua sampai empat kali daripada carbon steel

Jenis Lainnya :
Baja dengan sifat fisik dan kimia khusus:

• Baja tahan garam (acid-resisting steel)
• Baja tahan panas (heat resistant steel)
• Baja tanpa sisik (non scaling steel)
• Electric steel
• Magnetic steel
• Non magnetic steel
• Baja tahan pakai (wear resisting steel)
• Baja tahan karat/korosi

Dengan mengkombinasikan dua klasifikasi baja menurut kegunaan dan komposisi kimia maka diperoleh lima kelompok baja yaitu:

• Baja karbon konstruksi (carbon structural steel)
• Baja karbon perkakas (carbon tool steel)
• Baja paduan konstruksi (Alloyed structural steel)
• Baja paduan perkakas (Alloyed tool steel)
• Baja konstruksi paduan tinggi (Highly alloy structural steel)