Baja merupakan salah satu bahan yang sangat banyak dipakai di seluruh dunia untuk keperluan kehidupan manusia, khususnya di dunia industri. Ditemukan buat pertama kali oleh orang Mesir lebih dari 4000 tahun yang lalu untuk perhiasan dan alat rumah tangga yang kemudian berkembang menjadi bahan berharga dan dimanfaatkan orang setiap hari saat ini.
Untuk menjadikan baja, banyak proses yang dilakukan, sehingga membutuhkan ilmu pengetahuan dan teknologi agar dapat dipakai dalam berbagai keperluan.
Baja Paduan
Baja dikatakan sebagai sebuah paduan jika komposisi unsur-unsur paduannya secara khusus, bukan baja karbon biasa yang terdiri dari unsur silisium dan mangan. Baja paduan semakin banyak digunakan.Unsur yang paling banyak digunakan untuk baja paduan, yaitu: Cr, Mn, Si, Ni, W, Mo, Ti, Al, Cu, Nb dan Zr. Baja paduan dapat diklasifikasikan sesuai dengan komposisi struktur dan penggunaan
1. Komposisi :
Berdasarkan komposisi baja paduan dibagi lagi menjadi : Baja tiga komponen : terdiri satu unsur pendukung dalam penambahan Fe dan C. dan Baja empat komponen : terdiri dua unsur pemadu dst. Sebagai contoh baja paduan kelas tinggi terdiri: 0,35% C, 1% Cr, 3% Ni dan 1% MO.
2. Struktur
Baja paduan diklasifikasikan berdasarkan :
- Baja pearlit
- Baja martensit
- Baja austenit
- Baja ferrite
- Karbid atau ledeburit.
Baja pearlit (sorbit dan troostit), didapat, jika unsur-unsur paduan relatif kecil maksimum 5% Baja ini mampu dimesin, sifat mekaniknya meningkat oleh heat treatment (hardening dan tempering) Baja martenst, unsur pemadunya lebih dari 5%, sangat keras dan sulit untuk dimesin. Baja austenit, terdiri dari 10 – 30 % unsur pendukung tertentu (Ni, Mn atau CO) Misalnya : Baja tahan karat (Stainlees steel), non magnetic dan baja tahan panas (heat resistant steel). Baja ferrit, terdiri dari sejumlah besar unsur pemadu (Cr, W atau Si) tetapi karbonnya rendah. Tidak dapat dikeraskan. Baja karbid (ledeburit), terdiri sejumlah karbon dan unsur-unsur penbentuk karbid (Cr, W, Mn, Ti, Zr).
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 :
1. Proses konvertor
terdiri dari satu tabung yang berbentuk bulat lonjong dengan menghadap kesamping.
Sistem kerja
• Dipanaskan dengan kokas sampai ± 1500°C,
• 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.
2. 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 SiO2, SiO2 + CaO CaSiO3
3. 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)
4. Proses Siemens Martin
menggunakan sistem regenerator (± 3000 °C.) fungsi dari regenerator adalah :
a. memanaskan gas dan udara atau menambah temperatur dapur
b. sebagai Fundamen/ landasan dapur
c. 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)
5. 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
6. Proses dapur listrik
temperatur tinggi dengan menggunkan busur cahaya elektroda 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
7. proses dapur kopel
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.
Gas CO yang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan untuk pembangkit mesin-mesin lain.
8. 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
1. Menurut komposisi kimianya:
a. Baja karbon (carbon steel), dibagi menjadi tiga yaitu;
• Baja karbon rendah (low carbon steel) à 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) à 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.
b. Baja paduan (alloy steel)
Tujuan dilakukan penambahan unsur yaitu:
1. Untuk menaikkan sifat mekanik baja (kekerasan, keliatan, kekuatan tarik dan sebagainya)
2. Untuk menaikkan sifat mekanik pada temperatur rendah
3. Untuk meningkatkan daya tahan terhadap reaksi kimia (oksidasi dan reduksi)
Untuk membuat sifat-sifat spesial
Baja paduan yang diklasifikasikan menurut kadar karbonnya dibagi menjadi:
1. Low alloy steel, jika elemen paduannya ≤ 2,5 %
2. Medium alloy steel, jika elemen paduannya 2,5 – 10 %
3. High alloy steel, jika elemen paduannya > 10 %
Selain itu baja paduan dibagi menjadi dua golongan yaitu baja campuran khusus (special alloy steel) dan 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) à 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.
Baja Paduan dengan Sifat Khusus
1. Baja Tahan Karat (Stainless Steel)
Sifatnya antara lain:
• Memiliki daya tahan yang baik terhadap panas, karat dan goresan/gesekan
• Tahan temperatur rendah maupun tinggi
• Memiliki kekuatan besar dengan massa yang kecil
• Keras, liat, densitasnya besar dan permukaannya tahan aus
• Tahan terhadap oksidasi
• Kuat dan dapat ditempa
• Mudah dibersihkan
• Mengkilat dan tampak menarik
2. High Strength Low Alloy Steel (HSLS)
Sifat dari HSLA adalah memiliki tensile strength yang tinggi, anti bocor, tahan terhadap abrasi, mudah dibentuk, tahan terhadap korosi, ulet, sifat mampu mesin yang baik dan sifat mampu las yang tinggi (weldability). Untuk mendapatkan sifat-sifat di atas maka baja ini diproses secara khusus dengan menambahkan unsur-unsur seperti: tembaga (Cu), nikel (Ni), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Vanadium (Va) dan Columbium.
3. Baja Perkakas (Tool Steel)
Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh baja perkakas adalah tahan pakai, tajam atau mudah diasah, tahan panas, kuat dan ulet.
Kelompok dari tool steel berdasarkan unsur paduan dan proses pengerjaan panas yang diberikan antara lain:
a. Later hardening atau carbon tool steel (ditandai dengan tipe W oleh AISI), Shock resisting (Tipe S), memiliki sifat kuat dan ulet dan tahan terhadap beban kejut dan repeat loading. Banyak dipakai untuk pahat, palu dan pisau.
b. Cool work tool steel, diperoleh dengan proses hardening dengan pendinginan yang berbeda-beda. Tipe O dijelaskan dengan mendinginkan pada minyak sedangkan tipe A dan D didinginkan di udara.
c. Hot Work Steel (tipe H), mula-mula dipanaskan hingga (300 – 500) ºC dan didinginkan perlahan-lahan, karena baja ini banyak mengandung tungsten dan molybdenum sehingga sifatnya keras.
d. High speed steel (tipe T dan M), merupakan hasil paduan baja dengan tungsten dan molybdenum tanpa dilunakkan. Dengan sifatnya yang tidak mudah tumpul dan tahan panas tetapi tidak tahan kejut.
e. Campuran carbon-tungsten (tipe F), sifatnya adalah keras tapi tidak tahan aus dan tidak cocok untuk beban dinamis serta untuk pemakaian pada temperatur tinggi.
Klasifikasi lain antara lain :
a. Menurut penggunaannya:
• Baja konstruksi (structural steel), mengandung karbon kurang dari 0,7 % C.
• Baja perkakas (tool steel), mengandung karbon lebih dari 0,7 % C.
b. 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:
1. Baja karbon konstruksi (carbon structural steel)
2. Baja karbon perkakas (carbon tool steel)
3. Baja paduan konstruksi (Alloyed structural steel)
4. Baja paduan perkakas (Alloyed tool steel)
5. Baja konstruksi paduan tinggi (Highly alloy structural steel)
Selain itu baja juga diklasifisikan menurut kualitas :
1. Baja kualitas biasa
2. Baja kualitas baik
3. Baja kualitas tinggi