Komposisi kimia baja

Komposisi Kimia Baja

A. UMUM

Baja pada dasarnya ialah besi (Fe) dengan tambahan unsur Karbon ( C ) sampai dengan 1.67% (maksimal). Bila kadar unsur karbon ( C) lebih dari 1.67%, maka material tersebut biasanya disebut sebagai besi cor (Cast Iron).

Makin tinggi kadar karbon dalam baja, maka akan mengakibatkan hal- hal sbb:

• Kuat leleh dan kuat tarik baja kan naik,
• Keliatan / elongasi baja berkurang,
• Semakin sukar dilas.

Oleh karena itu adalah penting agar kita dapat menekan kandungan karbon pada kadar serendah mungkin untuk dapat mengantisipasi berkurangnya keliatan dan sifat sulit dilas diatas, tetapi sifat kuat leleh dan kuat tariknya tetap tinggi.

Penambahan unsur – unsusr ini dikombinasikan dengan proses heat treatment akan menghasilkan kuat tekan yang lebih tinggi, tetapi keuletan dan keliatan, dan kemampuan khusus lainnya tetap baik. Unsur – unsur tersebut antara lain: Mangaan (Mn), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Nikel (Ni) dan tembaga (Cu). Tetapi proporsional pertambahan kekuatannya tidak sebesar karbon. Pertambahan kekuatannya semata –mata karena unsur tersebut memperbaiki struktur mikro baja.

Untuk memahami pengaruh komposisi kimia dan heat treat terhadap sifat akhir baja, maka kita perlu menganal factor – factor sbb:

• Struktur mikro,
• Ukuran butiran,
• Kandungan nonlogam.
• Endapan dipermukaan antar butiran.
• Keberadaan gas – gas yang terserap atau terlarut

B. STRUKTUR MIKRO

Unsur Fe dan C menyususn diri dalam suatu struktur berulang dalam pola tiga dimensi yang dinamakan dengan kristal. Kristal –kristal yang berorientasi (arah pengulangan / susunan ) sama disebut sebagai butir.Susunan kumpulan butir satu dengan yang lain pada suatu fasa tertentu dinamakan struktur mikro, contoh struktur mikro antara lain: ferit, perlit dan sementit.

C. UKURAN BUTIR

Penghalusan butir baja akan menghasilkan:

• Peningkatan kuat leleh (yield strength),
• Perbaikan sifat keuletan (toughness) dan keliatan (ductility),

Penghalusan butiran dapat dilakukan dengan penambahan unsur niobium, vanadium dan aluminium dengan jumlah maksimal 0.05% atau dengan heat treatment.

D. KANDUNGAN UNSUR-UNSUR NON LOGAM

Unsur – unsur non-logam yang umumnya dibatasi jumlahnya didalam produk baja adalah Sulfur (S) dan Fosfor (P).

Tinggi kadar kedua unsur tersebut bisa menurunkan keliatan (ductility) baja dan meningkatkan kemungkinan retak pada sambungan las. Pada baja khusus mampu las, kandungan kedua unsur diatas dibatasi kurang dari 0.05%.

E. ENDAPAN DI PERMUKAAN ANTAR BUTIRAN

Unsur – unsur lain yang juga dapat menurunkan keuletan baja baja anatar lain: timah (Sn), antimon (Sb) dan arsen (As) hingga baja menjadi getas.

Sifat getas ini ditimbulkan oleh pengendapan atau berkumpulnya unsur – unsur diatas dibidang batas antar butir baja pada suhu 500 – 600^o .

F. KANDUNGAN UNSUR-UNSUR NON LOGAM

Baja yang mengandung gas – gas terlarut dalam kadar yang tinggi terutama: Oksigen (O) dan Nitrogen (N) dapat menimbulkan sifat getas. Untuk mengurangi kadar gas tersebut biasa digunakan unsur -  unsur yang dapat mengikat kedua unsur gas diatas menjadi senyawa yang cukup ringan sehinggan senyawa tersebut akan mengapung ke permukaan baja yang masih panas dan cair.

Unsur -  unsur pengikat gas N dan O biasanya digunakan unsur silicon (Si) dan atau aluminium (Al) yang fungsinya disebut sebagai Deoxidant.

G. SIFAT TAHAN PANAS DAN TAHN KOROSI

Sifat – sifat khusus baja seperti yang dibahas pada bab 1 paragraf 4, dapat dicapai dengan penambahan unsur – unsur utama sebagai berikut: Chrom (Cr), Nikel (Ni) dan molybdenum (Mo).

Baj tahan karat umumnya mengandung unsusr Chrom lebih dari 12%, dimana pada kondisi seperti itu baja akan bersifat pasif terhadap proses oksidasi. Baja tahan karat dapat dibedakan sesuai struktur mikronya yaitu: baja tahan panas martensit, baja tahan panas ferit dan baja tahan panas austenit.

Baja tahan karat martensit mengandung chrom 13% kuat leleh dan tariknya diperoleh dari proses pendinginan pada kondisi udara luar, sesuai untuk lingkungan korosif ringan, serta biasanya digunakan untuk saluran dan rumah –rumah turbin.

Baja tahan karat ferit mengandung chrom 16%, sesuai untuk lingkungan korosif terutama terhadap bahan kimia asam nitrat, serta biasanya digunakan untuk komponen – komponen dalam industri kimia.

Baja karat austenit mengandung chrom-nikel 18%, dimana sifat tahan karatnya didapat melalui pemanasan pada suhu 1000 - 1100⁰ lalu didinginkan dengan direndam kedalam air, sesuai untuk lingkungan yang mengandung garam, serta biasanya digunakan untuk baling – baling kapal.

Baja tahan panas biasanya dinamakan untuk baja yang tahan pada suhu 650⁰, dimana sifat itu didapat pada kodisi kadar chrom dan nikel yang cukup tinggi. Berbeda dengan baja tahan karat adalah umunya kandungan karbonnya lebih tinggi. Umumnya digunakan pada ketel uap, boiler, tungku dan lain – lain.

SIFAT MEKANIK LOGAM DAN FAKTOR YANG MEMPENGARUHINYA

Sifat mekanik logam adalah suatu sifat terpenting karena sifat mekanik logam menyatakan kemampuan suatu logam untuk menerima beban atau gaya dari luar tanpa mengalami kerusakan pada logam tersebut.Beberapa sifat-sifat mekanik antara lain:

1.        Kekuatan (Strength) [N/mm³, kg/mm², lb/in²]

Merupakan kemampuan suatu bahan untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan bahan tersebut patah. Kekuatan ada beberapa macam tergantung pada jenis beban yang bekerja. Contohnya:
kekuatan tarik,tekan, geser, torsi, dan kekuatan lengkung.

2.        Kekerasan (Hardness) [BHN, VHN, HRc]

Kekerasan adalah kemampuan suatu material untuk menerima penetrasi benda runcing, goresan, kikisan tanpa mengalami deformasi.

3.        Kekenyalan (Elasticity) [%]

Kekenyalan merupakan kemampuan suatu bahan untuk menerima tegangan atau beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi).

4.        Plastisitas (Plasticity) [%]

Merupakan kemampuan bahan untuk mengalami sejumlah deformasi platis (permanen) tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Mekanisme yang mempunyai plastisitas yang tinggi dikatakan sebagai material yang ulet (ductile), sedangkan material yang mempunyai plastisitas rendah dikatakan sebagai material yang getas (brittle).

5.        Ketangguhan (Toughness) [kg/mm]

Merupakan kemampuan bahan untuk menyerap energi tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan.

6.        Kekakuan (stiffness)

Kemampuan suatu bahan untuk menerima tegangan atau beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi) atau defleksi.

7.        Kelelahan (Fatigue) [siklus]

Merupakan kecenderungan bahan untuk patah apabila menerima tegangan berulang-ulang yang besarnya jauh dibawah batas kekakuan elastisitas. 

8.        Mulur (Creep) [siklus]

Menyatakan kecenderungan logam mengalami deformasi platis yang besarnya merupakan fungsi waktu saat menerima beban yang besarnya tetap.

Factor yang mempengaruhi sifat mekanik:

1.        Kadar karbon

Semakin tinggi kadar karbon maka kekerasan akan semakin tinggi namun akan menjadi rapuh. Kandungan karbon ini juga mempengaruhi keuletan, ketangguhan, maupun sifat mampu mesin.

2.        Unsur kimia

Penambahan unsur kimia pada baja dapat mempengaruhi sifat mekaniknya.Pembebanan karbon pada logam akan membuat logam semakin keras tapi rapuh. Unsur kimia yang dapat bersenyawa antara lain:

a.         Nikel untuk meningkatkan.

-            Meningkatkan kekuatan dan kekerasan.

-            Meningkatkanketahanan terhadap korosi.

-            Meningkatkankeuletan dan tahan gesek.

b.         Chromium, untuk

-            Menambah kekerasan baja.

-            Membentuk karbida.

-            Menambah keuletan, sehingga baik untuk pegas.

3.        Ukuran butir

Ukuran butir pada baja sangat berpengaruh. Ukuran butir yang besar dan homogen membuat baja mempunyai sifat yang ulet. Sedangkan untuk ukuran butir yang kecil dan tidak homogen maka baja tersebut akan bersifat kaku dan keras.

4.        Fasa dan struktur

Fasa dapat mempengaruhi sifat mekanik logam, karena pada tiap-tiap fasa pada logam memiliki struktur mikro sendiri dengan sifat mekanik, fisik dan kimia yang  berbeda-beda,  misalnya fasa martensite memiliki sifat-sifat keras, rapuh, magnetic dengan nilai kekerasan 650-700 BHN. Jadi dapat dikatakan fasamartensite memiliki kekerasan  yang lebih tinggi daripada ferrite. Logam yang memiliki struktur yang teratur mempunyai sifat mekanik yang lebih baikdibandingkan denganlogam yang strukturnya tidak teratur sebab tegangan dalam yang timbul lebih besar. Tegangan didalam berbanding terbalik dengan sifat mekanik.

5.        Cacat

Cacat terjadi kemungkinan besar selama proses pertumbuhan kristal atau pada proses  heat treatment (perlakuan panas). Cacat ini dibedakan menajdi cacat titik, cacat garis, cacat bidang, dan cacat ruang. Cacat yang terjadi pada logam menyebabkan kerusakan pada struktur  logam misalnya terjadinya kekosongan (vacancy), sisipan dan slip. Kerusakan ini menyebabkan menurunnya sifat mekanik logam.

6.        Endapan

Reaksi pengendapan merupakan kebalikan dari reaksi pelarutan yang terjadi akibat proses pendinginan. Pengendapan terjadi bila logam didinginkan sampai daerah suhu dan fasa setelah larut yang dipengaruhi laju waktu pendinginan. Pada laju waktu pendinginan cepat terjadi endapan serta fasa dan pada laju pendinginan lambat dapat terjadi endapan dua fasa sehingga pengendapan yang terjadi berpengaruh pada sifat mekanik logam.

Mengenai sifat mekanik ini, dikenal 2 macam pembebanan, yaitu:

1.        Pembebanan statik

Yaitu pembebanan yang sifatnya statik atau besarnya tetap atau berubah-ubah dengan sangat lambat.

2.        Pembebanan dinamik

Yaitu pembebanan yang besarnya beban berubah-ubah atau dinamis.