BAJA, Kandungan & Teknik Pembuatannya

Saat kita memegang sendok, berteduh di bawah atap kanopi, bersandar di dinding beton, atau bermimpi tentang menara Eiffel, sesungguhnya kita sedang berhubungan dengan suatu material bernama baja. Sebenarnya apa itu baja, berasal dari mana, dan Bagaimana cara membuatnya ? Saya kira kita semua harus tahu mengenai hal ini mengingat betapa dekatnya kita dengan material yang satu ini.

Perlu diketahui bahwa penggunaan besi dan baja meliputi 95% dari total produksi logam dunia. Besi dan baja dapat memenuhi banyak sekali persyaratan teknis maupun ekonomis, namun seiring berkembangnya teknologi dan tuntutan kebutuhan pasar, kini besi dan baja kian mendapat saingan dari logam bukan besi bahkan bahan non-logam.

Perlu diluruskan perbedaan antara besi (ferrous) dan baja (steel). Besi adalah unsur yang terdapat di alam, dan banyak dalam bentuk oksidanya, di dalam tabel unsur kimia unsur ini dinamakan Fe (Mr=56). Sedangkan baja merupakan paduan antara besi dengan bahan-bahan lainnya seperti karbon, krom, nikel, mangan, fosfor, dan sebagainya. Di pasaran kadang orang menyebut baja dengan kadar karbon <>

BIJI BESI (Iron Ore)

Semua bermula dari sini, bijih besi banyak ditemukan dalam bentuk senyawa besi-oksida dan memiliki berbagai macam warna mulai dari abu, kuning, ungu, hingga merah. Bijih besi yang dimaksud itu sendiri diantaranya adalah pyrite (FeS₂), Magnetite (Fe₃O₄), dan Hematite (Fe₂O₃). Hematit adalah bijih besi yang paling banyak dimanfaatkan karena kadar besinya tinggi, mencapai 66%, dan kadar kotorannya relatif rendah. Pada tahap selanjutnya hematit ini akan dimasukkan ke dalam blast furnace, yaitu tungku besar yang berfungsi melebur biji besi pada tahap awal.

BLAST FURNACE

Hematit akan dimasukkan ke dalam blast furnace, disertai denganbeberapa bahan lainnya seperti kokas (coke), batu kapur(limestone), dan udara panas. Bahan baku yang terdiri dari campuran biji besi, kokas, dan batu kapur, dinaikkan ke puncakblast furnace yang tingginya bisa mencapai 60 meter.

Setelah bahan-bahan dimasukkan ke dalam blast furnace, lalu udara panas dialirkan dari dasar tungku dan menyebabkan kokas terbakar sehingga nantinya akan membentuk karbon monoksida (CO). Reaksi reduksi pun terjadi, yaitu sebagai berikut :

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Maka didapatlah besi (Fe) yang kita inginkan. Namun besi tersebut masih mengandung karbon yang cukup banyak yaitu 3% - 4,5%, padahal besi yang paling banyak digunakan saat ini adalah yang berkadar karbon kurang dari 1% saja. Besi yang mengandung karbon dengan kadar >4% biasa disebut pig iron.

Batu kapur digunakan sebagai fluks yang mengikat kotoran-kotoran yang terdapat dalam bijih besi.

Berikut merupakan gambaran asli blast furnace :

Perlu diperhatikan bahwa bijih besi yang akan dimasukkan ke dalam blast furnace haruslah digumpalkan terlebih dahulu. Hal tersebut berguna agar aliran udara panas bisa dengan mudah bergerak melewati celan-celah biji besi dan tentunya akan mempercepat proses reduksi.

Selain dengan cara blast furnace seperti di atas, pembuatan besi kasar (pig iron) dapat pula dilakukan dengan metode reduksi langsung (direct reduction).

Reduksi Langsung (Direct Reduction)

Di dalam proses reduksi langsung ini, bijih besi direaksikan dengan gas alam sehingga terbentuklah butiran besi yang dinamakan besi spons. Besi spons kemudian diolah lebih lanjut di dalam sebuah tungku yang bernama dapur listrik (Electric Arc Furnace). Di sini besi spons akan dicampur dengan besi tua (scrap), dan paduan fero untuk diubah menjadi batangan baja, biasa disebut billet.

Proses reduksi langsung ini salah satunya dipakai oleh P.T. Karakatau Steel. Fungsi dari gas alam itu sendiri sebenarnya adakalah sebagai gas reduktor, dimana gas alam mengandung CO dan H2, yang dapat bereaksi dengan bijih menghasilkan besi murni (Fe).

Keuntungan dari proses reduksi langsung ketimbang blast furnace adalah :

1. Besi spons memiliki kandungan besi lebih tinggi ketimbang pig iron, hasil blast furnace.
2. Zat reduktor menggunakan gas (CO atau H2) yang terkandung dalam gas alam, sehingga tidak diperlukan kokas yang harganya cukup mahal.

Pengolahan Besi Kasar

Besi kasar (pig iron) yang dihasilkan melalui blast furnace atau reduksi langsung perlu pengolahan yang lebih lanjut. Pengolahan tersebut ditujukan untuk mengurangi kadar karbon yang terkandung dalam besi dengan mengontrol oksidasi. Di dalam istilah asing kita menyebut proses ini dengan Steelmaking Processes.

Ada dua prinsip dalam steelmaking processes, yaitu:

1. Basic-Oxygen Furnace
2. Electric-arc Furnace

Inti dari steelmaking processes ini adalah pemurnian besi kasar diiringi dengan perpaduan besi dengan berbagai unsur lainnya demi mendapatkan suatu sifat yang diinginkan.

logam cair yang telah dipanaskan dengan suhu yang cukup tinggi +/- 1600 C dapat menyerap gas yang berasal dari uap-uap hasil proses produksi sebelumnya. Laju oksida logam ini berbanding lurus dengan suhu pemanasannya. Oleh karena itu pengaturan suhu harus dilakukan secara hati-hati.

PROSES PENGECORAN

Proses pengecoran logam adalah membentuk suatu benda logam dengan cara menuangkan logam cari ke dalam suatu cetakan. Cetakan tersebut dapat dibuat dari pasir, keramik, atau logam.

Dalam memilih suatu teknik pengecoran kita harus melihat produk seperti apa yang ingin kita hasilkan, bagaimana beban kerjanya, apakah produk tersebut merupakan mass product, dan pertimbangan harga jualnya. Semua itu demi menjamin keefektifan dari pengecoran yang kita buat.

Cetakan pasir memiliki kelebihan dari proses pembuatan cetakan yang relatif lebih mudah dan murah, namun menimbulkan beberapa resiko seperti masuknya butiran-butiran pasir ke dalam campuran baja cair yang tentunya akan menyebabkan kerugian dalam hal properties produknya. Kerugian lainnya dari pengecoran dengan cetakan pasir (sand casting) adalah cetakannya yang bersifat sekali pakai, jadi setelah selesai digunakan untuk mengecor maka cetakan tersebut harus dihancurkan, tak dapat digunakan kembali. Walaupun begitu proses ini masih tergolong murah mengingat harga pasir silika, sebagai bahan cetakan, tidak terlalu tinggi. Pengecoran dengan cetakan pasir juga memerlukan riser yang merupakan cadangan bagi logam cair saat terjadi pendinginan. Riser ini akan dibuang pada akhir proses, hal tersebut membuat pengecoran dengan cetakan pasir menjadi kurang efisien sebab harus ada logam yang terbuang.

Gambar. sand casting

Cetakan pasir tentunya tak cocok digunakan untuk membuat mass product yang sangat banyak karena hanya bisa digunakan sekali. Oleh karena itu digunakanlah cetakan permanen yang menggunakan logam tahan suhu tinggi (heat resisting metals) sebagai bahan cetakannya.

Pengecoran dengan cetakan permanen dapat pula dilakukan sambil memberi gaya tekan pada logam cair sehingga proses ini biasa disebut proses cetak-tekan. Hasil dari proses cetak tekan ini memiliki beberapa kelebihan dibanding pengecoran dengan cetakan pasir yaitu produk memiliki densitas lebih besar serta terhindar dari kemungkinan masuknya pengotor ke dalam logam cair. Contoh produk hasil dari pengecoran cetak menggunakan rangka logam adalah piston kendaraan bermotor, dan front fork untuk suspensi sepeda motor.

Jenis pengecoran lainnya adalah pengecoran presisi. Produk yang dihasilkan memiliki toleransi dimensi yang sangat ketat, permukaan yang halus, dan biasanya bentuk yang rumit. Proses ini memerlukan biaya yang cukup mahal, terbatas hanya pada benda-benda berukuran kecil, dan tingkat kesulitannya tinggi. Contoh dari pengecoran presisi adalah lost wax casting (investment casting). Contoh produk dari proses ini adalah turbine blade untuk mesin pesawat terbang.

Turbine Blade hasil Lost-Wax Casting

video contoh Investment Casting

Pembentukan Logam Tanpa Pencairan

Baja cair (ingot) yang telah dingin akan sulit dibentuk menjadi batang, lembaran, ataupun profil, Ingot yang panas jauh lebih mudah dibentuk. Perubahan bentuk logam dalam proses ini terjadi karena adanya deformasi plastis pada material sebagai akibat bekerjanya gaya pembentukan melalui perkakas bentuk (tools). Jenis proses ini ada dua, yaitu pengerjaan panas logam, dan pengerjaan dingin logam.

Pengerjaan Panas Logam

Adalah proses merubah bentuk logam tanpa terjadi pencairan (T proses : T cair > 0,5), volume benda kerja tetap dan tak adanya geram (besi halus sisa proses).

Keuntungan dari pengerjaan panas logam adalah :

1. Porositas dalam logam dapat dikurangi. Batangan hasil cor biasanya memiliki banyak lubang berisi udara. Lubang tersebut akan tertekan dan hilang akibat gaya kerja yang tinggi.
2. Sifat fisis logam akan meningkat, diakibatkan adanya penghalusan butir logam.
3. jumlah energi untuk menghasilkan kerja dalam mengubah bentuk baja lebih sedikit ketimbang proses pembentukan dingin.

Sedangkan kerugian dari proses panas ini adalah pada suhu tinggi terjadi oksidasi dan pembentukan kerak pada permukaan logam sehingga penyelesaian pada permukaannya kurang bagus. Proses panas kurang bisa menghasilkan produk dengan toleransi dimensi yang cukup ketat.

Contoh proses yang cukup terkenal adalah rolling dan forging.

Pengerjaan Dingin Logam

Pengerjaan dingin logam dilakukan saat T proses/T cair <>

Proses pengerjaan dingin akan berakibat :

1. Timbulnya tegangan dalam logam (Perlu proses Annealing)
2. Struktur butir mengalami perpecahan
3. Diperolehnya dimensi ukuran yang ketat
4. Kekerasan dan kekuatan meningkat
5. Penyelesaian permukaan cukup baik

Pengerjaan dingin logam meliputi proses : Penarikan (Drawing), Pemampatan (Squeezing), Tekuk (Bending), dan Geser (Shearing).

Kesimpulan

Baja yang sering kita gunakan baik secara langsung atau tidak, ternyata harus melalui begitu banyak proses sebelum bisa kita manfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Penggunaan baja sampai saat ini masih menjadi yang terbanyak dalam industri di seluruh dunia, hal ini mengindikasikan pentingnya ilmu dalam pemrosesan logam dan juga menunjukkan besarnya peluang di bidang ini.

Tulisan ini bersifat rangkuman, dengan tujuan mengenalkan dunia material pada umumnya dan logam pada khususnya bagi semua orang. Saya berharap dengan tulisan ini orang minimal akan sedikit mengerti tentang bidang kerja teknik bahan.