MAKALAH Fe3C

v Pendahuluan

Sejarah besi

Besi ditemukan digunakan pertama kali pada sekitar 1500 SM Tahun 1100 SM, Bangsa hittites yang merahasiakan pembuatan tersebut selama 400 tahun dikuasai oleh bangsa asia barat, pada tahun tersebut proses peleburan besi mulai diketahui secara luas. Tahun 1000 SM, Bangsa Yunani, Mesir, Jews, Roma, Carhaginians dan Asiria juga mempelajari peleburan dan menggunakan besi dalam kehidupannya.Tahun 800 SM, India berhasil membuat besi setelah di invansi oleh bangsa arya. Tahun 700-600 SM, Cina belajar membuat besi. Tahun 400-500 SM,Baja sudah ditemukan penggunaannya di Eropa. Tahun 250 SM, Bangsa India menemukan cara membuat baja. Tahun 1000 M, Baja dengan campuran unsur lain ditemukan pertama kali pada 1000 M pada kekaisaran fatim yang disebut dengan baja Damaskus. 1300 M, Rahasia pembuatan baja damaskus hilang.1700 M, Baja kembali diteliti penggunaan dan pembuatannya di Eropa.

Penggunaan logam sebagai bahan struktural diawali dengan besi tuang untuk bentang lengkungan (arch) sepanjang 100 ft (30 m) yang dibangun di Inggris pada tahun 1777-1779. Dalam kurun waktu 1780-1820,. Dibangun lagi sejumlah jembatan dari besi tuang, kebanyakan berbentuk lengkungan dengan balok  balok utama dari potongan     potongan besi tuang indivudual yang membentuk batangbatang atau kerangka (truss) konstruksi.Besi tuang juga digunakan sebagai rantai penghubung pada jembatan     jembatan suspensi sampai sekitar tahun 1840.

Setelah tahun 1840, besi tempa mulai mengganti besi tuang dengan contoh pertamanya yang penting adalah Brittania Bridge diatas selat Menai di Wales yang dibangun pada 1846-1850. Jembatan ini menggunakan gelagar-gelagar tubular yang membentang sepanjang 230, 460, 460, 230 ft (70, 140, 140, 70 m) dari pelat dan profil siku besi tempa.

Proses canai (rolling) dari berbagai profil mulai berkembang pada saat besi tuang dan besi tempa telah semakin banyak digunakan. Batang-batang mulai dicanai pada skala industrial sekitar tahun 1780.Perencanaan rel dimulai sekitar 1820dan diperluas sampai pada bentuk I menjelang tahun 1870-an.

Perkembangan proses Bessemer (1855) dan pengenalan alur dasar pada konverter Bessemer (1870) serta tungku siemens-martin semakin memperluas penggunaan produk -produkbesi sebagai bahan bangunan. Sejak tahun 1890, baja telah mengganti kedudukan besi tempa sebagai bahan bangunan logam yang terutama.Dewasa ini (1990-an), baja telah memiliki tegangan leleh dari24 000 sampai dengan 100 000 pounds per square inch, psi (165 sampai 690 MPa), dan telah tersedia untuk berbagai keperluan struktural.

Besi dan baja mempunyai kandungan unsur utama yang sama yaitu Fe, hanya kadar karbon lah yang membedakan besi dan baja, penggunaan besi dan baja dewasa ini sangat luas mulai dari perlatan yang sepele seperti jarum, peniti sampai dengan alat-alat dan mesin berat.

v DIAGRAM FASA ( Fe-Fe3C )

Diagram Fe-Fe3C adalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dan kandungan karbon (%C) selama pemanasan lambat. Dari diagram fasa tersebut dapat diperoleh informasi-informasi penting yaitu antara lain :

Ø  Fasa yang terjadi pada komposisi dan temperatur yang berbeda dengan pendinginan lambat.

Ø   Temperatur pembekuan dan daerah-daerah pembekuan paduan Fe -C bila dilakukan pendinginan lambat.

Ø  Temperatur cair dari masing-masing paduan.

Ø  Batas-batas kelarutan atau batas kesetimbangan dari unsur karbon fasa tertentu.

Ø  Reaksi-reaksi metalurgis yang terjadi.

v FUNGSI DIAGRAM FASA PERTAMA

Bahwa untuk membuat suatu produk tertentu misalnya : mobil terdiri atas bermacam macam komposisi logam atau material. Mulai dari blok mesin, rangka, mesin pendingin, pompa dan komponen lainnya yang menjadikannya sebuah mobil dengan desain oke dan trendy berdasarkan dengan diagram fasa yang menjabarkan berbagai jenis karakteristik logam yang meliputi : kekuatan, keuletan, kekerasan, dan ketangguhannya.

v FUNGSI YANG KEDUA

Atau mungkin pembuatan turbin pesawat terbang yang sangat rumit, sangat

memperhatikan faktor keselamatan dan daya guna dengan berdasarkan pada perhitungan yang matang dan pemilihan material logam dengan sangat hati-hati dan akurat, yang selalu berdasarkan pada diagram fasa logam sebagai faktor penentu pada saat proses desain, perhitungan, dan pembuatannya supaya bisa digunakan serta dimanfaatkan secara maksimal.

Perlakuan  panas  bertujuan  untuk  memperoleh  struktur  mikro  dan  sifat  yang  diinginkan.  Struktur  mikro  dan  sifat  yang  diinginkan  dapat  diperoleh  melalui  proses pemanasan dan proses pendinginan pada temperatur tertentu.

Besi merupakan salah satu logam yang memiliki sifat allotropi. Sifat allotropi yang dimiliki besi sendiri ada 3, yaitu :

o   Delta iron (δ) mampu melarutkan karbon max 0,1% pada 1500° C

o   Gamma iron (γ) mampu melarutkan karbon max 2 % pada 1130° C

o   Alpha iron (α) mampu melarutkan karbon max 0,025% pada 723° C

Gambar . Kurva pendinginan besi murni

Transformasi allotropik yang pada besi, Fe(δ) Æ Fe(γ) Æ Fe(α) terjadi secara difusi sehingga membutuhkan waktu tertentu pada temperatur konstan Æ karena reaksi mengeluarkan panas laten.

Dalam kondisi cair karbon dapat larut dalam besi. Dalam kondisi padat besi dan karbon dapat membentuk :

·         Larutan padat (solid solution)

·         Senyawa interstitial (interstitial compound)

·         Eutectic mixture : Campuran antara austenite (γ) dan cementite (Fe3C)

·         Eutectoid mixture : Campuran antara ferrite (α) dan cementite (Fe3C)

·         Grafit : Karbon bebas, tidak membentuk larutan padat ataupun tidak berikatan

membentuk senyawa dengan Fe.

v Gambar Diagram Fe₃c

v Garis-Garis Penting Dalam Diagram Fe-Fe3C :

o   Upper critical temperature (temperatur kritis atas), A3 : temperatur perubahan
allotropi.

o   Lower critical temperature (temperatur kritis bawah), A1 : temperatur reaksi eutectoid.

o   Solvus line Acm : menunjukkan bats kelarutan karbon dalam austenite.

Reaksi-reaksi yang terjadi pada diagram Fe – Fe3C

·         Reaksi Peritectic pada temperatur :

S + L ↔ S1

δ + L ↔ γ

·         Reaksi Eutectic pada temperatur 1130 C :
L ↔ S1 + S2
L ↔ γ + Fe3C (ledeburite)

·         Reaksi Eutectoid pada temperatur 723 C :
S ↔ S1 + S2
γ ↔ α + Fe3C (pearlite)

v Macam –Macam Struktur Yang Ada Pada Baja Adalah:

1.    Ferit

Ferit  adalah  larutan  padatkarbon dan kandungan karbon dalam besi maksimum 0,025% pada temperatur 723 C. Pada temperatur kamar, kandungan karbonnya 0,008%, Pada temperatur 1492 C, batas kelarutan karbon 0,1 %. Dan  unsur paduan  lainya  pada  besi kubus pusat  badan  (Fe).  Ferit  terbentuk  akibat  proses  pendinginan yang  lambat  dari austenit baja hypotektoid pada  saat mencapai  A3.

Sifat –sifatnya :

o   Larutan padat karbon dalam besi α.

o    Tensile strength rendah.

o    Keuletan tinggi.

o    Kekerasan < 90 HRB.

o    Struktur paling lunak pada diagram Fe-Fe3C.

2.    Sementit

Sementit  adalah  senyawa besi  dengan  karbon  yang  umum dikenal sebagaikarbida  besi  dengan  prosentase  karbon  6,67%C.  yang  bersifat  keras  sekitar 5-68HRC.

Sifat – sifatnya :

o   Keras dan getas.

o   Kekuatan tarik rendah.

o   Kekuatan tekan tinggi.

o   Struktur kristal orthorhombic.

o   Struktur paling keras pada diagram Fe-Fe3C.

3.    Austenit

Merupakan larutan padat intertisi antara karbon dan besi yang mempunyai sel satuan FCC yang stabil pada temperatur 912°C.

Sifat – sifatnya :

o   Interstitial solid solution; larutan padat karbon dalam besi γ.

o   Struktur kristal FCC (face centered cubic, kubus pemusatan bidang).

o   Kelarutan karbon max 2 % pada temperatur 1130 C.

o   Tensile strength 1050 kg/cm2.

o   Tangguh.

4.    Perlit

Perlit adalah campuran  sementit dan ferit yang memiliki  kekerasan sekitar 10-30HRC . Perlit yang terbentuk sedikit dibawah temperature 723⁰Ceutectoid memilikikekerasan yang lebih rendah dan memerlukan waktu inkubasiyang lebih banyak.

Sifat –sifatnya :

o   Eeutectoid mixture dari ferrite dan cementite (α+Fe3C).

o   Mengandung 0,8 % karbon.

o   Kuat.

o   Tahan korosi.

5.    Bainit

merupakan  fasa  yang  kurang  stabil  yang  diperoleh  dari  austenit pada temperatur  yang  lebih  rendah  dari  temperatur  transformasi  ke  perlit dan lebih tinggi dari transformasi ke martensit.

6.    Martensit

Martensit  merupakan larutan padat  dari karbon  yang lewatjenuh  pada besi alfa sehingga latis-latis sel satuanya terdistorsi.

7.    Ladeburit

Merupakan susunan elektrolit sengan kandungan karbonnya 4,3% yaitu campuran perlit dansementit.

Sifat –sifatnya :

– eutectic mixture (γ+Fe3C).
– Campuran terdiri dari austenite dan cementite.
– Terbentuk pada temperatur 1130 C (2065 F).

8.    Besi Delta (Γ)

merupakan fasa yang berada antara temperatur 1400°C – 1535°C dan mempunyai sel satuan BCC ( sel satuan kubus ) karbon yang larut sampai 0,1%.

v  Menurut Komposisi Kimianya:

a.    Baja Karbon (Carbon Steel), Dibagi Menjadi Tiga Yaitu;

·         Baja karbon rendah (low carbon steel) è machine, machinery dan mild steel0,05 % - 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)  è 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.

v  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

v  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)  è 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.

v  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 temperature 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Campuran carbon-tungsten (tipe F), sifatnya adalah keras tapi tidak tahan aus dan tidak cocok untuk beban dinamis serta untuk pemakaian pada temperatur tinggi.

v  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

Tabel :BeberapajenisbajakarbonberdasarkanklasifikasiAISI-SAE

v  Besi Tuang

Besi tuanga dalah paduan berbasis besi dengan kadar karbon tinggi, yaitu 2%-4% C dengan kadar Si  0,5%-3%.   Besi tuang memiliki aplikasi di  bidang rekayasa yang cukup  luas terutama karena kemampuannya untuk langsung dibentuk menjadi bentuk akhir (netshape) atau mendekati bentuk akhir (near netshape) melalui proses solidifikasi (solidification) atau pengecoran (casting).

Besi  tuang mudah untuk dicor  karena beberapa hal.  Pertama, besi tuang mudah dileburdan memiliki fluiditas yangsangat baik pada keadaan cairnya. Kedua,ketika dituang besi tidak membentuk lapisan film pada permukaannya. Selain itu, besi tuang tidak mengalami penyusutan volume (shrinkage) yang terlalu tinggi pada saat solidifikasi. Kemampuan besi tuang untuk dapat dicetak menjadi bentuk yang diinginkan terutama berhubungan dengan adanya reaksi  Eutectic pada diagram kesetimbangan Fe-Fe3 C pada rentang kandungan karbon tersebut.

Pada reaksi tersebut titik lebur paduan besi turun hingga sekitar 1130oc dengan rentang temperatur liquidus dan solidus yang sangat kecil, atau membeku seperti logam murni dengan satu titik beku.

Di samping itu, reaksi eutectic penting pula di  dalam mereka yasa dan mengendalikan sifat-sifat besi tuang yang sangat tergantung pada karakteristik konstituen-konstituennya. Dekomposisi Autenite, seperti halnya pada  baja, dapat dikendalikan sehingga dihasilkan matriksferrite, Pearlite, Bainite, atau Martensite. Solidifikasi dan dekomposisiaustenite dapat diatur agar menghasilkan grafit (C) atau karbida (Cementite).   Dengan menambahkan modifier dan innoculant bentuk grafit dapat pula direkayasa menja diberbentuk bola (sphereoidalgraphite), kompak (compactedgraphite), dan serpihan (flake). Selanjutnya, karbida dapat diberi perlakuan panas lebih lanju untuk mendekomposisi cementite, menghasilkan struktur yang mampu ditempa.

Besi   tuang  dapat  diklasifikasikan  menjadi  beberapa  jenis   berdasarkan karakteristik struktu rmikro menjadi besi tuang kelabu (grayiron), besi tuang nodular (nodularcastiron), besi tuang grafit kompak (compacted graphite cast iron), besi tuang putih (whitecastiron), dan  besi tuang mampu tempa (malleablecast  iron). Gambar skematis jenis-jenis besi tuang tersebut diperlihatkan tabel berikut ini :

Tabel: Jenis-Jenis besi tuang, Strukturmikro, Proses pembuatan Dan Karakteristik umumnya.

Nama	SkemaStrukturMikro	Proses Pembuatan	Karakterik Umum
BesiTuang Kelabu (GreyCast Iron) *diberi nama kelabu (grey) karena patahannya berwarna kelabu.		Biasanya memiliki kadar karbon 2,5- 4%. Jumlahsiliconyangrelatiftinggi(1-3%) diperlukan untuk mempromosikan pembentukangrafit. Kecepatan pembekuan sangat penting untuk mengatur jumlah grafityangterbentuk (biasanya lambat hingga sedang). Laju solidfikasi berperan pula di Dalam menentukan matriksyang terbentuk.	Grafit berbentuk serpihan-serpihan panjang(flakes) Memilikikekuatan dankeuletan rendah.Memiliki mampumesinyangbaikpada kekerasannya. Memilikiketahanan aus(wear resistance)yang baik,tahan terhadapgalling padapelumasan terbatasserta memiliki kemampuanuntuk menahangetaran (dampingcapacity) sangatbaik.
BesiTuang Mampu Tempa (Malleable CastIron).		Bahanbakuyang digunakanadalahbesituangputih. Perlakuanpanas untukmenghasilkan besituangmampu tempaterdiriatas: grafitisasidan pendinginan. Pembentukangrafit dilakukanpada temperaturedi atas temperature eutectoid.Karbida akanberubah menjadigafit (temperedcarbon) danaustenite. Selanjutnyaasutenite dapatdidekomposisi menjadiferrite, pearlite,atau martensite.	Kolonigrafit berbentukbulat tidakteratur. Memilikikekuatan, keuletan,dan ketangguhanlebih baik.Memiliki strukturuniform.
BesiTuang Uletatau Nodular (Ductile Iron, Nodular CastIron). *nama mengacu padasifat danbentuk grafit-nya.		Kandungankarbon (3,0-4,0%)dan silikonnya(1,8-2,8%)samadenganbesituang. Kandungansulfur(S) danfosfor(P)sangat rendahkira-kira10 kalilebihrendahdari besituangkelabu. Noduleberbentuk bolaterbentukpada prosessolidikasi karenakandungan beleran(Sulfur)dan oksigenditekanketingkatyangsangat rendahdengan menambahan Magnesium(Mg) beberapasaat sebelumpenuangan.	Partikel-partikel grafitberbentuk bola(speroid). Memilikisifat-sifat yanghampirsama denganmalleable castiron.Memiliki mampumesin sangatbaikdan ketahananaus baik.Memiliki sifat-sifatyang miripdenganbaja (kekuatan, ketangguhan, keuletan,mampu bentukpanas,dan kemampu kerasan).
Besi Tuang Grafit Kompak (Compacted Graphite Iron)			Grafit berbentuk vernicular memiliki struktur antara gray iron dan ductile iron.

Besi Tuang Putih (White CastIron) *diberi namaputih karena patahannya berwarna putih.

Strukturkarbida diperolehdengan menjagakandungan karbon(2,5-3,0%) dansilikon(0,5- 1,5%)padakadar rendahdan kecepatanpembekuanyang tinggipadaproses solidifikasi.

Memiikistruktur karbida(cementite) didalammatriks pearlite. Keras,getas,dan tidakdapatdi- mesin.Memiliki ketahanan terhadapkeausan (wearresistance) danabrasisangat baik.