Baja - Besi Tuang - Al

MUHAMMAD RIO RIZKY SAPUTRAMECHANICAL ENGINEERINGGUNADARMA UNIVERSITY

STELL – CAST IRON - ALUMUNIUM

Bahan Baja

Baja merupakan logam campuran antarabesi dan karbon

Steel Fe + C

Pada intinya baja terdiri atas besi dankarbon beserta beberapa campuran lain.

Diagram Fase

Transformasi fasa pada besi dan baja :Menurut bentuk kristal :

Baja Austenit ( ) f.c.cγ →Baja Ferrite ( ) b.c.cα →Baja Martensite ( ) b.c.t [baja larutan padat lewat jenuh]α →Baja Bainit ( ) b.c.cα →

Menurut komposisi – temperaturePerlite [lapisan Ferrite + Fe3C]Sementit

Jenis Phasa SolidFerrite

Pada 0% Campuran ini murni besi. Struktur kristalnya BCC. Daya larut maksimum karbon besi adalah 0.02% pada suhu 723°C. pada suhu 0°C daya larutnya menjadi 0.008%.

AusteniteStruktur kristalnya FCC dan memilki daya larut yang tinggi dari

pada Ferrite. Daya larutnya maksimum mencapai 2.08% pada suhu 1148°C.

Namun daya larut turun menjadi 0.8% pada suhu 723°C. Perbedaan daya larut antara austenite dan Ferrite adalah dasar untuk pengerasan baja.

CementiteCementite adalah campuran intermetallic yang mengandung

6.67% C dan 93.3% Fe. Cementite adalah suatu fasa yang bersifat antara keras dan rapuh dengan struktur crystal orthorhombic, setiap unit sel memiliki 12 atom Fe dab 4 atom C.

PearlitePearlite memilki struktur kristal BCC. Kelarutan maksimum

atom C di dalam Fe adalah 0.09% pada suhu 1945°C.

Pengaruh Campuran pada Baja

Unsur-unsur yang biasanya terdapat pada baja:1. Karbon (C)2. Sulfur (S)3. Silikon (Si) 4. Mangan (Mn)5. Pospor (P)

Carbon

Carbon Campuran Dasar

Merupakan unsur dasar dan penting dalam sebuah alloy baja.Dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan melalui

perlakuan pemanasan

SulfurSulfur adalah suatu zat yang biasanya terdapat pada baja tetapi

keberadaanya tidak begitu diinginkan karena membentuk besi sulfida yang mempunyai titik leleh rendah dan bersifat rapuh.

Kandungannya dijaga serendah mungkin yaitu di bawah 0,05%.

Sil icon (Si)

Silicon (Si) merupakan salah satu pokok deoxidizer yang digunakan dalam pembuatan baja.

Kandungan silicon menentukan jenis baja yang dihasilkan. Umumnya kurang dari 0,10%. Ketika kandungan silicon di bawah 0,30%, maka hal ini akan

meningkatkan kekuatan tanpa menurunkan elastisitas. Si yang melebihi 0,40%, ditandai penurunan elastisitas yang

perlu di perhatikan pada baja karbon plain. Jika digabungkan dengan Mn atau Mo, silicon bisa

menghasilkan peningkatan kekerasan dari baja.

Mangan (Mn)

Tidak membahayakan dan mengimbangi sifat jelek dari sulfurDitambahkan pada baja yang akan memperbaiki hot working

dan meningkatkan kekuatan, kekerasan dan ketangguhanBaja karbon mengandung mangan lebih 1 %Mangan (Mn) terdapat hampir pada semua baja dalam jumlah

dari 0.30% atau lebih. Mn mempunyai kecenderungan macrosegregasi yang lebih sedikit dibandingkan dengan elemen umum yang lain. Mangan mempunyai pengaruh baik untuk kemudahan tempa dan kemudahan pengelasan.

Fosfor (P)

Kadar Maksimum 0,05%Dapat meningkatkan kekuatan dan ketahanan korosi.Fosfor meningkatkan kekuatan baja. Apabila kandungan P meningkat, maka elastisitas dan

ketahanan terhadap benturan pada baja menurun, dan menaikkan cold-shortness.

Fosfor juga meningkatkan kemudahan-pengerasan. Kandungan P yang tinggi sering dijumpai pada baja low-

carbon free-machining

Secara umum, berikut diberikan tabel mengenai pengaruh berbagai unsur terhadap sifat baja :

NoNo Unsur Unsur Campuran Campuran

Efek Positif pada Baja Efek Positif pada Baja Efek Negatif pada Baja Efek Negatif pada Baja

11 Karbon (C) Karbon (C) Meningkatkan kekerasan, Meningkatkan kekerasan, kekuatan dan ketahanan abrasi kekuatan dan ketahanan abrasi

Meningkatkan Meningkatkan kegetasan kegetasan

22 Kromium Kromium (Cr) (Cr)

Ketahanan terhadap korosi Ketahanan terhadap korosi Menahan karbitMenahan karbit 33 Mangan Mangan

(Mn) (Mn) Meningkatkan kekuatan Meningkatkan kekuatan Mengurangi keplastisanMengurangi keplastisan

44 Nikel (Ni) Nikel (Ni) Meningkatkan kekuatan dan Meningkatkan kekuatan dan keuletan keuletan

55 Tungsten Tungsten (W) (W)

Tahan panas dan ketahanan Tahan panas dan ketahanan abrasi, kehalusan abrasi, kehalusan pengamplasanpengamplasan

Menahan karbit Menahan karbit

66 MolybdenuMolybdenum (Mo) m (Mo)

Ketahanan terhadap panas Ketahanan terhadap panas

77 Vanadium Vanadium (V) (V)

Ketahanan terhadap abrasi dan Ketahanan terhadap abrasi dan kehalusan pengamplasan kehalusan pengamplasan

Menahan karbit Menahan karbit

Klasif ikasi BajaA. Berdasarkan SAE

Society of Automotive Engineers (SAE) telah menetapkan standar khusus untuk analisis steels.

Pada seri 1XXX, angka pertama baja karbon. angka kedua perubahan dalam alloys. angka ketiga & keempat seperseratus dari persentase karbon

Pada seri ZXXX (Z≠1) angka pertama jenis campurannya angka kedua persentase campuran angka ketiga & keempat seperseratus dari persentase karbon

Standar Penomoran dan sifat-sifatnya 1XXX (Carbon steels)

Low carbon steels: 0 to 0.25 % CMedium carbon steels: 0.25 to 0.55 %C High carbon steels: Above 0.55 %

2XXX (Nickel steels)5% Nikel meningkatkan gaya tarik tanpa mengurangi elastisitas. 8 sampai 12% Nikel meningkatkan ketahanan terhadap dampak impak pada

suhu rendah 15-25% Nikel (bersama dengan Al, Cu dan Co) menyebabkan magnetic

properties yang tinggi. (Alnicometals) 25-35% Nikel meningkatkan ketahan terhadap korosi pada temperatur

ditinggikan. 3XXX (Nickel-chromium steels)

Steels ini bersifat tangguh dan elastis, tahan aus, dan tahan korosi. 4XXX (Molybdenum steels)

Molybdenum adalah karbida yang kuat. Molybdenum juga akan meningkatkan tensile strength pada low carbon steel

5XXX (Chromium steels)Kromium dapat memperkuat ferrite pada low carbon. Kromium akan

meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus pada baja karbon.

B. Berdasarkan Kandungan

Baja karbon :1. Baja karbon rendah

Kandungan karbon kurang dari 0,3 persenDibuat dengan cold working, perendaman dalam larutan asam. Penggunaan sebagai mur baut, senjata, skrup, dll

1. Baja karbon sedangKandungan karbon 0,3 – 0,6 persenProsesnya dengan heat treatmnentPenggunaan pada alat mesin (roda gigi, poros hubungan,dll)

1. Baja karbon tinggiKandungan karbon 0,6 – 1,5 %Proses pembuatannya dengan giling panas.Penggunaan pada mesin berat yang kuat, pelas, pegas dll

Baja paduan1. Baja dengan kekuatan tarik tinggi

Mengandung mangan ,nikel, kromium,dan vanadium. Baja dengan mangan rendah

mengandung 0,35 % C dan 1,5% Mnmemiliki kekuatan baik.

Baja nikelmengandung 0,3 % C dan 3 % Ni serta 0,6 % Mnmemiliki kekuatan dan kekerasan yang baik.digunakan untuk proros enkol, batang penggerak

Baja Nikel Kromium- kandungan 0,3 % C, 3 % Ni, 0,8 % Cr dan0,6 % Mn(didinginkan dengan minyak) memiliki kekuatan dan keliatan yang baik digunakan untuk batang penggerak- kandungan 0,3 % C, 4,35 % Ni, 1,25 % Cr dan 0,05% Mn (didinginkan dengan udara dan distorsi kecil) bersifat liat digunakan untuk poros enkol dan batang penggerak.

Baja kromium Vanadium komposisinya sama dengan Nikel kromium ditambah 0,5 % Vanadium• memperbaiki ketahanan baja kromium trhadap getaran dan

guncangan.

2. Baja tahan aus (wear resistance steel)a. Baja mangan berlapis austenit

kandungan 1,2 % C, 12,5 % Mn dan0,75 % Simengandung unsur-unsur lain spt kromium dan vanadiumdigunakan untuk peralatan pemeceh batu ,ember keruk,lintasan dan penyebrangan jalan kereta api.

b. Baja kromiummenghasilkan kekerasan yang tinggi akibat percampuran 1% C, 1,4% Cr, 0,45% Mn yang didinginkan dengan minyak.Digunakan untuk peluru bulat, dan peralatang penggiling padi

3. Baja Tahan karat ( stainless steel )

4. Baja tahan panas a. Baja tahan panas ferit

Mengandung karbon rendah, tidak dapat dikeraskan melalui perlakuan panas

b. Baja tahan panas austenitmengandung kromium dan nikel yang sangat tinggitidak dapat dikeraskan melalui perlakuan panas

Pembuatan BajaKonvensional

Besi ditempa, kemudian dibungkus dengan serbur arang kayu(karbon) di dalam tromol yang dipanaskan selama beberapa hari.

ModernMenggunakan Konverter, besi dicairkan di dalam konverter

sambil disuplai udara dengan tekanan 1,4kg/cm² Proses dapur listrik, terdiri atas dapur listrik nyala dan dapur

induksi frekuensi tinggi. Hampir sama dengan konverter tetapi dapat diatur temperatur peleburan dan dapat memperkecil campuran-campuran di dalam baja.

Sifat Bahan SteelSifat Baja

Nondeforming Propeties, kemampuan bahan untuk menahan tidak terjadinya perubahan bentuk.

Deep of Hardening, kekerasan yang mencapai bagian dalam. Toughness, kemampuan menahan beban tanpa menyebabkan patah.Wear Resistance, tahan terhadap abrasi atau ausRed Hardness, Kekerasan pada temperatur tinggi.Machinability, mampu dipotong dan menghasilkan permukaan yang halus.Resistance of decarburization, tahan terhadap decarburasi.

KelemahanKekuatan/kekerasan tinggi, tetapi massa besarTidak tahan temperatur rendahTidak tahan korosi

Tabel perbandingan kekuatan

Aplikasi Penggunaan Steel

Baja digunakan sebagai bahan

dasar dalam membuat badan

tank karena baja memiliki

tingkat kekuatan yang tinggi

Dalam suatu

industri yang

memiliki bahan

yang harus

disimpan dalam

tangki, pembuatan

tangki ini bahan yang digunakan adalah baja, karena

baja (baja tahan karat) sangat kuat dan tidak bereaksi

dengan zat yang disimpan di dalam tangki.

Tangki Boiler dan Pressure Vessels yang digunakan di pabrik-pabrik

Pipa minyak dan pipa gas

Tabung gas LPG yang digunakan di rumah tangga

Baja juga dimanfaatkan dalam

bidang transportasi yaitu dalam

pembuatan infrastruktur yang

berupa jembatan penghubung

dan alat traspor-

tasi itu sendiri

karena bahannya

yang kuat

Baja digunakan dalam pembuatan pelat badan kapal

Baja digunakan dalam pembuatan bagian mesin dan rangka mobil

Baja dimanfaatkan dalam

pembuatan peralatan rumah

tangga, seperti panci pemanas

karena sifat bahannya yang tahan

panas dan kuat serta penghantar

panas yang baik. Baja juga

dimanfaatkan dalam teknologi

informasi.

STAINLESS STEEL

stainless steel is defined as a steel alloy with a minimum of 10% chromium content by mass. Stainless steel does not stain, corrode, or rust as easily as ordinary steel (it stains less), but it is not stain-proof. It is also called corrosion-resistant steel or CRES when the alloy type and grade are not detailed, particularly in the aviation industry.

PROPERTIESThe chromium forms a passivation layer of chromium(III)

oxide (Cr2O3)

Passivation :the layer quickly reforms when the surface is scratched

Galling : the welded material may be torn and pitted when disassembled

CHARACTERISTIC Higher work hardening rate Higher ductility Higher strength and hardness Higher hot strength Recyclable and reuse (100%

recyclable, 60% recycled material, 25% originating from end-of-life products and 35% coming from manufacturing processes)

Higher corrosion resistance Higher cryogenic toughness Lower magnetic response (austenitic

only) Must retain corrosion resistant

surface in the finished product.

How to make stainless steel ?Melting and castingFormingHeat treatmentDescalingCuttingFinishingManufacturing at the fabricator or

end user

STAINLESS STEEL FINISHES

A final finish can then be applied to achieve the desired aesthetic appearance:

No. 0: Hot rolled, annealed, thicker plates

No. 1: Hot rolled, annealed and passivated

No. 2D: Cold rolled, annealed, pickled and passivated

No. 2B: Same as above with additional pass-through highly polished rollers

No. 2BA: Bright annealed (BA or 2R) same as above then Bright annealed under Oxygen-free atmospheric conditions

No. 3: Coarse abrasive finish applied mechanically

No. 4: Brushed finish No. 5: Satin finish Etc.

APPLICATION

industrial equipmentautomotive and aerospace kitchens and food

processing plantssurgical instruments

jewellery and watchessculpture building facades and

structuresrevolvers and pistols

EXAMPLEThe Gateway Arch is clad entirely in stainless steel: 886 tons

(804 metric tonnes) of 0.25 in (6.4 mm) plate, #3 finish, type 304 stainless steel.

Type 316 stainless is used on the exterior of both the Petronas Twin Towers and the Jin Mao Building, two of the world's tallest skyscrapers.

BENEFITS OF STAINLESS STEELCorrosion resistance Fire and heat resistanceHygieneAesthetic appearanceStrength-to-weight advantageEase of fabricationImpact resistanceLong term value

TYPES OF STAINLESS STEELnickel is added, for instance, the austenite structure of

iron is stabilized. This crystal structure makes such steels non-magnetic and less brittle at low temperatures. For greater hardness and strength,

carbon is added, greater hardness and strengthWhen subjected to adequate heat treatment, these steels

are used as razor blades, cutlery, tools, etc.

CRYSTALLINE STRUCTUREAusteniticFerriticMartensitic Precipitation-hardening martensiticDuplex

AUSTENITICMax. 0.15% carbon, min. of 16% chromium and sufficient nickel,

manganesecomposition of 18% chromium and 10% nickel known as 18/10

stainlessEx. 316L or 304L, are used to avoid corrosion problem caused by

weldingSuperaustenitic, high molybdenum content (>6%) and nitrogen

additions, and the higher nickel contentFor Kitchen sinks, Doors and Windows, Ovens, Chemical tanks

etc

austenitic stainless steel NF709

FERRITICHighly corrosion-resistant, but less durable than austenitic

gradesContains 10.5%-27% chromium, nickel, molybdenum, and

some aluminium or titanium.Ex. 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Moused in: Vehicle exhausts, Fuel lines, Cooking utensils

Ferritic stainless steel

MARTENSITICnot as corrosion-resistant,but extremely strong and

tough, highly machineable.It can be hardened by heat treatmentcontains chromium (12-14%), molybdenum (0.2-1%),

nickel (0-<2%), and carbon (about 0.1-1%).Quenched, magnetic. used for: Knife blades, Cutlery, Surgical instruments

martensitic stainless steel

PRECIPITATION-HARDENINGMARTENSITIC

corrosion resistance comparable to austenitic varieties, but can be precipitation hardened to even higher strengths than the other martensitic grades.

Ex. 17-4PH, uses about 17% chromium and 4% nickel.Application: The Lockheed-Martin Joint Strike Fighter

aircraft.

Precipitation Hardening Stainless Steel Strip

DUPLEXa mixed microstructure of austenite and ferrite. have improved strength over austenitic stainless steels

and also improved resistance to localised corrosion, particularly pitting, crevice corrosion and stress corrosion cracking

Ex. 2205 (22% Chromium, 5% Nickel), 2507 (25% Chromium, 7% Nickel, SuperDuplex, higher corrosion resistance). Used in Heat exchangers ,Marine applications

duplex stainless steel, 2205

Tipe Ductility High Temperature Ressistance

Low Temperature Resistance

Austenic high Very high Very high

Duplex Medium Medium Medium

Ferritic Medium low low

Martensit low low low

Precipitation Hardening

Medium low low

STAINLESS STEEL GRADES

100 Series—austenitic chromium-nickel-manganese alloys

200 Series—austenitic chromium-nickel-manganese alloys

300 Series—austenitic chromium-nickel alloys

400 Series—ferritic and martensitic chromium alloys

500 Series—heat-resisting chromium alloys

600 Series—martensitic precipitation hardening alloys

Type 2205— the most widely used duplex (ferritic/austenitic) stainless steel grade (excellent corrosion resistance and high strength)

ALLOYING ELEMENTS SUMMARY Chromium :Forms a passive film with

oxygen that prevent the further diffusion of oxygen into the surface.Composition needs to contain at least 10.5% to be a stainless steel.

Nickel :Increases ductility and toughness. Increase corrosion resistance to acids. Additon creates non-magnetic structure.

Molybdenum :Increases pitting and crevice corrosin resistance. Increase resistance to chlorides.

Copper :Increase corrosion resistance to sulfuric acid.

Manganese :Substitute for nickel (200 series).

Titinium/Niobium : Ties up carbon and prevents inter-granular corrosion in welded zone of ferritic grades.

Nitrogen :Increase strength and corrosion resistance in austenitic and duplex grades.

Silicon :Improves resistance to high temperature scaling.

SulfurUsually kept low excet for "free-machining" grades.

Carbon : Usually kept low. Used in martensitic grades to increase strength and hardness.

Cast iron

Cast Irona class of ferrous alloys with carbon contents above 2.00 wt

%.most cast irons contain between 3.0 and 4.5 wt% C and, in

addition, other alloying elements.For most cast irons, the carbon exists as graphite.both microstructure and mechanical behavior depend on

composition and heat treatment.

Cast irons may often be used in place of steel at considerable cost savings. The design and production advantages of cast iron include:

 Low tooling and production cost Good machinability without burring Ability to cast into complex shapes Excellent wear resistance and high hardness (particularly white cast irons) High inherent damping capabilities

Classification Sceme

Phase Diagram

Variety of Heat Treatment

Types of Cast Iron

Gray IronCarbon: 2.5 – 4 wt%the graphite exists in the

form of flakes (similar to corn flakes)

The graphite surrounded by ferrite and pearlite

Chemical CompositionCarbon = 2.5 – 4.0 %Silicone = 1 – 3 %Manganese = 0.25 – 1.00 %Sulfur = 0.02 – 0.25 %Phosporus = 0.05 – 1.00 %

Gray IronProperties:weak and brittle in tensionStrength and ductility are much higher under compressive

loadsvery effective in damping vibrational energyexhibit a high resistance to weara high fluidity at casting temperature

Advantages of Gray Iron

Very Effective In Damping Vibrational Energy

Base structures for machines and heavy equipment that are

exposed to vibrations are frequently constructed of this material

APPLICATION

Ductile (or Nodular) IronGray Iron + Mg/Ce =

Ductile IronSimilar to steel (high

strength, toughness, ductility, and hardenability)

Chemical CompositionCarbon = 3.5 – 3.8 %Silicone = 2.0 – 2.8 %Magnesium = 0.05 %Nikel = <0.20 % Molybdenum = <0.10 %

PropertiesSimilar to steel:

high strengthToughnessDuctilityHardenability

Good fluidity and castabilityExcellent machinabilityGood wear resistance

ApplicationValvesCrankshaftsGearsautomotive and machine

componentspipe

White IronCarbon: 1.8 – 3.6 wt%Si: 0.5 – 1.9 wt%Solidification rate must be

high.extremely hard but also

very brittle.Excellence resistant to

wear and abrasion.

CompositionCarbon = 1.8 – 3.6 %Silicone = 0.5 – 1.9 %Manganese = 0.25 – 0.80 %Sulfur = 0.06 – 0.20 %Phosporus = 0.06 – 0.18 %

ApplicationRaw material for malleable

ironlimited to applications that

necessitate a very hard and wear-resistant surface, without a high degree of ductility (rollers in rolling mills)

Malleable IronMade by reheating white

iron between 800˚ – 900˚ C

Moderate strenght, toughness, corrosion resistance, and uniformity.

Irregular nodular aggregates called temper carbon.

CompositionCarbon = 2.00 – 2.60 %Silicone = 1.10 – 1.60 %Manganese = 0.20 – 1.00 %Sulfur = 0.04 – 0.18%Phosporus = 0.18 % (max)Nickel = 0.5 – 0.8 %Chromium = 0.01 – 0.03 %Molybdenum = 0.35 – 0.5 %

PropertiesCastabilityMachinabilityModerate strengthToughnessCorrosion resistance for certain applicationUniformity since all castings are heat-treated

Applicationconnecting rodstransmission gearspipe fittingsMarineother heavy-duty services

Alloying Another Element’s EffectsSilicone control the amount of carbonManganese increase the hardness and tensile strength of

the ironSulfure increase the strengthPhosporus lowering the melting point

There are 8 series of wrought alloys. These are designated by a 4 digit number that may be preceded or followed by letters

A prefix is used to designate the standard AA of the Aluminum Association or EN AW for the European standard. e.g. EN AW-1050;

The first digit indicates the series of the aluminum.

The second digit indicates alloy modifications of an already existing alloy.

The third and fourth digits have different meanings, depending on the first one: For 1xxx series, the 3rd and 4th digits indicate the 0.XX % of aluminium higher than 99.00%. e.g. Al99.80 → AA 1080

For the other series (2xxx to 8xxx) the 3rd and 4th digits identify a specific alloy without physical significance. They only serve to differentiate between various alloys. Note that the 8xxx series is not included in the diagram; this series contains all alloys with formulations that are special and fall out of the more standard formulations of the 1xxx to 7xxx series.

A suffix "A" indicates a national variation of the alloy, e.g. EN AW-6005A.

1xxx Series Alloys

Major Element

Minor Element

2xxx Series Alloys Major element

Minor element

3xxx Alloy

Elements

MajorMnMg,Ca,Feminor

Aplication

Beverage Can

Strength, high ductility, Castable

Used because of their strength, formability, corrosion perfomance

4xxx Series Alloys

Low ductileVery low formability

Major = SiMinor = Ca, P, Ni

5xxx Alloy

Elements

Mg Cr,Mnstrength

good formability, combined with the medium strength and excellent corrosion resistance

Electrical resistivity

Reduce intergranular corrosion

Used for body parts of car and ship building

major minor

6xxx Series Alloys

Major Element

Minor Element

Use For :automotive outer body-panels, railcars, building (doors, windows, ladders), marine (offshore structures, etc), heating (brazing sheet).

7xxx Series AlloysVery strong "heat treatable" alloys

Prone to stress corrosion

Superior strength

Tensile Strengh : ± 570 Mpa

Yield Strengh : ± 505 MPa

Ductility : ± 11 % in 50 mm

Aerospace

Space Exploration

Military

Nuclear applications

Sports attributes

8xxx Series Alloys