PENGOLAHAN DENGAN KONVERTER

Proses pembuatan baja dapat diartikan sebagai proses yang bertujuan mengurangi kadar unsur C, Si, Mn, P dan S dari besi mentah dengan proses oksidasi peleburan.

 

Gambar 1.  Skema proses oksidasi

Konventer untuk proses “oksidasi berkapasitas antara 50-400 ton”. Besi kasar dari tanur yang dituangkan ke dalam konventer disemburkan oksigen dari atas melalui pipa sembur yang bertekanan kira-kira 12 atm.

Reaksi yang terjadi:

O₂ + C                     CO₂

Penyemburan Oksigen berlangsung antara 10-20 menit. Penambahan waktu penyemburan akan mengakibatkan terbakarnya C, P, Mn dan Si.

Gambar 2. Convertor

Konvertor dibuat dari plat baja dengan sambungan las atau paku keling. Bagian dalamnya dibuat dari batu tahan api. Konvertor disangga dengan alat penyangga yang dilengkapi dengan trunnion untuk mengatur posisi horizontal atau vertikal Konvertor.

Pada bagian bawah konvertor terdapat lubang-lubang angin (tuyer)sebagai saluran udara penghembus (air blast). Batu tahan api yang digunakan untuk lapisan bagian dalam Konvertor dapat bersifat asam atau basa tergantung dari sifat baja yang diinginkan.

Secara umum proses kerja konverter adalah:                 

1. Dipanaskan dengan kokas sampai suhu 1500⁰C.
2. Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja (+1/8 dari volume konverter).
3. Konverter ditegakkan kembali.
4. Dihembuskan udara dengan tekanan 1,5 – 2 atm dengan kompresor.
5. Setelah 20 – 25 menit konverter dijungkirkan untuk mengeluarkan hasilnya.

1.       Proses Bessemer (1855)

Proses Bessemer diinginkan baja bersifat asam sehingga batu tahan apinya harus bersifat asam (Misal : kwarsa atau aksid asam SiO₂). Besi mentah cair yang digunakan dalam proses Bessemer harus mempunyai kadar unsur Si £ 2%; Mn £ 1,5%; kadar unsur P dan S sekecil mungkin. Ketika udara panas dihembuskan lewat besi mentah cair, unsur-unsur Fe, Si dan Mn terbakar menjadi oksidasinya.

               

Sebagian oksida besi yang terbentuk pada reaksi di atas akan berubah menjadi terak dan sebagian lagi akan bereaksi dengan Si dan Mn.

               

               

Reaksi-reaksi di atas diikuti dengan kenaikan temperatur dari 1250 ⁰C ke 1650 ^oC. Dari reaksi di atas akan terbentuk terak asam kira-kira 40 - 50% Si O₂. Periode ini disebut periode pembentukan terak (“The slag forming period”). Periode ini disebut juga periode “Silicon blow”. Periode ini berlangsung sekitar 4 - 5 menit yang ditandai adanya bunga api danledakan keluar dari mulut Konvertor.

                Pada periode ke dua yang disebut “The brilliant flame blow” atau “Carbon blow” dimulai setelah Si dan Mn hampir semuanya terbakar dan keluar dari besi mentah cair.

Pada periode ke dua ini unsur C akan terbakar oleh panas FeO dengan reaksi :

               

Reaksi itu diikuti dengan penurunan temperatur  + 50 - 80% dan berlangsung + 8 - 12 menit. CO akan keluar dari mulut Konvertor dimana CO ini akan teroksider oleh udara luar dengan ditandai dengan timbulnya nyala api bersinar panjang  di atas Konvertor.            Periode ketiga disebut “Reddisk Smoke period” yang merupakan periode brilliant flame terakhir. Periode ini ditandai adanya Reddish smoke (nyala api ke merah-merahan) keluar mulut Konvertor . Hal ini menunjukkan bahwa unsur campuran yang terdapat dalam besi mentah telah keluar dan tinggal oksida besi FeO. Periode ini berlangsung + 1 - 2 menit. Kemudian Konvertor diputar sehingga posisinya menuju posisi horizontal, lalu ditambahkan oksider (ferromanganesh, ferrosilicon atau Al) untuk mengikatO₂ dan memadunya dengan baja yang dihasilkan. Baja Bessemer yang dihasilkan dengan proses di atas mengandung sangat sedikit unsur C.

Untuk baja Bessemer, kadar unsur C dapat dinaikkan dengan cara :

a.       mengurangi udara penghembus terutama pada periode ke dua.

b.      menambah C pada periode ke tiga hampir berakhir yaitu dengan menambahkan besi mentah.

Berat logam pada proses Bessemer ini akan berkurang + 8 – 12%.

2.       Proses Thomas (1878)

                Proses Thomas disebut juga “Basic Bessemer Process” yaitu proses Bessemer dalam keadaan basa. Proses ini memakai Converter yang di bagian dalamnya dilapisi bahan tahan api (refractory) bersifat basa seperti dolomite (Mg CO₃ CaCO₃). Pertama-tama converter diisi dengan batu kapur, kemudian besi mentah (pig iron) cair yang mengandung unsur phosfor (P) : 1,6 - 2% ; dan sedikit Si dan S (0,6% Si, 0,07 % S).

                Pada periode I (Slag forming period = Silicon blow) yaitu pada saat penghembusan, unsur Fe, Si, Mn akan teroksider dan terbentuklah terak basa (basic slag). Dengan adanya batu kapur, akan terjadi kenaikan temperatur, tetapi unsur phosfor (P) yang terkandung dalam besi mentah belum dapat dipisahkan dari Fe.

                Pada periode ke II (The brilliant flame blow = Carbon blow) yang ditandai dengan adanya penurunan temperatur, dimana Carbon (C) akan terbakar, berarti kadar C menurun. Jika kadar C tinggal 0,1 - 0,2%, maka temperatur akan turun menjadi 1400 - 1420^oC.

Setelah temperatur turun menjadi 1400^oC, mulailah periode ke III (Reddish Smoke Periode) yaitu terjadinya oksidasi dari Fe secara intensif dan terbentuklah terak dengan reaksi :

               

Peristiwa ini berlangsung + 3 - 5 menit, dan selanjutnya terbentuklah terak Phospor [CaO)4.P₂O₅] yang diikuti kenaikan temperatur yang mendadak menjadi 1600^oC. Setelah periode ke III ini berakhir, hembusan udara panas dihentikan dan converter dimiringkan untuk mengeluarkan terak yang mengapung di atas besi cair. Kemudian diberi doxiders/deoxidising agents misalnya Ferro Monggan, Ferro Silicon atau Aluminium untuk menghilangkan Oksigen (O₂) serta memberikan kadar Mn dan Si supaya diperoleh sifat-sifat tertentu dari baja yang dihasilkan. Terak yang dihasilkan mengandung  + 22 % P₂O5 merupakan hasil ikatan yang diperoleh dan dapat digunakan sebagai pupuk tanaman. Baja yang dihasilkan digunakan sebagai bahan dalam proses pengecoran seperti pembuatan baja tuang atau baja profil (steel section) seperti baja siku, baja profil I, C.

3.       Proses Linz Donawitz (LD)

Mula-mula konventer dimiringkan, kemudian besi-besi bekas disusul dengan besi kasar cair dimasukkan ke dalam konventer.

Tahap berikutnya, oksigen disemburkan dari atas selama 10-20 menit.

Karena di atas permukaan yang kontak dengan pipa sembur oksigen terjadi temperatur pembakaran yang tinggi, maka Phosphor akan  terbakar terlebih dahulu baru kemudian Karbon. Dengan demikian Kadar P yang dicapai bisa lebih baik, yaitu 0.05%.

Besi bekas yang bisa diikutsertakan untuk pembuatan baja hanya 40%.

Gambar 3.  Skema Proses Linz Donawitz

4.       Proses Dengan Oksigen Berlebihan

                Ada juga proses pembuatan baja dalam converter dengan cara penghembusan yang memakai Oksigen (O₂) berlebihan. Cara ini dapat mempercepat proses dan menambah out put converter + 15 - 20%. Dan yang paling menguntungkan dengan cara pemakaian O₂ berlebihan yaitu dapat mengurangi kadar Nitrogen (N₂) dalam baja yang dihasilkan. Penghembusan dengan menggunakan campuran O₂ dan uap air (steam) atau carbondioksida (CO₂) dapat juga dilakukan untuk menghasilkan baja berkualitas baik. Dengan cara di atas, akan diperoleh baja yang kualitasnya melebihi kualitas baja yang diperoleh lewat proses Open-hearth ataupun dapur listrik (electric furnace).

Read More

PENGOLAHAN BIJIH BESI

Besi diperoleh dengan mengolah biji besi menjadi besi kasar. Biji besi diperoleh dari alam dalam bentuk oksida besi. Pengolahan biji besi dilakukan untuk mengurangi oksigen, sehingga disebut proses reduksi. Biji besi yang ditemukan di alam mempunyai berbagai bentuk.

1.1   Bentuk Biji Besi

1. Berbentuk batu :

1. Batu besi merah ( Fe₂O₃) disebut hematit, mengandung kadar besi 45% - 65%, sedikit phosphor dan berwarna merah.
2. Batu besi magnit (Fe₃O₄), mengandung kadar besi 40% - 70%. Kandungan Phosphor hampir tidak ada, warna hijau tua kehitaman dan bersifat magnet, mengandung pasir besi titan (TiO₂) 95 - 11%.
3. Batu besi sawo matang (Fe₂O₃.3H₂O) mengandung kadar besi 25% - 50%, mengandung phosphor dan air.

2. Berbentuk pasir           :

Pasir besi titan (TiO₂) yang mengandung oksida besi Fe₃3O4 kira-kira 70% dan bercampur dengan oksida titan (Ti₂O₂) 9% - 10%.

3. Berbentuk butiran halus campur tanah liat :

Pasir besi spat (Fe.CO₃) atau disebut (sperosiderit) dengan kandungan besi 40% bercampur dengan tanah liat. Pasir besi spat ini mengandung karbon 10% - 25%.

1.2   Pengolahan Biji Besi

Biji besi umumnya disertai batu pengering yang terdiri dari silikat atau aluminat. Batu pengiring (kotoran) perlu dipisahkan dengan dicuci pada saluran goyang kemudian dihaluskan dengan proses pemecah secara bertingkat. Pemecahan diawali dengan proses ”breaking” menggunakan hammer mill yang mampu mereduksi dimensi bijih besi dari 300 – 1500mm menjadi 100 – 200mm, dilanjutkan dengan proses ”crushing” menggunakan gyratori mill yang mampu mereduksi dimensi bijih besi hingga 10mm dan terakhir proses ”grinding” menggunakan ball mill yang menghasilkan butiran bijih besi berukuran 0,005 – 0,15mm. Butiran halus bijih besi kemudian dilewatkan pada roda magnetik untuk memisahkan bijih besi yang mengandung kadar Fe tinggi dengan yang berkadar Fe rendah. Bijih besi yang mengandung kadar Fe tinggi kemudian disinter untuk mengurangi kadar air, karbon dan zat asam lainnya. Serbuk dicampur dengan serbuk arang kayu atau serbuk kokas, dibakar dalam dapur berputar. Disini terjadi reduksi tidak sempurna, biji besi setengah meleleh. Akibat dapur berputar akan terbentuk gumpalan berukuran kira-kira 30 – 60mm yang disebut sinter.

1.3   Bahan-Bahan Yang Diperlukan Pada Proses Pengolahan Biji Besi

1. Biji besi yang telah diselesaikan (dipecah, dibuat sinter, briket).

2. Bahan bakar

1. Arang kayu

Keuntungan       :   tidak mengandung P dan S

Kerugian              :   panas pembakarannya rendah 300 k.cal/Kg, tidak keras, tidak berpori-pori, maka hanya untuk dapur tinggi 17 M.

2. Kokas

Kokas diperoleh dengan membakar tidak sempurna dari batu bara. Kokas yang baik harus dipilih yang keras, besar dan berpori-pori.

Keuntungan       :   jumlahnya banyak, mudah panas pembakaran tinggi 8000 kcal/kg.

3. Batu tambahan

      Gunanya untuk mengambil P dan S dari besi dan menghindarkan oksidasi. Umumnya digunakan CaO atau CaCO₃. Dalam dapur tinggi batu akan mencair dan menjadi terak. Berat jenis terak < berat jenis besi cair, sehingga butiran-butiran besi terbungkus oleh terak dan terapung di atas cairan besi. Dengan demikian cairan besi dapat dihindarkan dari oksidasi. Lain daripada itu, semua kotoran dapat diserap oleh terak, sehingga besi cair bersih.

4. Udara

      Untuk mengadakan pembakaran dan pembentukan CO sebagai bahan reduksi biji besi diperlukan udara yang banyak sekali. Oksigen yang murah terdapat dalam udara. Untuk kapasitas 300 ton besi kasar diperlukan kira-kira 300 ton kokas, 800 ton biji besi, 10⁶ M³ udara. Agar bahan bakarnya dapat lebih hemat, udara tersebut dipanaskan sampai 900^oC dalam pemanas Cowper. Dengan cara ini dapat dihemat bahan bakar 20%.

2.         Dapur Tinggi

2.1     Kontruksi Dapur Tinggi

Dapur tinggi biasanya hanya untuk mengolah biji besi menjadi besi kasar (cast iron). Besi kasar ini merupakan bahan baku membuat besi cor atau baja.

Konstruksi dapur tinggi dibagi menjadi tiga bagian sebagai berikut :

Gambar 2.1. Konstruksi Dapur Tinggi

1. Tungku

        Berbentuk tabung, perbandingan diameter dan tingginya 4 : 7, pada dasar terdapat lubang besi kasar, di tengah-tengah tinggi tungku terdapat lubang terak dan di atasnya terdapat lubang udara yang arahnya dibuat tangensial agar timbul pusaran udara, sehingga cairan terak terkumpul dan terpisah dari cairan besi. Tungku dilapis batu tahan api setebal 1–1,5m dan harus berkaulitas baik, karena menderita pengaruh kimia dan suhu yang tinggi.

2. Hentian

        Konstruksinya dibuat terlepas dari bagian atas agar pada waktu mengganti batu tahan api tidak mengganggu bagian atasnya. Dilapis batu tahan api yang berkualitas baik.

3. Corong

        Corong adalah bagian dapur paling atas yang berfungsi sebagai tempat untuk memasukkan bahan-bahan yang akan diolah. Bagian ini tidak menderita panas tinggi, maka cukup dilapis batu tahan api yang berkualitas sedang.

Catatan :

Batu tahan api dibuat dari campuran silikat (SiO₂) dan aluminat (A1₂O₃). Silikat mempunyai titik leleh yang tinggi, maka batu api lebih asam, mengembangnya berkurang. Susunannya A1₂Si₂O₂.2H₂O. Bahan batu tahan api tidak boleh diberi Fe₂O₃ atau CaCO₃ karena kedua bahan tersebut merendahkan suhu leleh. Batu api yang kualitasnya kurang baik/sedang, dibuat dari campuran kaolin baru ditambah tepung batu tahan api yang telah terpakai. Silikat dan aluminat dicampur dalam keadaan kering, kemudian dicampur basah dengan mesin. Sesudah itu dicetak pada tekanan tinggi menjadi batu, dikeringkan dan dibakar. Batu tahan api kualitas sedang dinamai batu chamotte.

2.2     Proses Dapur Tinggi

            Kedalam tanur tinggi secara bergantian dimasukkan kokas, bijih besi, dan batu kapur dengan perbandingan 4 : 2 : 1. Kokas berfungsi sebagai bahan bakar sedangkan batu kapur berfungsi sebagai pengikat kotoran hasil peleburan. Setelah terisi kira-kira ¾ tinggi dapur kemudian dihembuskan udara panas bertemperatur 1650⁰C dengan blower. Didalam dapur udara akan membakar kokas dan meleburkan bijih besi.

Bijih besi pada umumnya adalah suatu persenyawaan besi-zat asam. Jika tidak demikian, misalnya batu-besi-kalsit, maka bijih-besi didalam oven-panggang dapat diubah menjadi oksid-besi. Pada prinsipnya dalam dapur tinggi terjadi pemisahan zat asam dari bijih besi, sehingga diperoleh besi sebagai sisa. Proses ini disebut proses reduksi (pengurangan).

Bijih masih terdapat batu-batu galian. Batu-batuan ini mempunyai titik lebur tinggi. Untuk menurunkan titik lebur ini ditambahkan bahan tambah dalam bentuk kapur (CaO). Bahan tambah ini melebur bersama dengan batu-batuan dan abunya menjadi terak yang menyelubungi tetesan besi yang terbentuk dan terak melindunginya melawan oksidasi dan mengapung di dalam tungku di atas besi kasar.

Gambar 2.2. Sistematis Proses Dapur Tinggi

Proses kimia pada suhu tinggi berlangsung lebih cepat. Oleh karena itu udara yang dibutuhkan untuk pembakaran kokas, dipanaskan sebelumnya dalam pemanas udara. Pemanas udara diopak dengan gas yang menghilang dikala proses dapur tinggi.

Zat arang dari kokas membakar menurut:

                               

Sebagian dari CO₂ membentuk barsama zat arang yang berada di tempat lebih atas menjadi gas CO.

                               

Di bagian atas dapur tinggi, pada temperatur 300⁰ – 800⁰C, oksida-besi yang lebih tinggi diubah menjadi oksida lebih rendah oleh reduksi tidak langsung dengan CO tersebut:

                               

                               

                               

Pada waktu proses berlangsung muatan turun beraturan. Dalam bagian dudukan terjadi reduksi tidak langsung menurut:

                               

Reduksi ini disebut reduksi tak langsung karena yang digunakan bukan zat arang tetapi persenyawaan zat arang. Reduksi langsung terjadi dalam bagian yang terpanas dari dapur, yaitu langsung di atas pipa tiup. Reduksi langsung terjadi sebagai berikut:

                                 

Gas CO yang terbentuk naik ke atas dan di dalam cemuk mengambil bagian dalam reduksi tidak langsung dan pembakaran kokas. Pada reduksi tidak langsung dan reduksi langsung, besi yang diperoleh dari sentuhan kokas akan mengambil zat arang.

Pada saat yang bersamaan, sebagian bahan ikutan seperti  dan  akan bereaksi dengan C dan tereduksi menjadi Mn dan Si, reaksinya:

                               

                               

Sementara itu batu kapur pada saat pembakaran berlangsung akan tereduksi menjadi CaO, reaksinya:

                               

Selanjutnya CaO akan mengikat zat pengotor dalam besi membentuk terak, reaksinya:

                               

                               

                               

                               

Akibat ketidak sempurnaan pembakaran, sebagian karbon yang tidak terbakar akan ikut turun kebagian dasar tungku bersama besi cair dan terak cair. Lapisan bawah adalah besi cair bercampur karbon, sedangkan bagian atasnya terak cair. Dapur tinggi dicerat tiap 4 sampai 6 jam, pertama terak cair dikeluarkan melalui cerat atas dan selanjutnya besi cair melalui cerat bawah. Besi yang mengalir ke luar ditampung dalam pencampur besi kasar. Isi pencampur besi kasar dapat digunakan untuk pembuatan baja atau dituang menjadi balok tuangan.

3.    Hasil Dapur Tinggi

Hasil pengolahan dalam dapur tinggi antara lain:

1.       Besi Kasar

Besi hasil dapur tinggi disebut besi kasar atau ”pig iron” dengan mengandung 3,5 – 4%C, 0,1 – 1,0%P dan 0,02 – 0,08%S.

a.       Besi Kasar Putih

Mengandung banyak Mn, sedikit Si dihasilkan pada suhu dapur yang sedang, karena Mn pada suhu tinggi mengoksid kembali, baik sebagai bahan pembuatan baja. Tidak baik sebagai bahan tuangan karena mempunyai sifat keras, getas, lekas membeku, maka biasanya lanagsung dikerjakan pada converter Thomas, Bessemer atau dapur Siemens Martin. Bila % Mn tinggi 5 - 25 % disebut besi kaca. Bila % Mn lebih 60% disebut ferro-mangan (memberikan ketahanan arus)

b.      Besi Kasar Kelabu

Besi kasar kelabu lebih lunak dan lebih liat dibandingkan besi kasar putih.

1)      Besi kasar kelabu muda

Berbutir halus dengan Si 0,5 - 1 %

Baik sebagai bahan besi tuang, untuk membuat silinder mesin.

2)      Besi kasar kelabu hitam

Berbutir kasar. Baik sebagai besi tuang, besi tuang ini diperoleh dengan jalan menuangkan besi kasar dicetakan pasir sehingga SiO₂ mudah masuk ke dalam besi. Bila Si 5 - 20 % disebut ferro-silisium (bahan pembuat baja yang keras).

2.       Gas Dapur Tinggi

Gas yang keluar dari dapur tinggi selama proses pencairan besi kasar kira-kira 5000 m³ tiap ton besi kasar yang dihasilkan, mempunyai nilai pembakaran 900k.cal/m³ dan mengandung: 35 % gas CO, 12 % gas CO₂, 64 % gas N₂, + 2 % gas H₂

Karena masih mempunyai panas pembakaran tinggi banyak dipergunakan pada : pemanas Cowper, pembangkit tenaga listrik, pemanas dapur Thomas dan Bessemer. Sebelum digunakan gasa dapur tringgi perlu dibersihkan secara basah atau kering. Debu yang terbawa berjumlah 7 ton setiap hasil besi kasar 100 ton dan mengandung besi, debu ini dikumpulkan dan dibuat sinter atau briket untuk selanjutnya dicairkan dalam dapur tinggi.

3.       Terak

Terak dapur tinggi 0,6 - 1,5 ton setiap ton besi kasar yang dihasilkan, sebagian besar terdiri dari silikat calsium, aluminat. Terak dapat dipakai :

a.    sebagai pengganti batu alam, untuk mengeraskan jalan

b.   sebagai isolator panas, dengan jalan dibuat wol terak terlebih dahulu.

c.       bila banyak mengandung P (Ca₃(PO4) ₂) setelah digiling dapat dipakai sebagai pupuk.

d.      dapat digiling halus sebagai pengganti pasir pada bangunan beton

e.      dapat dibuat pasir terak dengan menyembur air pada waktu keluar dari dapur tinggi, agar pecah berbutir-butir, dicampur aspal, untuk melapis jalan dengan muatan ringan.

f.        untuk mengisi lubang-lubang / tanggul-tanggul.

Read More

BAHAN NON LOGAM

KERAMIK

Keramik sebagai bahan teknik tidak hanya meliputi bahan-bahan yang terbuat dari tanah liat atau sebangsanya. Keramik sebagai bahan teknik terdiri dari berbagai fase yang masing-masing merupakan senyawa dari logam dan non logam. Kebanyakan keramik adalah kristalin sebagaimana halnya logam. Hanya saja ikatan antar atom pada keramik biasanya adalah ikatan kovalen atau ikatan ionik dan karenanya keramik biasanya sangat stabil. Jadi sebenarnya kermaik adalah semua bahan yang bukan logam, bukan plastik (polimer), bukan bahan biologik termasuk misalnya batu, pasir, tanah liat, dll. biasanya keramik terdiri dari berbagai oksida, karbida silikat, dll.

Beberapa keramik yang mempunyai arti penting sebagai bahan teknik antara lain:

1.       Refractory Batu Tahan Api)

Batu tahan api merupakan bahan yang sangat diperlukan bagi industri-industri yang bekerja menggunakan temperatur tinggi. Batu tahan api mempunyai sifat tahan terhadap temperatur tinggi, tetap stabil/ tidak berubah walaupun pada temperatur tinggi, mempunyai konduktivitas panas yang rendah (menghambat perambatan panas), kuat, keras tetapi getas. Dari sifat kimianya batu tahan api dapat dibagi menjadi:

a.       Batu tahan api asam (acid refractories), biasanya terbuat dari quartz, quartzite mengandung bayak silika (SiO₂). Titik lebur batu tahan api jenis ini antara 1690⁰C – 1730⁰C, dan mulai melunak pada 1550⁰C. Digunakan misalnya pada konverter Bassemer dan dapur lain yang menggunakan acid lining.

b.      Batu tahan api basa (basic refractories), banyak mengandung magnesia (MgO). Dibuat dari dolomite dan/atau magnesium. Batu tahan api dolomit dapat tahan sampai 1800 – 1950⁰C, batu tahan api magnesit dapat tahan sampai 2000⁰C.

c.       Batu tahan api netral (neutral refractories) banyak mengandung alumina (Al₂O₃) dan silika (SiO₂) terbuat dari kaolinit, dapat tahan sampai suhu 1600 – 1670⁰C.

Selain itu batu tahan api juga sering dinamakan menurut kandungan senyawa yang paling dominan, misalnya ada batu tahan api silika, alumina, magnesit, chromit, dll.

2.       Gelas (Kaca)

Kaca banyak dipakai karena sifat-sifatnya yang transparan, non toxic, inert (tidak bereaksi dengan berbagai bahan kimia), tidak mengakibatkan kontaminasi dan cukup kuat/keras. Kaca dibuat dari campuran berbagai oksida. Pada umumnya kaca adalah non kristalin/amorph, atom/molekulnya tidak tersusun menurut suatu pola tertentu seperti halnya logam, tetapi berupa suatu network tiga dimensi yang acak. Sebagian dari oksida itu berfungsi sebagai glass former yaitu yang membentuk network dari kaca. Sebagian berfungsi sebagai modifier biasanya akan memperlemah ikatan pada network sehingga menurunkan titik leburnya. Ada juga yang berfungsi sebagai intermediates.

Sebagai glass former biasanya adalah SiO₂, disamping itu ada juga beberapa oksida lain yang dapat dipakai, misalnya P₂O₅, B₂O₃, As₂O₃, Sb₂ dan GeO₂. Sedangkan sebagai intermediates misalnya oksida aluminium (alumina), beryllia, titania, zirconia.

Glass Formers	Intermediates	Modifiers
SiO2	Al2O3	MgO
B2O3	Sb2O3	Li2O
GeO2	ZrO2	BaO
P2O5	TiO2	CaO
V2O5	PbO	SrO
As2O3	BeO	Na2O
	ZnO	K2O

Soda Lime Glass

Kaca yang paling banyak diproduksi, karena harganya murah, tahan terhadap devitrifikasi (terjadinya bagian/partikel kristalin pada kaca yang dapat menyebabkan kaca menjadi gelas) dan relatif tahan air. Mudah di-hotwork, banyak digunakan untuk kaca jendela, botol, boal lampu dan tableware yang tidak perlu tahan terhadap temperatur tinggi dan tahan terhadap bahan-bahan kimia.

Lead Glass (Flint Glass)

Biasanya digunakan untuk high quality tableware, keperluan optik, tabung lampu iklan dan juga untuk pembuatan benda seni. Kaca dengan kandungan timbal yang tinggi (sampai 80%) digunakan untuk kaca optik sangat gelap dan untuk jendela /pelindung terhadap sinar X-Ray. Lead glass mempunyai titik lebur rendah, mudah di-hotwork, tahanan listrik tinggi, dan mempunyai indeks bias tinggi.

Borosilicate Glass (Pyrex)

Sangat stabil terhadap bahan kimia, sangat tahan terhadap thermal shock, mempunyai tahanan listrik tinggi. Borosilicate glass banyak digunakan di industri untuk pipa, glass ukuran, alat laboratorium, isolator listrik dana beberapa keperluan rumah tangga.

High Silica Glass

Sangat tahan terhadap thermal shock, dan temperatur tinggi (sampai 900⁰C). Harganya sangat mahal karena itu hanya digunakan untuk beberapa keperluan khusus.

Sebagian dari intermediate dan modifier tersebut dikatakan juga berfungsi sebagai flux yaitu yang menurunkan temperatur pelunakan kaca sehingga kaca cair masih dapat dikerjakan sampai temperatur yang cukup rendah. Adanya flux mungkin menurunkan daya tahan kaca terhadap bahan kimia, dapat menyebabkan kaca dapat larut. Untuk mengurangi akibat buruk itu ditambahkan oksida yang berfungsi sebagai stabiliser.

Semua campuran oksida itu dipanaskan sampai lebur lalu kaca yang masih kental dibentuk dengan penuangan pada cetakan (moulding) atau dengan peniupan (blowing).

Kaca dapat dibuat menjadi bentuk serat (fibre) dengan berbagai cara, misalnya dengan menarik filamen kaca yang masih kental (continuous filament process) akan didapat suatu bahan yang dikenal dengan nama fibreglass, atau dengan memasukkan kaca yang masih cair ke dalam piringan berpori yang berputar cepat (crown process) akan diperoleh serat gelas yang pendek-pendek, dikenal dengan glass wool.

Fibreglass mempunyai kekuatan yang tinggi sekali, sampai 700Mpa, banyak digunakan sebagai bahan komposit yang dipakai untuk berbagai keperluan. Glass wool sering digunakan sebagai bahan isoltor panas.

3.       Abrasives

Abrasive adalah bahan yang digunakan untuk menghaluskan permukaan bahan lain dengan cara menggosokkan bahan abrasive ke permukaan yang akan dihaluskan sehingga terjadi pengikisan. Bahan abrasives digunakan untuk membuat gerinda, kertas gosok atau serbuk/ pasta polishing.

Bahan abrasives terbuat dari berbagai oksida dan karbida yang sangat keras, seperti alumina, silica, silicon carbide, tungsten carbide, dll. Bahan – bahan ini dibuat menjadi bentuk “pasir” atau serbuk dengan berbagai ukuran, kemudian dengan menggunakan sedikit bahan perekat dibentuk menjadi batu gerinda atau dilapiskan pada kertas menjadi kertas gosok, dicampurkan pada pasta atau dibiarkan berupa serbuk. Bahan-bahan tersebut juga dapat dibentuk dengan cara sintering dibuat menjadi pahat potong, seperti halnya carbide tips.

4.       Cement (Semen)

Semen adalah semacam bahan perekat, berupa serbuk, yang bila dicampurkan dengan air menjadi pasta dan setelah dibiarkan beberapa saat akan menjadi keras. Ada yang untuk menjadi keras ini memerlukan banyak air (hydraulic cement), seperti misalnya Portland cement, dan ada juga yang untuk menjadi keras tanpa memerlukan tambahan air, seperti misalnya kapur bubuk (Ca(OH)₂) dan gips (CaSO₄).

Kapur bubuk dibuat dengan memanggang (calcining)  batu kapur (CaCO₃) pada temperatur sekitar 1000⁰C sehingga berdekomposisi menjadi CaO (gamping). Dengan menyiramkan air pada CaO ini akan diperoleh Ca(OH)₂ berupa serbuk. Pada saat pemakaiannya bubuk kapur ini dicampur dengan pasir dan air menjadi pasta dan pasta ini akan mengeras karena terjadinya reaksi dengan CO₂ dari udara, terbentuk CaCO₃ dan air.

Cement yang banyak dipakai adalah Portland Cement yang banyak digunakan untuk membuat beton dan perekat bahan bangunan. Portland cement dibuat dari batu kapur dan tanah liat yang kemudian dihaluskan lalu dibakar. Pembakaran di dalam kilang putar (rotary kiln) ini menyebabkan bahan-bahan tadi berdifusi dan menjadi clinker yang keluar dari kilang berbentuk bola-bola. Clinker ini dicampur dengan sejumlah gips lalu dihancurkan lagi menjadi serbuk yang halus.

Portland cement terdiri dari berbagai oksida, silikat, aluminat, dll. Semen ini mulai menjadi keras dalam 24 jam pertama, tetapi pengerasan yang sempurna akan terjadi setelah kira-kira 28 hari, tergantung pada banyaknya gips yang dicampurkan. Juga kandungan alumina mempengaruhi kecepatan pengerasan ini, dengan alumina yang makin banyak dan silika yang makin sedikit akan mempercepat pengerasan.

PLASTIK (POLIMER)

Pada dasarnya plastik meliputi sekelompok bahan yang mempunyai molekul besar yang terdiri dari gabungan molekul-molekul yang lebih kecil. Sebagian besar adalah senyawa organik, terdiri dari karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen. Plastik mempunyai beberapa sifat yang khas:

1. Ringan, berat jenis 1,2 – 1,6 (logam paling ringan Mg = 1,75)
2. Penyekat panas dan listrik yang baik
3. Surface finish yang baik dapat diperoleh langsung dari cetakan
4. Dapat diperoleh dalam berbagai warna atau transparan
5. Kekuatan lebih rendah daripada logam, juga impact strengthnya
6. Tidak cocok digunakan pada temperatur yang tinggi
7. Stabilitas kurang baik, terutama pada kondisi basah

Mengingat sifat-sifat tersebut maka plastik sangat cocok untuk digunakan pada barang-barang yang menerima beban rendah/menengah, dengan konduktivitas panas/listrik yang rendah, dengan pilihan warna yang cukup luas serta dapat dibentuk hanya dengan satu proses saja. Karena itu sebagian besar plastik digunakan sebagai kotak/wadah yang harus ringan, berwarna menarik dan mudah diproduksi, seperti misalnya radio/television cabinet dan berbagai peralatan rumah tangga. Juga berbagai bagian dari interior mobil, dll.

Plastik juga banyak digunakan pada alat-alat listrik, serta beberapa bagian dari alat pemanas. Plastik juga banyak digunakan dalam bentuk “foam”. Foam yang lunak dilapis untuk bagian dalam dan dilapis dengan bagian yang agak keras berfungsi sebagai peredam getaran/suara, seperti dipakai pada pesawat terbang, dll. Plastik juga banyak menggantikan logam untuk pembuatan dies untuk beberapa operasi press working dari sheet metals.

Molekul plastik merupakan suatu rangkaian/rantai dari sejumlah besar “mer”, karena itu plastik disebut juga polymer, dan nama dari suatu jenis plastik biasanya disebut dengan menambahkan kata “poly” di depan nama monomernya, misalnya poluethylene, polyninylchloride, polytetrafluoroethylene, dll.

Molekul plastik dapat dianggap mempunyai tulang punggung dari rangkaian atom C dimana pada rangkaian/tulang punggung itu terdapat rusuk-rusuk atau kalung yang berupa atom-atom lain seperti hydrogen, chlor, fluor, dll. Antara molekul tulang punggung dan rusuk terikat dengan ikatan yang kuat, ikatan primer.

Pada beberapa jenis plastik antara beberapa rantai yang saling berdekatan juga terikat dengan ikatan primer yang kuat. Ikatan ini menyebabkan molekul polimer itu tidak mudah terurai karena bahan-bahan kimia maupun karena panas. Hal ini terjadi pada thermosetting plastics, yaitu plastik yang segera mengeras setelah mencapai temperatur pembentukannya, selanjutnya tidak akan menjadi lunak walaupun dipanaskan kembali. Pada jenis lain, thermoplastic plastics, ikatan antara rantai-rantai molekl plastik tidak begitu kuat, yaitu dengan secondary forces (Van der Waals forces) yang akan menjadi lemah dengan kenaikan temperatur dan menjadi lebih kuat bila temperatur turun kembali, karena itu jenis plastik ini akan menjadi lunak bila menerima pemanasan, mudah dibentuk dan akan menjadi keras lagi bila temperatur turun kembali. Karena itu thermoplastik plastik dapat dibentuk berulang kali dengan melakukan pemanasan setiap kali akan membentuknya. Perbedaan ini menyebabkan juga perbedaan pada proses pembentukannya. Thermosetting plastik biasanya lebih keras, lebih kuat dan tidak mudah larut dalam suatu cairan pelarut (solvent).

1.       Phenolic, cukup kuat, keras, tidak transparan, mudah diberi warna. Harganya cukup murah, dapat dibentuk dengan mudah dengan moulding. Termasuk thermosetting plastic.

2.       Melamine, juga termasuk thermosetting plastic, tahan panas, tahan air, tidak bereaksi dengan bahan-bahan kimia, merupakan isolator listrik yang baik. Banyak digunakan untuk tableware, alat listrik, dll.

3.       Epoxy, ulet/tangguh, elastis, tidak mudah bereaksi dengan berbagai bahan kimia, kestabilan dimensi cukup baik, pembuatannya tidak memerlukan temperatur dan tekanan yang tinggi. Banyak digunakan untuk bahan coating dan untuk alat listrik. Karena mudah dicure pada tekanan dan temperatur kamar, plastik ini banyak digunakan untuk jigs, template, forming dies (untuk sheet metal) dan lem/perekat.

4.       Acrylic, thermoplastic plastic, transparan, cukup kuat, tahan impact dan lentur, isolator listrik yang baik, mudah diberi warna, tahan terhadap berbagai bahan kimia. Acrylic secara optik paling transparan dari semua jenis plastik, dikenal dengan nama Lucite dan Plexyglass. Kekurangannya adalah mudah tergores.

5.       Nylon, thermoplastic plastic, tahan abrasi, ulet, kestabilan dimensi baik tetapi harganya relatif cukup mahal. Dapat diperoleh dengan pembentukan oulded ataupun dalam bentuk filamen seperti dipergunakan untuk tekstil, tali, senar, dll. Moulded nylon banyak digunakan untuk bahan bantalan, karena koefisien gesekannya yang sangat rendah.

6.       Polystyrene, thermoplastic plastic, stabilitas dimensi baik, menyerap air hanya sedikit, isolator listrik terbaik, mudah terbakar dan bereaksi dengan asam.

7.       Vynil, dapat dibuat dalam bentuk tipis yang elastis, seperti karet sampai bentuk yang kekar/kaku. Yang ulet/fleksible cukup kuat dan tidak mudah lapuk. Jenis yang kaku/kekar mempunyai stabilitas dimensi baik dan tahan air.

8.       Polyethylene, ulet/tangguh dan tahanan listriknya besar. Banyak digunakan untuk alat dapur yang unbreakable dan isolasi kabel listrik.

9.       Polycarbonate, dikenal karena kekuatan dan ketangguhannya yang sangat tinggi

10.   Silicone, merupakan plastik yang unik karena rusuk dari rantai molekulnya terdiri dari atom silikon dan oksigen berselang-seling, jadi termasuk semi-organik. Dikenal sangat tahan panas, mempunyai sifat dielektrik yang tinggi dan penyerapan kelembaban yang sangat rendah.

11.   Urea formaldehyde, thermosetting plastic yang dapat dibuat dengan warna terang, yang tidak terdapat pada phenolic. Sifatnya sama phenolic.

12.   Fluorocarbon, dikenal inert terhadap berbagai macam bahan kimia, tahan temperatur tinggi dan koefisien gesek yang sangat rendah. Banyak digunakan untuk non-lubricated bearing dan lapisan nonstick (anti lengket) pada alat masak dan pada setrika, dll.

Bahan plastik jarang sekali digunakan tanpa penambahan beberapa bahan lain. Penambahan bahan lain ini dimaksudkan untuk memperbaiki beberapa sifatnya, menurunkan harganya, memperbaiki sifat moldability dan memberi warna. Bahan tambahan ini dapat dikelompokkan menurut fungsinya yaitu sebagai filler, plasticizer, coloring agent atau lubricant.

Filler biasanya ditambahkan untuk memperbaiki kekuatan dan membuat harga produk menjadi lebih murah. Filler biasanya merupakan bagian yang sangat besar dari suatu barang plastik, karena itu filler diambil dari bahan yang lebih murah daripada resin plastiknya dan filler akan sangat berpengaruh terhadap sifat dari barang plastik itu. Filler yang banyak digunakan antara lain:

1.      Wood flour            :  general purpose filler, low cost with fair strength, good moldability.

2.      Cloth fibers           :  improved impact strength, fair moldability

3.      Macerated cloth :  high impact strength, limited moldability

4.      Glass fibers           :  high strength, dimensional stability, translucent

5.      Asbestos fiber     :  heat resistance, dimensional stability

6.      Mica                         :  excellent electrical properties, low moisture absorption

Ada juga beberapa filler lain yang mulai banyak digunakan, terutama untuk memberikan kekuatan yang sangat tinggi bahkan juga pada temperatur tinggi, seperti “whisker” dari beberapa logam dan non logam, misalnya boron, stainless steel, columbium, titanium, tantalium, zirkonium, silicon carbide, dll. Whisker ini diameternya antara 1 – 5 mikron dan panjangnya 30 – 1000 mikron, mempunyai modulus elastisitas sangat tinggi dan kekuatan sampai 3.000.000psi. juga ada yang berbentuk filamen, seperti fibreglass, graphite atau boron yang diameternya beberapa per seribu inch dan panjangnya dapat dipilih sesuai dengan keperluan. Ini akan dapat memberi kekuatan sampai 350.000psi dengan modulus elastisitas 60juta psi.

Plasticizer ditambahkan dalam jumlah yang sangat kecil, dimaksudkan untuk memperbaiki/ mengendalikan flow (aliran) plastik selama proses pencetakan (molding). Banyaknya plasticizer yang diperlukan tergantung pada kerumitan bentuk cetakan dan jumlahnya harus sesedikit mungkin karena akan berpengaruh terhadap stabilitas dari produk.

COMPOSITE

Composite materials dapat didefinisikan sebagai suatu kombinasi dari dua bahan  atau lebih yang sifatnya sangat berbeda dengan sifat masing-masing bahan asalnya. Dengan mengkombinasikan bahan-bahan tertentu maka akan dapat diperoleh suatu bahan lain dengan sifat yang lebih baik dari masing-masing bahan asalnya, karena dari masing-masing bahan diambil sifat baiknya. Kombinasi tersebut harus sedemikian rupa sehingga akan saling menghilangkan sifat buruk dari bahan asalnya yang baik.

Ada beberapa composite materials yang dapat terjadi secara alamiah, misalnya saja kayu yang terdiri dari serat selulose yang berada dalam matriks lignin. Juga pada berbagai paduan logam, seperti lamel-lamel ferrite dan cementit (pearlite), paduan aluminium-tembaga dapat terjadi CuAl₂ yang tersebar dalam matriks alpha. Composite materials dapat merupakan kombinasi dari berbagai bahan, logam dengan logam, logam dengan plastik, logam dengan keramik, keramik dengan plastik. Tujuan pembentukan komposit adalah untuk menghilangkan sifat-sifat buruk dari masing-masing komponen bahan yang berkombinasi sehingga diperoleh bahan lain dengan sifat-sifat yang lebih baik.

Composite material dapat digolongkan menjadi:

1.       Agglomerated Materials

Pada agglomerated materials yang dikombinasikan adalah bahan yang berbentuk butiran dari berbagai ukuran, dengan suatu bahan perekat. Sebagai contoh adalah beton yang terdiri dari besi baja, kerikil, pasir, dan semen. Besi baja mempunyai sifat lunak dan ulet, sehingga mempunyai kemampuan menahan beban tarik dengan baik. Kerikil mempunyai sifat keras, kemampuan menerima beban tekan akan lebih baik bila rongga di antara butiran kerikil diisi pasir. Ini semua diikat menjadi satu oleh perekat/semen, sehingga diperoleh suatu bahan yang keras, padat, tahan kompresi dan tahan terhadap beban tekuk.

Contoh lain adalah lapisan aspal untuk permukaan jalan, batu gerinda, dll.

2.       Laminates

Bahan laminates dimana bahan – bahan saling melapisi. Sebagai contoh adalah kayu lapis. Setiap lapisan pada kayu lapis mempunyai arah serat yang saling tegak lurus dengan lapisan berikutnya, sehingga akan saling memperkuat.

Laminates juga dapat dilakukan pada logam dengan logam, seperti pada alclad, yaitu paduan aluminium (kuat tapi kurang tahan korosi) yang pada permukaanya dilapisi dengan lembaran aluminium murni (lebih tahan korosi) atau baja karbon yang dilapisi baja tahan karat. Juga misalnya corrugated sheet yang dilapisi flat sheet (seperti pada karton pembungkus)

3.       Surface Coated Materials

Pada surface coated material, coating biasanya akan menjadi pelindung bahan yang dilapisi, sedang kekuatan diperoleh dari bahan yang dilapisi. Misalnya seperti pada baja lapis seng, tin plated sheet, chrome plated sheet, dll.

4.       Reinforced Materials

Reinforced material ini merupakan kelompok yang paling penting dan paling banyak digunakan. Pada komposit jenis ini ada sebagian komponen yang tersusun ke arah tertentu dalam matriks dari komponen lain. Dengan demikian akan memperbaiki kekuatan ke arah tertentu tersebut. Sebagai contoh dari kelompok ini adalah beton bertulang (reinforced concrete). Beton tahan terhadap beban tekan tetapi tidak tahan terhadap beban tarik. Untuk menghilangkan keburukan tersebut, pada beton diberi baja tulangan yang akan menahan beban tarik.

Bahkan untuk lebih memperkuat lagi, besi penguatnya diberi tegangan tarik lebih dulu, sebelum adanya beban luar. Ini dinamakan prestressed concrete (beton pratekan). Contoh lain: glase fibre reinforced plastic, asbestos reinforced plastic, dll. Akhir – akhir ini juga banyak dikembangkan berbagai komposit dengan menggunakan berbagai serat (fiber) dan whisker sebagai reinforcing, seperti fiberglass, graphite, boron, kevlar, dll., dengan matriks dari logam, plastik, keramik, dll.

Read More