Teknologi Bahan

(KH 2263)

Logam

oleh

Prof. Dr Kamarudin Mohd Yusof

Jabatan Kejuruteraan Awam & Struktur, UKM

Logam Ferus

• besi tuang, besi tempa, keluli.• di proses daripada bijih besi - besi

oksida, sulfida, klorida, silikat dan karbonat.

• proses: melombong, membersih bijih, mengeluarkan besi daripada bijih dan menulenkan besi.

2

Logam Ferus

• Melombong: mengeluarkan bijih daripada kerak bumi.

• Membersih bijih: mengeluarkan bahan asing daripada bijih seperti sulfur, karbon dan lain-lain.

• Mengeluarkan besi daripada bijih: proses kimia menukarkan oksida besi menjadi logam besi dan bercampur karbon.

• Antara proses-proses: pairometalurgi, elektrometalurgi dan hidrometalurgi

• Penulenan besi: proses mengurangkan kandungan karbon - besi tuang, tempa , keluli.3

Logam Ferus

• Pairometalurgi- proses mengeluarkan besi jongkong dengan cara memanaskan nya dalam relau.

• 60% bijih besi dicampurkan dengan 25% kok (arang batu) dan 15% batu kapur dipanaskan dalam relau Bagas pada suhu 500 - 600oC oleh udara panas dan pada tekanan 0.1MN/m2.

• Apabila kok terbakar - suhu naik mencapai 1600oC. Besi cair dan mendap ke bawah.

• karbon menjadi karbon dioksida, sulfur bercantum dgn. batu kapur dan terasing menjadi slag. 4

Logam Ferus

Besi jongkong dikeluarkan dan disejukkan dalam bentuk jongkong 50kg.

Besi ini masih belum tulen mengandungi kandungan karbon yang tinggi.

Besi ini ditulenkan menjadi besi tuang, besi tempa dan keluli.

5

Logam Ferus

• Besi Tuang (cast iron)– besi jongkong

dipanaskan semula dalam relau Kupola untuk menulenkan besi/mengurangkan kandungan karbon.

– 20% kok, 80% besi jongkong.

– Kandungan karbon : 1.5% - 4%

Logam Ferus

• Besi tuang yang lebih tulen (kurang kandungan karbon) dikeluarkan oleh relau bergema.

• Slag yang timbul atas besi cair menututp permukaan dan mengelakkan berlaku pengoksidan semula.

7

Logam Ferus

8

Logam Ferus

• Jenis-Jenis Besi Tuang– Besi cair yang keluar dari relau kupola atau relau

bergema apabila dikawal proses penyejukannya menghasilkan besi tuang berbeza ciri-cirinya.

– Apabila dilakukan rawatan semula seperti proses sepuh-lindap (annealing) atau sepuh-lindap lanjutan - ciri-ciri mekanikal berbeza berbanding dengan yang tanpa melalui proses ini.

– Besi tuang biasa (susah ditempa), besi tuang putih (sangat kuat dan rapuh), besi tuang kelabu (kekuatan lebih rendah tetapi lebih mulur).

– Dengan penambahan logam asing: 0.5% - 3% nikel- meningkatkan kekuatannya.

9

Logam Ferus

• Kecacatan Besi Tuang– Besi ini kebiasaannya wujud kecacatan– i. Gelembong-gelembong terperangkap

ketika proses penyejukan.– ii. Mengalami rekahan.– iii. Berlaku pengasingan benda asing ke

dalam kelompok-kelompok - melemahkan/ merapuhkan besi.

– iv. Struktur ira yang kasar - besi lebih lemah di satah berkenaan.

10

Logam Ferus

Besi Tempa (Wrought Iron)besi paling tulen dihasilkan dengan kandungan karbon kurang daripada 0.12%.dalam relau, besi jongkong lebih tulen digunakan dan karbon yang terbakar menjadi karbon monoksida.bendasing yang terbakar dielakkan terperangkap dengan menggunakan Penukar Bessemer, i.e. besi cair disejukkan dengan menuang menjadi bebola besi kecil.

11

Logam Ferus

• Sifat-sifat Besi Tempa– Kemuluran sangat tinggi- pemanjangan 25%

- 30% panjang asal sebelum gagal.– Kekuatan tegangan maksimum ~355

N/mm2.– Mencapai 415 N/mm2 apabila dicampurkan

sedikit nikel.– Ketumpatan ~7690 kg/m3

– senang dikerjakan, mudah kimpal.– Tahan hentaman dan tahan kakisan.

12

Logam Ferus- Kegunaan Besi Tempa

13

Logam Ferus

• Peranan Karbon dalam logam Ferus

14

Logam Ferus

• Keluli (Steels)– logam ferus (besi) yang mengandungi karbon

antara 0.12% - 1.8% dan beberapa unsur lain bagi meningkatkan mutunya.

– Keluli karbon rendah (0.12% - 0.15%)– keluli karbon sedikit (mild steels) (0.15 -

0.25%)– keluli karbon sederhana (0.20% - 0.50%)– keluli karbon tinggi (0.50% - 1.50%)– Perbezaan karbon ~ logam-logam ini berbeza

ciri-cirinya– unsur lain: silikon, fosforus, mangganam

membantu meningkatkan kekuatan muktamad, menjadi lebih keras. 15

Logam Ferus

• Proses Pengeluaran– Antaranya: Relau lantai Perapian, Proses Bessemer,

Proses Asas Oksigen, Proses Relau Elektrik.– Pilihan proses bergantung pada jumlah keluli dan

keperluan pengkhususan keluli yang akan dihasilkan.

– Proses ini : proses pengeluaran kandungan karbon daripada besi jongkong (biasanya sebanyak mungkin) dan kemudian memasukkan unsur-unsur aloi.

– Pembentukan keluli ke dalam bentuk pengeluaran tertentu seperti rod, kepingan, paip, dawai dan sebagainya.

16

Logam Ferus

Keluli struktur~0.2%C, Maks. 0.27%

Kod ASTM Jenis Keluli Kegunaan

A36 Keluli karbon terbentuk spt plat danbatang

Binaan melibatkan kimpalan, rivetdan bolt. Seperti jambatan, menara,bangunan dan sturktur kegunaanumum.

A53 Paip terkimpal, hitam atau

galvanised

Binaan melibatkan kimpalan, rivetdan bolt. Penggunaan utama dalamtiang dan truss.

A242 Kekuatan Tinggi, aloi rendah, platdan batang

Sama seperti di atas tetapi tahankakisan udara 4 kali ganda kelulikarbon biasa.

A440 Kekuatan Tinggi, terbentuk spt platdan batang

Binaan rivet dan bolt sepertijambatan, bangunan, menara danstruktur lain bersifat tahan kakisanudara 2 kali ganda keluli karbonbiasa.

A500 Tiub dibentuk sejuk bulat,empatsegi, empatsegi tepat danbentuk khas

Binaan melibatkan kimpalan, rivetdan bolt seperti jambatan, bangunandan binaan struktur kegunaanumum.

A501 Tiub dibentuk panas bulat,empatsegi, empat segi tepat danbentuk khas.

Sama seperti pada A500

A529 Plat dan batang keluli karbon tebalsehingga ½ inci.

Binaan bangunan melibatkankimpalan, rivet dan bolt terutamabentuk piawai.

A606 Kepingan /lapisan keluli kekuatantinggi, aloi rendah, digilis sejuk danpanas.

Kegunaan struktur dan lain yangkhusus dimana pengurangan beratdan penambahan tahanlasakdiutamakan. 17

Logam Ferus - Keluli Struktur BS

Antara Piawai British untuk keluliBS4360:1979 Keluli Struktur boleh Kimpal(Weldable)BS4848:1975 Bahagian Keluli Struktur Gilis Panas (Hot-rolled)BS2994:1976 Bahagian Keluli Struktur Gilis Sejuk (Cold rolled)BS6363:1983 Bhg. Keluli Struktur berlubang terkimpal tempa

sejuk (Welded Cold formed-hollow sections)BS1449:1983 Keluli Plat, kepingan dan lapisan (steel plate, sheet

and strips)BS5950:1985 Penggunaan Struktur keluli dalam bangunan

Piawaian British menyatakan gred keluli ini ~40, 43, 50 dan 55dengan Gred40 ~kekuatan tegangannya : 400 - 480 N/mm2,

Gred 43 ~430 - 510 N/mm2

Gred 50 dan 55 ~490 - 700 N/mm2

18

Logam Ferus - Keluli Tetulang

Jadual ASTM - Saiz dan dimensi keluli tetulangNo. Jenis Berat Nominal

kg/mGarispusat (mm) Luas Keratan Rentas Perimeter(mm)

34567891011

14*18*

0.5600.9941.5522.2353.0423.9735.0596.4037.906

11.38420.238

9.5212.7015.8819.0522.2225.4028.6532.2635.8143.0057.33

0.711.292.002.843.875.106.458.1910.0614.5225.81

29.939.949.959.869.879.890.0 101.4112.5135.1180.1

*: Terdapat dalam bentuk keluli billet

19

Logam Ferus - Keluli

Tetulang

Jadual Gred Keluli tetulangJenis Keluli &ASTM Spec.

Gred No. Saiz Had Alah Minimum(MPa)

Kekuatan TeganganMinimum (MPa)

PemanjanganMinimum dlm203mm (%)

Keluli BilletA615

Keluli RelA616

Keluli PaksiA617

40

60

50

60

40

60

34, 5

6789

1011

14, 183, 4, 5

67, 8

9, 10,1114,18

34, 5, 6

78

9, 10, 113

4, 5, 678

9, 10, 113

4, 56789

1011

3, 4, 5678

9,10,11

276

415

345

415

275

415

483

621

550

620

480

620

1112121110987-9987767655665

4.54.5111212111098788787

20

Keluli

21

Logam Ferus - Aloi Keluli

• Dua Kategori Kumpulan– yang bercantum dengan karbon - membentuk sebatian

karbida - Nikel, Silikon dan kuprum.

– yang tidak bercantum dengan karbon -Mangganam, Kromium, Tungsten, Molybdenum, dan Vanadium.

• Aloi Keluli Kromium• Aloi Keluli Nikel-Kromium• Aloi Keluli Moybdenum• Aloi Keluli Silikon• Aloi Keluli Tungsten• Aloi Keluli Kuprum

22

Logam Bukan Ferus

• Aluminium– logam lain daripada besi yang banyak digunakan

dalam industri pembinaan.– logam ini digunakan dalam bentuk aloi dengan

kuprum, magnesium, zink, silikon, dan mangganam.

– kebaikannya ialah lebih ringan dan lebih menarik tetapi masalahnya mudah diserang asid, alkali dan larutan garam serta mudah terbentuk lapisan nipis aluminium oksida di permukaan.

23

Logam Bukan Ferus

• Aluminium– aluminium tempa (wrought): 99.0% tulen,

lembut dan mulur.– aluminium tuang:

• berciri mekanikal tertentu dengan penambahan bahan aloi.

• berciri tertentu dipertingkat dengan proses rawatan haba.

– Aloi

24

Logam Bukan Ferus

• Pengenalan Aluminium Tempa dengan siri 4 digit– contoh Aluminium 1035: 1=aluminium tulen 99.0%,

35=peratus sebenar aluminium ialah 99.35%. Digit “0” bermakna tiada kawalan khas ke atas benda asing. Jika digit ini 1 - 9 memberi erti bilangan benda asing yang ada dalam aloi yang peratusnya dikawal.

Logam/bahan aloi Nombor siriAluminium tulen 99.00% 1xxx+ Kuprum 2xxx+ manganis 3xxx+ silikon 4xxx+ magnesium 5xxx+ Mg & Si 6xxx+ Zink 7xxx+ lain-lain logam 8xxx

25

Logam Bukan Ferus

• Contoh: Aluminium 7075

– Aloi aluminium dengan logam zink benda asing utama.

– Digit kedua sifar = tiada kawalan pada peratus benda asing.

– 75 bermakna logam aloi lain yang didaftarkan ialah zink dan magnesium.

• Aluminium Tuang– Penamaan siri XXX.X dengan digit pertama merupakan

kandungan logam aloi. Digit kedua dan ketiga ialah peratus aluminium dan digit terakhir bermakna aluminium tuang.

– 1xx.x = tulen 99% atau lebih, 2xx.x=aloi kuprum, 3xx.x=aloi silikon dengan kuprum atau mangganam, 4xx.x=aloi silikon, 5xx.x=aloi magnesium, 6xx.x= tidak digunakan. 7xx.x=zink, 8xx.x=timah, 9xx.x=lain2 logam.

26

Aloi Aluminium

27

Logam Bukan Ferus

• Kuprum-terbahagi kepada 4 kategori

• kuprum- termasuk kuprum ETP (electrolytic tough pitch), kuprum disfosforan, kuprum bebas oksigen, kuprum perak, kuprum potongan bebas (free cutting) dan kuprum rawatan haba. Kandungan kuprumnya 99%

• loyang (brass) - zink merupakan bahan aloi utama: aloi Cu & Zn; Cu, Zn & Pb; Cu, Zn & logam lain (selain Pb)

• gangsa (bronze) - timah sebagai bahan aloi utama., terdapat juga Cu & Si (gangsa Silikon) dan Cu & Al (gangsa Aluminium).

• Aloi nikel (Cu & Ni) - Cupronickel (10 - 30% Ni) dan Aloi German Silver - Cu, Ni & Zn.

28

Aloi Kuprum

29

Logam Bukan Ferus

• Zink & aloi Zink– ciri kekuatannya sederhana dan kemuluran yang

tinggi.– Terdedah dalam udara akan diselaputi lapisan zink

karbonat berwarna kelabu (dalam tempoh 3 -6 bulan). Menjadi lebih tahan lasak.

– Mudah diserang asid sulfurik.– Aloi Zink dicampur dgn kuprum dan magnesium

dipasarkan dalam bentuk kepingan atau lapisan, tiub dan rod.

30

Logam Bukan Ferus

• Plumbum– kekuatan rendah tetapi aloi dengan antimoni dan timah

meningkatkan kekuatannya.

– (a) aloi kosong (b) aloi pematri (c ) aloi antimoni (d) logam babit.

– Aloi kosong banyak digunakan dalam industri kimia, pelapis kabel dan dalam bateri.

– Aloi pematri - kerja penyambungan antara dua logam sebagai “filler”.

– Aloi antimoni - pelapisan kabel, grid bateri, paip, “rolled sheet”.

– Logam babit - pengalas (bearing)

– logam ini toksik 31

Aloi Plumbum

32

Logam Bukan Ferus

• Nikel, Timah, Kobalt & Kromium– Nikel dan aloi nya bersifat sangat tahan terhadap kakisan.

Nikel 99.4% bersama koblat - tahan kakisan, pengoksidanan dan tahan panas.

– Aloi Nikel tahan kakisan:• Aloi Monel (campuran Nikel & Kuprum, sedikit silikon)

• Aloi haste (aloi nikel dgn kromium, molybdenum dan besi)

• Aloi Inconel (aloi nikel dgn kromium dan besi)

– Timah - lembut digunakan sebagai bahan pematri dan bahan aloi untuk logam lain.

– Kobalt dan kromium tidak banyak digunakan sebagai logam bersendirian kecuali sebagai bahan aloi logam lain kerana kos nya yang tinggi dan sifat tahan hakisan.

33

Aloi Nikel

34

Sekian