METALURGI FISIK
Metalurgi
Ir. Suheni,MT
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
METALURGITujuan Instruksional Umum:
Mengetahui karakteristik logam, unsur kimia, pengaruh temperatur
dan kerja mekanik dari logam.
Pokok Bahasan:
Pengetahuan sifat logam ( fisik dan mekanik ) dan cara mengubah
sifat yang meliputi struktur atom, deformasi, kekuatan teoritik,
diagram TTT dan CCT, perlakuan panas, sifat mampu keras, mekanisme
penguatan, pengaruh unsur paduan dan kerusakan logam.
Kompetensi Yang Dibina:
A1: Pengetahuan dan Pemahaman terhadap masalah Actual.
Ba2: Kemampuan mengidentifikasikan masalah serta memformulasikan
dan memecahkan masalah metalurgi yang berkaitan dengan bidang
Teknik Mesin.
Bagian bagian yang mendapat Penekanan:
Diagram TTT dan CCT, perlakuan panas dan sifat mampu keras
Daftar Pustaka:
1. Callister Material Science and Engineering John Willey,
1985.
2. Clark Physical Metallugy for Engineering Van Nostrand,
1962.
3. Dieter Mechanical Metallurgy Mc Graw Hill 1986
4. R.E.Smallman Metalurgi Fisik Modern & Material Rekayasa
Erlangga, Jakarta, 2000.5. L.H. Van Vlack Elemen-elemen Ilmu &
Rekayasa Material Erlangga, Jakarta,2001I. Sifat FisikI. Sifat
Fisik Bahan
Cara material berinteraksi dan merespon terhadap berbagai bentuk
energi merupakan perhatian utama ilmuwan ditinjau dari segi
rekayasa yang merupakan dasar untuk desain dan inovasi. Energi yang
bekerja pada material dapat berasal dari medan gaya ( gravitasi,
listrik, magnetik ), radiasi elektromagnetik ( panas, cahaya, sinar
X ), partikel energi tinggi dan sebagainya. Respon material umumnya
disebut sebagai sifat fisika, dikendalikan oleh susunan atom / ion
/ molekul dalam material. Sifat fisik yang penting dari material
antara lain:
1. Kerapatan
Didefinisikan sebagai massa per satuan volume material,
bertambah secara teratur dengan meningkatnya nomor atomik pada
setiap sub kelompok. Kebalikan kerapatan adalah volume spesifik (,
sedangkan hasil kali ( dengan massa atomik W disebut volume atomik
(.
2. Sifat Thermal
Perubahan volume logam dengan berubahnya temperatur berperanan
penting dalam proses proses metalurgi seperti pengecoran, penuangan
dan perlakuan panas. Fenomena perubahan volume ini banya
menyebabkan terjadinya cacat baik ukuran makro maupun mikro pada
kristal logam. Kapasitas kalor ( Heat capacity ) disini perlu
dibedakan antara suhu dan kandungan kalor. Suhu ( temperatur )
adalah tingkat aktivitas thermal sedangkan kandungan kalor adalah
adalah energi thermal dan keduanya berkaitan erat dengan kapasitas
kalor yang sama dengan perubahan kandungan kalor per oC. Panas
spesifik atau panas jenis adalah perbandingan kapasitas kalor
dengan kapasitas kalor air ( 1 kal/goC ). Muai panas ( Thermal
expansion ) permuaian yang umumnya dialami oleh bahan yang
dipanaskan ditimbulkan oleh peningkatan getaran thermal atom-atom (
(L / L yang sebanding dengan kenaikan suhu (T ) sedangkan daya
hantar panas adalah perpidahan panas melalui bahan padat biasanya
terjadi oleh konduksi, koefisien daya hantar panas k adalah
konstanta yang menghubungkan aliran panas Q dengan gradien suhu
(T/(xi yang merupakan sifat termal penting lain untuk operasi
pemrosesan seperti pengecoran maupun perlakuan panas karena panas
spesifik menentukan jumlah panas yang diperlukan proses
tersebut.
3. Sifat Listrik
Koduktivitas Listrik.
Merupakan salah satu sifat logam yang paling penting dimana
konduktivitas listrik ( k ) dan kebalikanya disebut resistivitas (
( ) didefinisikan dengan persamaan R = (l / A. Logam memiliki
konduktivitas yang tinggi karena elktron-elektron dapat dengan
mudah bermigrasi melalui kisi. Menurut hukum Wiedmann-Franz
menunjuka bahwa perbandingan konduktifitas listrik dan panas hampir
sama untuk semua logam pada temperatur yang sama. Konduktivitas
terjadi akbat gerkan elektron-elektron melalui kisi sedangkan
Resistensi disebabkan oleh penyebaran gelombang elektron oleh
ketidakteraturan kisi yang perubahanya banyak dipengaruhi oleh
temperatur, unsur paduan, deformasi dan radiasi atom yang dapat
menyebabkan periodisitas kisi.
Semikonduktor.
Bahan-bahan yang memiliki jurang energi tidak terlalu
besarsehingga dapat melewati eksitasi panas seperti Si dan Bi murni
dimana pembawa arus bahan ini adalah elektron-elektron lapisan
konduksi yang jumlahnya sama dengan lubang-lubang lapisan
valensi.
Super konduktivitas.
Bahan-bahan yang resisitensinya tiba-tiba turn sama dengan nol
pada temperatur kritis tertentu dibawah nol K misal: Pb, Sn, Hg
4. Sifat Magnetik
Jika logam ditempatkan didaerah magnetik berkekuatan H daerah
logam yang terinduksi adalah B = H + 4(I.
Dimana I adalah intensitas magnetisasi, besarnya I adalah sifat
dari logam tersebut dan berhubungan dengan susptibilitas persatuan
volume yang didefinisikan dengan persamaan k = I / H.
Jika harga k negatif ( tolak menolak ) dengan daerah magnetik
dinamakan material diamagnetik, namun sebagian besar logam
mempunyai harga k positif ( tarik menarik ), disebut paramagnetik
jika harga k kecil dan ferromagnetik jika harga k besarII. Sifat
MekanikII. Sifat Mekanik Bahan
Sifat Mekanik ( Mechanical Properties ) adalah sifat yang
berhubungan dengan pembebanan meliputi:
Kekuatan ( Strength): kemampuan bahan untuk menerima tegangan
tanpa menyebabkan bahan menjadi patah.
Kekerasan ( Hardness): kemampuan bahan untuk tahan terhadap
goresan, pengikisan ( abrasi ), indentasi / penetrasi.
Kekenyalan ( elasticity ): kemampuan bahan untuk menerima beban
tanpa terjadi perubahan bentuk yang permanen setelah beban
dihilangkan.
Kekakuan ( stifness ): kemampuan bahan untuk menerima tegangan/
beban tanpa terjadi perubahan bentuk / defleksi.
Ketangguhan ( toughness ): kemampuan bahan untuk menyerap
sejumlah energi tanpa menyebabkan terjadinya kerusakan.
Kelelahan ( fatique ): kecenderungan dari logam untuk patah bila
menerima tegangan berulang-ulang ( cyclic stress ) yang besarnya
masih jauh dibawah batas kekuatan elastiknya.
Merangkak ( creep ): kecenderungan suatu logam untuk mengalami
deformasi plastik yang besarnya merupakan fungsi waktu, pada saat
bahan tadi menerima beban yang besarnya relatif sama.
Keuntungan mengetahui sifat-sifat dari bahan antara lain:
1. Dapat memanfaatkan atau memilih bahan sesuai dengan sifatnya,
sehingga pemakaian bahan sesuai dengan peruntukanya dan
ekonomis.
2. Kemingkinan dapat memodifikasi sehingga dapat dibuat sifat
baru yang disesuaikan dengan kebutuhan.
Pengjian Sifat Mekanik.
Pengjian sifat mekanik pada material yang sering dilakukan
antara lain:
1. Uji Tarik ( Tension Test )
2. Uji Kekerasan ( Hardness Test )
3. Uji Beban Kejut ( Impact Test )
4. Uji Fatik / Kelelahan ( fatique Test ).
5. Merangkak ( Creep ).
1. PENGUJIAN TARIK
Tujuan:
Mengetahui sifat-sifat mekanik suatu bahan terhadap pembebanan
tarik. Hasil uji: kekuatan luluh, tarik, putus, nilai modulus
young.
Prisip Dasar:
Sampel uji dengan ukuran dan bentuk tertentu ditarik dengan
beban kontinyu sambil diukur pertambahan panjangnya, penarikan
sampel uji dilakukan sampai patah. Variabel yang berpengaruh (
& A. Standart pengujian : SNI,DIN, JIS & ASTM.
Landasan Teori
Deformasi bahan oleh beban tarik statik adalah dasar dari
pengujian-pengujian dan study mengenai kekuatan bahan yang
disebabkan oleh:
1. Mudah dilakukan.
2. Menghasilkan tegangan yang seragam pada penampang.
3. Pada umumnya bahan mempunyai kelemahan untuk memerima beban (
tegangan yang seragam pada penampang )
Dari hasil pengujian tarik didapatkan grafik P- (l yang
dihasilkan oleh mesin uji tarik. Dari grafik P- (l ini dapat diolah
/ dirubah menjadi grafik (t - (t & grafik (s - (s.
Secara umum diagram tegangan regangan ini dapat dibagi menjadi
dua daerah:
Sifat Mekanis di Daerah Elastis
1. Kekuatan Elastis.
Kekuatan elastis ini ditunjukan oleh titik yield atau besarnya
tegangan yang mengakibatkan yield
a. Titik luluh: titik dimana bahan terus terdeformasi tanpa
adanya penambahan beban ( fenomena bahan ulet ).
b. Kekuatan luluh: nilai tegangan saat bahan memperlihatkan
batas deviasi tertentu dari proporsionalitas tegangan-regangan.
2. Kekakuan ( Stiffness ).
Suatu bahan dikatakan mempunyai kekakuan yang tinggi bila selama
menerima beban ( dalam batas elastisitasnya ) hanya mengalami
deformasi yang relatif kecil.
Kekakuan ini dapat dinyatakan:
Modulus Elastisitas ( E ) atau Young Modulus.Hukum Hooke:
Pada daerah Plastis: Daerah bila tegangan ditidakan terdapat
regangan / ( yang permanen
Modulus Resilien ( UR ).
Banyaknya energi yang diperlukan untuk meregangkan satu satuan
volume bahan hingga mencapai batas elastis. Kalau dilihat pada
kurva: luasan daerah elastis.
Sifat Mekanis di Daerah Plastis
1. Kekuatan tarik ( tensile strength ).
Ditentukan oleh tegangan tarik maksimum ( (u )
(u = UTS = ( kg / mm2 )2. Keuletan ( Ductility ). Kemampuan
bahan untuk meregang plastis sebelum putus.
Keuletan menggambarkan seberapa besar suatu bahan dapat
dideformasi tanpa menjadi rusak misal: pada proses roling.
3. Ketangguhan ( Toughness ).
Sifat material yang mencerminkan kemampuan suatu bahan untuk
menyerap energi sampai sampel uji putus& biasanya dinyatakan
dengan:
4. Tegangan Patah ( (f ).
Adalah tegangan dimana sampel sudah patah atau beban pada saat
putus dengan luas Ai.
2 .Pengujian Kekerasan
1. Tujuan.
Mengetahui ketahanan bahan terhadap beban ( ukuran ketahanan
bahan terhadap deformasi plastis.
2. Prinsip Dasar.
Sampel uji yang permukaanya rata dilakukan peneka nan dengan
menggunakan indentor. Besarnya jejak indenta si menunjukan tingkat
kekerasan bahan.
3. Landasan Teori.
Kekerasan = ukuran ketahanan bahan terhadap defor masi plastis
atau deformasi permanen.Kekerasan suatu bahan merupakan salah satu
sifat mekanik yang penting dari suatu bahan dan definisi dari
kekerasan ini ada beberapa macam tergantung dari cara pengujian
yang dilakukan, beberapa definisi tersebut antara lain:
1. Kekerasan indentasi yaitu ketahanan dari suatu bahan terhadap
indentasi permanen akibat beban dinamis atau statis.
2. Kekerasan pantul yaitu energi yang diserap pada beban kejut (
impact ).3. Kekerasan goresan yaitu kekarasan terhadap goresan.
4. Kekerasan abrasi yaitu kekerasan terhadap abrasi.
5. Mampu mesin yaitu ketahanan terhadap pemotongan ( pengeboran
).
Hasil dari pengujian kekerasan tidak dapat langsung digunakan
dalam suatu desain seperti pada uji tarik, namun demikian uji
kekerasan banyak dilakukan dan hasilnya dapat digunakan antara
lain:
Pada beban yang sama bahan dapat diklasifikasikan berdasarkan
kekerasanya dengan demikian dapat ditentukan penggunaanya.
Sebagai kontrol kwalitas dari suatu produk misal: untuk
mengetahui homoginitas akibat dari proses pengerjaan dingin, case
hardening dll, dengan demikian kontrol dari proses suatu bahan
dapat dilakukan.
Untuk logam dan paduan pengujian kekerasan yang paling sering
digunakan adalah berdasarkan indentasi permanen atau deformasi
plastis akibat beban statis, yang termasuk dalam metoda indentasi
ini antara lain:
- Brinell
- Vickers
- Rockwell
- Knoop
- dll.3. Pengujian Impak1. Tujuan
Mengetahui ( tendensi rapuh ).
a. Sifat mekanis bahan terhadap beban kejut.
b. Temperatur transisi perpatahan.
c. Pengaruh temperatur terhadap keuletan bahan.
2. Prisip Dasar
Uji impact menggunakan sample uji batang bertakik. Energi yang
digunakan berasal dari bandul yang diayunkan bebas dari ketinggian
tertentu, kemudian akan menumbuk sample uji hingga mengalami
perpatahan.
3. Landasan Teori
Suatu material bila diberi pembebanan kejut, maka akan mengalami
proses penyerapan energi, sehingga akan terjadi deformasi plastis
maksimum( bahan patah. Keuletan bahan dapat diketahui dengan jalan
pengujian tarik, akan tetapi data tersebut tidak dapat digunakan
untuk mengetahui secara langsung sifat getas alamiah yang ada pada
material tersebut oleh karena itu dilakukan pengujian impak.
Pengujian impak perlu dilakukan untuk mengetahui ketangguhan bahan
yaitu sifat mekanis dari bahan terhadap beban kejut dan temperaur
transisi dari bahan.
Dasar dari pengujian impak adalah penyerapan energi potensial
dari pendulum beban yang berayun yang menumbuk benda uji sehingga
benda uji mengalami deformasi plastis. Faktor banyaknya energi yang
mampu diserap oleh bahan uji dapat digunakan sebagai indikasi awal
sifat getas ulet dari suatu bahan sebelum terjadinya perpatahan,
dimana bahan yang ulet menunjukkan harga impak yang besar. Gambar.
berikut menunjukkan metoda pengujian impak. Suatu bahan yang
diperkirakan ulet tenyata dapat mengalami patah grtas, patah getas
ini dapat disebebkan oleh beberapa hal antara lain:
Adanya takikan ( notch ).
Kecepatan pembebanan yang tinggi yang menyebabkan kecepatan
regangan yang tinggi pula.
Temperatur yang sangat rendah.
Dengan demikian suatu bahan yang akan beroperasi pada temperatur
sangat rendah, misal pada suatu instalasi cryogenic perlu dilakukan
uji tumbuk, khususnya untuk mengetahui temperatur transisi antara
ulet dan getas. Ada empat pengujian impak yaitu:
1. Izot
3. Fremont.
2. Charpy
4. Amsler.
Dari keempat pengujian diatas hanya Izod dan Charpy yang banyak
digunakan dalam pengujian impak, perbedaan pada pengujian ini hanya
pada pembebananya. Pada metode Izod, pembebanan dilakukan secara
vertikal dan takik ditempatkan berhadapan dengan arah pembebanan,
Sedangkan pada metode Charpy pembebanan dilakukan secara horizontal
dan pembebananya dilakukan dari arah belakang takikan seperti pada
gambar dibawah4. Pengujian Fatik ( Fatique )
1. Tujuan
Mengetahui pengaruh beban dinamis terhadap kemam puan fatik dari
suatu bahan.
2. Prinsip Dasar
Pengujian dilakukan dengan memberi pembebanan dinamis pada
sampel uji.
Macam pembebanan:
Beban dengan amplitudo konstan.
Beban dengan amplitudo bervariasi.
Bentuk pembebanan: tarik / tekan, puntir, geser atau bending.
Pelaksanaan uji sampai patah( fatik limit atau karakteristik
pembebanan retak.
3. Landasan Teori
Ada anggapan bahwa tegangan yang aman untuk suatu bahan adalah
pada batas elastisitasnya. Benar untuk beban statis, karena jika
beban berubah terhadap waktu maka akan terjadi suatu kerusakan
fatik ( fatique failure ). Ingat banyak komponen mengalami
pembebanan yang berubah ubah terhadap waktu ( beban dinamis ) dan
dari pengala man komponen yang mengalami beban dinamis dapat patah
pada suatu tingkat tegangan yang jauh dibawah kekuatan luluhnya.
Dari survey ditemukan bahwa 90% kerusakan komponen mesin disebabkan
oleh fatik.
Tiga faktor penyebab kerusakan fatik:
a. Tegangan tarik maksimum.
b. Besarnya fluktuasi beban.
c. Besarnya jumlah cycle pembebanan.
Faktor lain penyebab kerusakan fatik:
1. Kosentrasi Tegangan.
Bila suatu komponen terdapat distribusi tegangan yang tidak
merata maka disitu akan terjadi kosentrasi tegangan, maka fatik
limit / strength cenderung akan meurun, hal ini disebabkan karena
sebagian penampang akan menerima tegangan yang lebih besar dari
harga rata- rata yang seharusnya terjadi.
2. Ukuran / Dimensi.
Ukuran benda kerja yang besar cenderung menurunkan fatique limit
( strength ).
3. Kondisi Permukaan.
a. Kekasaran Permukaan.
Benda kerja yang kasar akan mudah mengalami kelelahan, karena
permukaan yang kasar digambarkan sebagai permukaan yang penuh
goresan dan setiap goresan dapat merupakan kosentrasi tegangan dan
potensial sekali untuk menjadi awal dari keretakan yang akan
merambat karena beban berulang.
b. Kekuatan Permukaan.
Benda kerja yang menerima beban paling tinggi adalah bagian
permukaan, oleh karena itu retak sering kali diawali ( merambat )
dari permukaan. Jadi benda kerja yang mempunyai kekuatan permukaan
lebih tinggi akan memiliki fatique limit / strength yang lebih
tinggi( diberi laku permukaan.
c. Residual Compressive Stress.
Dengan membiarkan tegangan sisa dipermukaan, akan menyebabkan
fatique limit / strength berkurang.
d. Korosi.
Media korosif pada bagian yang menerima cyclic stress akan
menurunkan ketahanan terhadap kelelahan dengan adanya korosi dapat
mempercepat terjadinya kelelahan ( corrosion fatique.
III Struktur Kristal dan Deformasi
a. Struktur Atom.
Semua zat terdiri dari atom dan atom terdiri dari inti ( terdiri
dari sejumlah proton dan neotron ) yang dikelilingi oleh sejumlah
elektron. Elektron menempati sel tertentu dan satu atom mempunyai
satu sel atau lebih, setiap sel ditempati oleh elektron sebanyak
2n2, dimana n adalah nomor sel.
Jumlah elektron terluar banyak menentukan sifat dari unsur
tersebut, atom yang memiliki jumlah elektron yang sama pada sel
terluar yaitu unsur pada group yang sama akan memiliki sifat yang
hampir sama.
b. Ikatan Atom
Ada tiga jenis ikatan atom yang utama yaitu:
Ikatan ionik
Ikatan kovalen atau homopolar.
Ikatan logam.
1. Ikatan Ionik.
Bila suatu atom hanya memiliki satu elektron pada sel terluar,
maka ia cenderung untuk melepas elektron tersebut dan sel yang
lebih dalam yang biasanya sudah terisi penuh akan menjadi sel
terluar dan ini menyebabkan menjadi lebih stabil, tetapi hal ini
menyebabkan atom kelebihan proton ( yang bermuatan positip )
sehingga atom akan bermuatan positip( berubah menjadi ion
positip.
Sebaliknya bila otom lain yang memiliki tujuh elek tron pada sel
terluarnya, ia cenderung menerima satu elek tron lagi dan bila ini
terjadi atom itu akan bermuatan negatif ( karena kelebihan elektron
)( ion negatif. Bila kedua elektron ini berdekatan akan terjadi
tarik menarik karena kedua ion itu memiliki muatan listrik yang
berlawanan kedua atom itu akan terikat satu sama lain dengan gaya
tarik menarik ( ionik bonding.
2. Ikatan Kovalen.
Beberapa atom dapat memperoleh konfigurasi elektron yang stabil
dengan saling meminjamkan elektronya. Dengan saling meminjamkan
elektron ini atom akan memperoleh susunan elektron yang stabil
tanpa menyebabkan menjadi bermuatan. Ikatan akan terjadi melalui
elektron yang saling dipinjamkan itu, elektron ini masih mempu nyai
ikatan dengan atom asalnya tetapi juga sudah terikat dengan atom
yang meminjamnya.
3. Ikatan Logam
Disini juga terjadi saling meminjamkan elektron, hanya saja
jumlah atom yang sama-sama saling meminjamkan elektron valensinya
ini hanya antara dua atau beberapa atom tetapi dalam jumlah yang
tak terbatas. Setiap atom menyerahkan elektron valensinya untuk
digunakan bersama. Dengan demikian akan ada ikatan tarik menarik
antara atom-atom yang saling berdekatan dan jarak antar atom ini
akan tetap. Bila menjauh ditarik dan bila mendekat ditolak ( ikatan
logam.
C. Struktur Kristal
Ada tujuh macam sistem kristal yaitu: cubic, tetragonal,
arthorhombic, monoclinic, triclinic, hexagonal dan rombohedral.
Dari ketujuh sistim kristal tersebut ternyata ada 14 jenis bentuk
space latice yang mungkin terjadi. Kebanyakan logam-logam yang
penting membeku dengan membentuk kristal dengan sistem kristal
kubus atau sistem kristal hexagonal.
Dari ke empat belas space latice tersebut ternyata hanya ada
tiga macam saja yang sering dijumpai pada logam-logam yang biasa
digunakan yaitu:
Face Centered Cubic ( FCC ) atau Kubus Pemusatan Sisi ( KPS
).
Body Centered Cubic ( BCC ) atau Kubus Pemusatan Ruang ( KPR
).
Hexagonal Close Packet ( HCP ) atau Hexagonal Tumpukan Padat /
HTP Disamping itu ternyata ada beberapa unsur yang dapat dijumpai
dengan jenis space latice yang berbeda, sifat yang demikian ini
dinamakan polimorfi. Diantara logam-logam yang memiliki sifat
polimorfi ini ada yang sifat polimorfinya bersifat reversble, pada
suatu kondisi jenis space laticenya tertentu dan bila kondisi
berubah, space laticenya juga berubah, bila kondisinya kembali
seperti semula maka kondisinya akan kembali seperti semula, sifat
ini disebut ALLOTROPI .
d. Kistalisasi.
Kristalisasi yaitu proses pembentukan kristal yang terjadi pada
saat pembekuan, perubahan dari fasa cair ke fasa padat dan dilihat
dari mekanismenya kristalisasi terjadi melalui dua tahap:
a. Pengintian ( nucleation ).
b. Pertumbuhan kristal ( crystal growth ).
e. Cacat Pada Kristal ( Imperfection ).
Kristal yang sempurna adalah kristal yang susunan atomnya
seluruhnya teratur mengikuti suatu pola tertentu. Cacat yang
dimaksud disini adalah ketidak sempurnaan susunan atom dalam
kristal ( latice ). Cacat ini dapat terjadi pada saat pembekuan
ataupun sebab-sebab mekanik. Cacat ini dapat berupa:
1. Cacat titik ( point ).
2. Cacat garis ( line defect ).
3. Cacat bidang ( interfacial defect ).
4. Cacat bidang ( bulk defect ).IV. Susunan Paduan
Definisi
Paduan ( alloy ) adalah campuran bahan yang memiliki sifat-sifat
logam yang terdiri dari dua atau lebih komponen ( unsur ) dan
sedikitnya satu komponen utamanya adalah logam.
Sisitem Paduan adalah suatu sistem yang terdiri dari semua
paduan yang dapat terbentuk dari beberapa unsur dengan semua macam
komposisi yang mungkin dibuat.
Fase ( Phase ) adalah bagian dari material yang homogen,
komposisi kimia dan strukturnya, dapat dibedakan secara fisik,
dapat dipisahkan secara mekanik dari bagian lain material itu.
Pada paduan dalam keadaan padat tiga kemungkinan macam fase
yaitu:
1. Logam murni.
2. Compound ( senyawa ).
3. Larut padat ( solid solution ).
1. Logam Murni.
Pada kodisi equilibrium logam murni akan mengalami perubahan
fase pada suatu temperatur tertentu, perubahan dari fase padat ke
cair akan terjadi pada temperatur tertentu dinamakan titik cair,
perubahan ini berlangsung pada temperatur yang tetap hingga seluruh
perubahan selesai.2. Coimpound ( Senyawa ).
Copound / senyawa adalah gabungan dari beberapa unsur dengan
perbandingan tertentu yang tetap, compound memiliki sifat dan
struktur yang sama sekali berbeda dari unsur-unsur
pembentuknya.
Ada tiga macam compound yang sering dijumpai:
1. Intermetallic Compound, biasanya terbentuk dari logam-logam
yang sifat kimianya berbeda dan kombinasinya mengikuti aturan
valensi kimia, sifatnya seperti non metal, keuletan dan
konduktifitas listrik rendah dan struktur kristalnya komplek.
Contoh: CaSe, Mg2Pb, Mg2Sn, Cu2Se.
2. Interstitial Compound, biasanya terbentuk dari logam-logam
transisi seperti: Sc, Ti, Ta, W, Fe dengan H, O, C, B dan N kelima
atom ini diameter atomya sangat kecil sehingga dapat masuk ke dalam
lattice kristal logam diatas secara interstitial. Contoh: Fe3C,
TiC, TaC, W2C, Fe4N, CrN, TiH.
3. Electron Compound, senyawa ini dapat terbentuk diantara
logam-logam: Cu, Au, Ag, Fe dan Ni dengan logam-logam: Cd, Mg, Sn,
Zn dan Al.
3. Larutan Padat ( Solid Solution ).
Solid solution adalah larutan dalam keadaan padat terdiri dari
dua atau lebih jenis atom yang berkombinasi dalam satu jenis space
lattice. Biasanya kelarutan dalm keadaan padat jauh lebih rendah
dari pada kelarutan pada keadaan cair. Ada dua jenis larutan padat
yaitu : larutan padat substusional dan larutan padat
interstisial.
3.1.Larutan padat substitusional.
Pada larutan jenis ini atom solute menggantikan tempat (
substitusi ) atom solvent dalam struktur lattice solvent. Pada
sisitim paduan ini ada beberapa faktor yang mempengaruhi kelarutan
antara lain:
1. Crystal struktur faktor.
2. Relative size faktor.
3. Chemical affinity factor.
4. Relative-valence factor.
3.2.Larutan Padat Interstisial.
Larutan ini dapat terbentuk bila atom dengan diameter yang
sangat kecil dapat menyisip ( masuk ) pada rongga antar atom dalam
struktur lattice dari solvent dengan diameter atom yang besar. Atom
yang ukuranya sangat kecil antara lain: hidrogen ( 0,46 A ), boron
( 0,97 ), carbon ( 0,71 ) dan oksigen ( 0,60 ).
Larutan padat interstitial biasanya mempunyai kelarut padatan
sangat terbatas dan biasanya juga tidak penting, kecuali larutan
padat karbon dalam besi yang sangat banyak mempengaruhi struktur
dan sifat baja.
Berbeda dengan intermetalic dan interstitial compound, larutan
padat mudah dipisahkan ( diuraikan ) dengan mencair pada daerah
temperatur tertentu, sifatnya dipengaruhi oleh sifat solvent dan
solute, komposisinya dapat bervariasi sangat luas sehingga tidak
dapat dinyatakan dengan suatu rumus kimia. Dan perlu diingat bahwa
dalam suatu paduan seringkali strukturnya merupakan kombinasi dari
beberapa fase.
V.DIAGRAM FASE
Fungsi diagram fase:
1. Mengetahui fase-fase pada tiap temperaturnya.
2. Meramalkan strukturmikro yang akan diperoleh melalui proses
solidifikasi.
3. Mengaitkan / meramalkan sifat mekanik dari struktur mikro
yang kita peroleh.
4. Meramalkan proses penguatan yang mana yang dapat diterapkan
pada paduan itu.
Variasi Diagram Fase Briner ( Diagram fasa Fe-Fe3C ) Dari
diagram fasa Fe Fe3C terlihat bahwa secara garis besar sistim
paduan besi karbida besi dapat dibedakan menjadi dua yaitu baja dan
besi tuang ( cast iron ).
Nama-nama yang terdapat pada diagram fasa besi karbida besi
dapat dijelaskan sbb:
1. Cementite adalah karbida besi Fe3C merupakan senyawa
interstitial mengandung 6,67% C. Sangat keras ( sekitar 650 BHN )
getas dan kekuatanya rendah ( sekitar 350 kg/cm2 ).
2. Austenite adalah larutan padat karbon dalam besi (. Kekuatan
tariknya sekitar 1050 kg/cm2, kekerasan 40 Rc, ketangguhan tinggi
dan biasanya tidak stabil pada temperatur kamar.
3. Ledeburite adalah suatu eutectic mixture dari austenite dan
cementite, mengandung 4,3% C dan terbentuk pada temperatur
1130oC.
4. Ferrite adalah larutan padat karbon dalam besi (. Kelarutan
karbon maksimum 0,025% ( pada 723oC ) dan hanya 0,008% pada
temperatur kamar. Kekuatanya rendah tetapi keuletanya tinggi,
kekerasannya kurang dari 90 Rb.
5. Pearlite adalah suatu eutectoid mixture dari sementite dan
ferrite. Mengandung 0,8% C dan terbentuk pada 723oC.
6. Lower Critical Temperature A1 temperatur eutectoid. Pada
diagram fasa Fe-Fe3C tampak berupa garis mendatar di temperatur
723oC. Pada temperatur ini terjadi reaksi eutectoid:
Austenite Ferrite + Sementite = Pearlite
7. Upper Critical Temperature A3 tempeature awal terjadinya
perubahan allotropik dari ( ke ( ( pada pendinginan ) atau akhir
perubahan allotropik dari ( ke ( ( pada pemanasan ).
8. Garis solvus Acm merupakan batas kelarutan karbon dalam
austenite.Catatan: Ferit pro eutektoid adalah ferit yang terbentuk
sebelum terjadi reaksi eutektoid yaitu untuk membedakan dengan
ferit yang terbentuk pada saat reaksi eutektoid dan paradigma
selanjutnya sudah tidak terjadi perubahan fasa.
VI. Sruktur Metalografi dan Kaitanya Dengan Sifat Jika permukaan
dari spesimen suatu baja di persiapkan dengan cermat dan struktur
mikronya diamati dengan mikroskup maka akan tampak baja tersebut
memiliki struktur mikro yang berbeda-beda. Jenis struktur mikro
yang ada sangat dipengaruhi oleh komposisi kimia dari baja dan
jenis perlakuan panas yang diterapkan pada baja tersebut. Stuktur
mikro yang ada pada baja adalah: ferit, perlit, bainit, martensit,
sementit dan karbida lainya.
1.Ferit.
Larutan padat karbon dan unsur paduan lainya pada besi kubus
pusat badan ( Fe ). Ferit terbentuk pada proses pendinginan yang
lambat dari austenit baja hypoeutektoid pada saat mencapai A3.
Ferit bersifat sangat lunak, ulet dan kekerasannya sekitar 70-100
BHN memiliki konduktifitas yang baik. Jika austenit didinginkan
dibawah A3 akan bertrasnformasi ke ferit ( kelarutan C maksimum
sekitar 0,025% pada temperatur 723oC ).
2.Sementit
Senyawa besi dengan karbon yang umumnya dikenal sebagai karbida
besi dengan rumus kimia Fe3C dengan kandungan C 6,67%. Sel satuanya
orthorombik dan kekerasanya 65-68 HRC, pada struktur hasil anil
karbida tersebut bebentuk bulat dan tertanam pada matrik ferit yang
lunak.
3.Perlit
Campuran sementit dan ferit yang memiliki kekerasan sekitar
10-30 HRC. Jika baja eutektoid ( 0,8% C ) diaustenisasi kemudian
didinginkan dengan cepat sampai dibawah A1 dan dibiarkan hingga
terjadi transformasi isothermal maka austenit akan mengurai dan
membentuk perlit melalui proses pengintian dan pertumbuhan, perlit
yang terbentuk berupa campuran ferit dengan sementit.
Pembentukan Pearlite:
1. Transformasi ( ( ( + Fe3C ( pearlite ) diawali pada batas
butir.
2. Laju pendinginan makin cepat struktur pearlite makin halus (
jarak antar lamel Fe3C makin rapat ).
3. Makin halus struktur pearlite maka kekuatan baja
meningkat.
4.Bainit
Merupakan fasa yang meta stabil yang diperoleh dari austenit
pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur transformasi ke
perlit dan lebih tinggi dari temperatur transformasi ke martensit.
Kekerasanya sekitar 45-55 HRC tergantung temperatur
transformasinya.
Temperatur awal terbentuknya Bainit secara empiris:
Bstart ( oC ) = 830 270 ( %C )- 90 (%Mn)-37(%Cr)-83(%Mo)
5.Martensit
Merupakan larutan padat dari karon lewat jenuh yang melewati
fasa austenit sehingga latice sel satuanya terdistorsi, sifatnya
sangat keras dan diperoleh dengan laju pendinginan yang lebih besar
dari pendinginan kritiknya. Sel satuan martensit BCT atom karbon
dianggap menggeser latis kubus menjadi tetragonal, kelaruatan
karbon dalam BCC menjadi lebih besar jika terbentuk martensit dan
hal inilah yang menyebabkan BCT.
Pembentukan Martensit tergantung oleh komposisi karbon sedangkan
sisa austenit dapat dihilangkan dengan:
proses temper ( bertujuan untuk menghilangkan sisa austenit.
Sub zero treatment
Rekomposisi austenit pada temperatur:
80 160oC : pembentukan karbida yang mempunyai karbon tinggi ( (
karbida ) tidak terikat pada komposisi yang perbandinganya
tetap.
230 - 280oC : pembentukan bainit.
160 - 400oC : pembentukan dan pertumbuhan Fe3C dengan hilangnya
( karbida.
400 - 700oC : pertumbuhan lanjut dari Fe3C dan pertumbuhan dari
sementit.
Baja paduan yang mengandung elemen paduan: Cr, V, W yang
mempunyai kecenderungan membentuk karbida maka dilakukan proses
secondary hardening pada temperatur ( 550oC.
6.Karbida.
Unsur-unsur paduan seperti: C, Mn, Cr, W, Mo dan V pada baja
akan menimbulkan terbentuknya karbida-karbida seperti: M3C, M23C6,
M6C, M7C3 dimana menyatakan atom-atom logam sedangkan C menyatakan
kadar karbon. Karbida memiliki kekerasan yang sangat tinggi
sehingga dapat meningkatkan ketahanan aus dari baja perkakas.
Banyaknya karbida yang terbentuk tergantung dari kadar karbon dan
unsur paduan dari jenis baja tsb.
Pada baja hypereutektoid unsur paduan yang memperkaya austenit
seperti: Cr, W, Mo atau V akan menciptakan kondisi yang mempermudah
terbentuknya presipitasi karbida pada saat dikeraskan maupun pada
saat ditemper.
Klasifikasi dan sifat umum karbida dalam suatu perkakas.
Jenis
KarbidaBentuk sel SatuanKeterangan
M3COrthorombikKarbida ini disebut sementit M- nya dapat berupa:
Fe, Mn, Cr dengan sedikit W, Mo, V
M7C3HeksagonalBanyak dijumpai pada baja Cr, tahan terhadap
disosiasi pada temper tinggi, keras dan tahan terhadap abrasi.
Banyak dijumpai saat menemper HSS
M23C6FccTerdapat pada baja Cr tinggi dan semua jenis Hss
M6CFccKarbida yang kaya akan W atau Mo, terdapat pada semua
jenis HSS dan tahan terhadap abrasi.
M2CHeksagonalKarbida yang kaya akan W atau Mo dari jenis W2C dan
muncul setelah ditemper.
MCFccKarbida yang kaya dengan V, tidak mudah mengurai
Karbida Sementit:
Karbida besi dengan simbul M3C terdapat pada semua jenis baja.
Kekerasanya berkisar antara 910 dan 1050 HV tergantung kondisi
pembentukanya.
Karbida Chrom kompleks M23C6 ( Cr, Fe, Mo, W, V )23C6.
Karbida seperti ini akan ada pada baja dengan kadar krom lebih
dari 3-4% dan kadar C kurang dari 0.8 1 %. Kekerasanya bervariasi
antara 1000 dan 1100 HV, ketika diaustenisasi pada temperatur
sekitar 950 1000oC, karbida-karbida tersebut akan memperkaya
austenit dengan V, Mo dan W. Pada HSS yang memiliki temperatur
pengerasan yang tinggi, M23C6 seluruhnya akan larut, sedangkan pada
jenis baja yang lain sebagian karbida tidak larut.
Karbida Chrom kompleks M7C3 ( Cr, Fe, Mo, W, V )7C3.
Karbida seperti ini akan mengandung krom lebih dari 3-4 % dan C
lebih dari 0.8 1 %. Kekerasanya sekitar 1600 1800 HV karbida M7C3
memperkaya austenit dengan Cr, V, Mo dan W pada temperatur
pengerasan sekitar 950 1150oC. Keberadaan karbida ini akan
meningkatkan ketahanan aus dan stabilitas thermal. Karbida W - Mo
kompleks ( Cr, Mo, W, V )6C.
Merupakan karbida utama yang ada pada semua jenis baja HSS dan
hot-worked, kekerasanya bervariasi antara 1200 1300 HV, larut dalam
austenit dalam rentang temperatur 1150 1300oC. Baja yang memiliki
karbida ini akan memiliki ketahanan aus yang tinggi, pada saat
ditemper pada temperatur sekitar 500- 600oC, karbida ini akan
terbentuk hasil transformasi dari fasa karbida lain.
Karbida Vanadium ( MC ):
Karbida ini memiliki kekerasan yang sangat tinggi sekitar 2000
HV sehingga mampu meningkatkan ketahanan aus dari baja yang
bersangkutan. Larut dalam austenit pada temperatur sekitar 1100 -
1150oC dan kandungan maksimum 1.5 2 %.
Elemen Paduan VS Diagram Fe- C
Elemen Penstabil fasa Austenite: ( Merendahkan A1 Open ( field:
Ni, Mn, Co & Ru, Pd, Os, Ir, Pt.
Expanded ( field: C, N, Cu, Zn, Au.
Elemen Penstabil fasa Ferrite: ( Menaikan A1 Closed ( field: Si,
Al, Be, P & Ti, V, Mo, Cr.
Contracted ( field: B & Ta, Nb, Zr.
Elemen Perubah titik Eutectoid:
Semua elemen paduan mengeser titik eutectoid ke kandungan karbon
yang lebih rendah.
Elemen Pembentuk Karbida / Nitrida:
Karbida: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Zr.
Nitrida: Al dan semua elemen pembentuk karbida membentuk
nitrida.
Pengaruh Unsur Paduan Spesifik Terhadap Baja
Sifat mekanik yang diperoleh dari proses perlakuan panas sangat
tergantung pada komposisi kimia material. Baja merupakan kombinasi
Fe dan C disamping unsur yang lain seperti: Mn, P, S dan Si yang
senantiasa ada walaupun sedikit. Penambahan unsur-unsur padauan
seperti: Mn, Ni, Cr, Mo, V, M dst baik secara individu maupun
kombinasi dapat menolong untuk mencapai sifat-sifat yang
diinginkan. Adapun pengaruh unsur paduan spesifik terhadap sifat
baja dapat diuraikan sbb:
1. Karbon.
C adalah unsur pengeras utama pada baja, jika berkombinasi
dengan besi akan membentuk karbida Fe3C atau sementit yang sifatnya
keras, yang akan meningkatkan kekuatan tarik dan kekerasan namun
akan menurunkan kekuatan impak. Jika kadar karbon diatas 0,85%
kekuatanya cenderung turun karena setelah di quench kekerasan
maksimum yang dicapai sebanding dengan peningkatan kadar karbon,
namun diatas 0,6% laju kenaikan kekerasanya menjadi kecil. Untuk
baja konstruksi kadar karbonya antara 0,1 0,6 %, untuk baja
perkakas 0,5 1,4%, untuk baja case hardening 0,05 0,025%.
2. Mangan.
Unsur ini ada pada seluruh baja komersiil yang berfungsi untuk
meningkatkan kekerasan dan kekuatan, menurunkkan laju pendinginan
kritik sehingga mampu keras baja dapat ditingkatkan dan juga
meningkatkan ketahanan terhadap abrasi. Baja dengan kadar karbon
yang tinggi ( > 0,8% ) disebut baja paduan mangan. Baja mangan
banyak digunakan untuk pegas, sambungan rel KA, Crusher, dan
komponen dredger.3. Silikon.
Si dan Mn adalah unsur yang selalu ada pada baja, keberadaan Si
pada baja konstruksi 0,35%. Si menaikan kekerasan dan elastisitas
tetapi menurunkan kekuatan tarik dan keuletanya. Jika dikeraskan
dan ditemper baja silikon akan memiliki kekuatan yang tinggi
disertai keuletan dan ketahanan terhadap impak. Digunakan pada baja
dengan histerisis yang rendah, baja pegas serta sebagai material
tahan asam pada industri Petrokimia.
4. Chrom.
Cr merupakan unsur yang penting setelah C dan dapat membentuk
karbida. Cr ada pada baja-baja konstruksi dan baja perkakas dengan
grade yang tinggi dan Cr merupakan salah satu unsur utama pada HSS.
Pada baja tahan karat dan baja tahan panas, Cr meningkatkan
ketahanan korosi, karena Cr dapat membentuk lapisan oksida Cr
dipermukaan baja. Cr digunakan untuk meningkatkan mampu keras baja,
kekuatan tarik, ketangguhan dan ketahanan abrasi.
5. Nikel.
Ni digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan ketangguhan baja,
jika jumlah Ni relatif banyak maka austenit baja akan stabil sampai
temperatur kamar. Ni tidak membentuk karbida dan tidak berpengaruh
pada kekerasan dan memperbaiki ketahanan korosi. Baja paduan nikel
digunakan sebagai material konstruksi dan teknik dengan kadar
sekitar 2-4%, komponen mesin dan case hardening.
6. Molibden.
Mo sangat besar pengaruhnya terhadap mampu keras dibandingkan
Mn, dengan penambahan Mo pengerasan baja meningkat dan laju
pendinginan kritiknya menurun. Jika berkombinasi dengan unsur lain
akan meningkatkan ketangguhan dan ketahanan mulur dan juga
meningkatkan ketahanan pada temperatur tinggi, menurunkan temper
embrittlement. Temper embrittlement ini sering terjadi pada
baja-baja Ni-Cr pada saat pendinginan dengan laju pendinginan
tinggi dari temperatur temperingnya.
7. Wolfram.
W membentuk karbida komplek, baja paduan W mempunyai kekerasan
yang tinggi, tahan abrasi, kekuatan dan kekerasan pada temperatur
tinggi yang baik, W juga menyebabkan transformasi austenit ke
martensit menjadi lambat dan dapat memperlambat pertumbuhan butir.
Baja paduan W tidak rentan terhadap overheating dan pada baja
austenitik Cr-Ni penambahan W dapat menaikan batas mulurnya. Baja
paduan W banyak digunakan pada HSS, baja perkakas, hotwork, baja
magnet, katup dan baja tahan karat.
8. Vanadium.
Pada baja konstruksi vanadium menaikan kekuatan tarik dan batas
mulur. Vanadium merupakan unsur pembentuk karbida yang kuat dan
sifatnya sangat stabil, dengan penambahan sekitar 0,04% - 0,05%
mampu keras baja karbon medium dapat ditingkatkan, diatas harga tsb
mampu kerasnya menurun karena adanya pembentukan karbida yang tidak
larut.
Vanadium banyak digunakan pada baja perkakas karena dapat
meningkatkan kekerasan pada temperatur tinggi dan bila jumlahnya
cukup ketahanan ausnya juga akan meningkat.
V bersama dengan Cr, Ni dan Mo digunakan pada baja konstruksi
yang menerima tegangan yang tinggi, digunakan pada meterial
Punching dan Blanking dies , coldwork dan forming dies serta pada
HSS.
Perlakuan PanasSecara umum perlakuan panas ada dua macam
yaitu:
1. Laku panas dengan kondisi Equilibrium dengan tujuan untuk
pelunakan (Annealing ).
2. Laku panas dengan kondisi non equilibrium dengan tujuan untuk
Pengerasan (Hardening ).
a. Laku Panas dengan Kondisi Equilibrium
Adalah laku panas yang dilakukan dengan kondisi keseimbangan (
mendekati keseimbangan ) sehingga menghasilkan strukturmikro yang
mendekati pada kondisi diagram fasanya yang secara umum disebut
proses Annealing / Pelunakan yaitu: Mempersiapkan bahan logam
sebagai produk jadi agar layak diproses berikutnya.
Tujuan dari proses annealing dapat meliputi salah satu atau
beberapa dari sejumlah tujuan antara lain:
Melunakkan.
Menghaluskan butir kristal.
Menghilangkan tegangan dalam.
Memperbaiki machinability.
Memperbaiki sifat kelistrikan / kemagnetan.
Annealing terdiri dari beberapa type yang dapat diterapkan untuk
mencapai sifat-saifat tertentu antara lain:
- Full Annealing. - Speroidising.
- Normalising. - Homogenising.
- Stress Relief Annealing dan Process Annealing.
1. Full Annealing Proses full annealing biasanya digunakan
untuk:
Membuat baja menjadi lebih lunak / kekerasan / kekuatan yang
minimum sehingga mudah dilakukan deformasi pada pengerjaan
dingin.
Menghaluskan butir kristal / membulatkan sementit pro eutektoid
atau karbida lainya sehingga memperbaiki keuletan baja.
Memperbaiki sifat mampu mesin / menghilangkan struktur martensit
pada baja paduan yang mungkin terbentuk akibat pendinginan yang
relatif cepat melewati transformasi ( ( ( dan biasanya dilakukan
pada baja yang akan dipasok ke pasaran.
Proses ini dilakukan dengan jalan memanaskan baja sampai diatas
temperatur kritis ( untuk baja hypoeutektoid 25 50oC diatas
temperatur kritis A3 dan untuk baja hypereutektoid 25 50oC diatas
temperatur kritis A1) kemudian diikuti dengan pendinginan yang
cukup lambat dengan jalan didinginkan bersama dapur pemanas atau
dalam bahan yang mempunyai sifat penyekat panas yang baik. Bila
pendinginanya dilakukan dalam dapur pemanas tentunya akan
mengurangi produktifitas dapur, untuk menghindari hal ini dapat
dilakukan isothermal annealing yaitu benda kerja dimasukan dalam
garam cair ( salt bath ), temperatur garam cair sekitar 650oC.
2. Normalising Normalising adalah jenis proses perlakuan panas
yang umum diterapkan pada hampir semua produk cor, over heated,
forging dan produk-produk tempa lebih besar lainya.
Normalising ditujukan untuk menghaluskan butir, memperbaiki
mampu mesin, menghilangkan tegangan sisa juga memperbaiki sifat
mekanik baja karbon struktural dan baja-baja paduan rendah.
Temperatur pemanasan untuk proses normalising lebih tinggi dari
pada temperatur pemanasan untuk full annealing yaitu sekitar 50oC
diatas temperatur kritis A3 untuk baja hypo eutektoid dan untuk
baja hyper eutektoid diatas temperatur Acm pendinginanya dilakukan
di udara.
Secara umum manfaat proses normalising antara lain:
a. Memperbaiki sifat mekanik dibandingkan proses anil.
b. Menghaluskan ukuran butir ferit dan perlit / meningkatkan
keseragaman dan penghalusan ukuran butir serta menghilangkan
ketidak ragaman mikrostruktur.c. Memodifikasi dan menghaluskan
struktur cor denditrik.d. Untuk mengeliminasi struktur yang kasar
yang diperoleh akibat pendinginan yang lambat pada proses
annealing.e. Mengeliminasi tegangan sisa.3. Spheroidising Proses
ini dilakukan dengan cara memanaskan baja sedikit diatas atau
dibawah temperatur kritis A1 dan didiamkan pada temperatur tersebut
dalam jangka waktu tertentu kemudian dikuti dengan pendinginan yang
lambat.
Proses ini ditujukan agar karbida-karbida yang berbentuk lamelar
pada perlit dan sementit sekunder menjadi bulat ( perlit yang
terbungkus oleh jaringan sementit ) sehingga dapat memperbaiki
sifat mampu mesin dan mampu bentuk dari bahan.
4. Homoginising
Homoginising dilakukan dengan jalan memanaskan kembali benda
kerja sampai pada temperatur yang cukup tinggi di daerah austenite
dan membiarkanya cukup lama disitu agar dapat terjadi difusi yang
membuat strukturmikro menjadi lebih homogen, setelah itu
didinginkan dengan lambat.
Tujuan dari proses homoginising adalah untuk menghilangkan efek
segregasi kimia akibat pembekuan lambat ingot / billet & untuk
memperbaiki mampu pengerjaan panas / hot workability.
5. Stress Relief Annealing dan Proses Annealing Stress relief
annealing adalah suatu proses perlakuan panas yang ditujukan untuk
menghilangkan tegangan tegangan yang ada didalam benda kerja,
memperkecil distorsi selama proses perlakuan panas dan pada
kasus-kasus tertentu mencegah timbulnya retak.
Proses ini dilakukan dengan memanaskan benda kerja sampai ke
temperatur sedikit dibawah garis A1 dan menahanya untuk jangka
waktu tertentu kemudian didinginkan didalam tungku sampai pada
temperatur kamar. Proses ini tidak menimbulkan perubahan fasa
kecuali rekristalisasi.
Sedangkan proses annealing dimaksudkan untuk melunakkan dan
menaikan kembali keuletan benda kerja agar dapat dideformasi lebih
lanjut.
6. Recrystallisation annealing
Pemanasan sampai dengan temperatur 600oC dibawah temperatur
kritis. Bertujuan untuk membentuk butir poligon yang bebas
tegangan, ulet dan sifat konduktivitas yang baik. Dilakukan pada
baja setelah deformasi pengerjaan dingin.
7. Quench annealing.
Dilakuakan pada baja jenis austenitik yang di homoginising atau
Recrystallisation annealing diikuti pendinginan cepat untuk
menghindari terbentuknya endapan karbida terutama pada batas
butir.
8. Isothermal annealing.
Pendinginan cepat sampai temperatur tepat dibawah daerah
transformasi, ditahan 1-2 jam & diikuti pendinginan udara.b.
Laku Panas dengan Kondisi Non Equilibrium
PENGERASAN PERMUKAAN
Pengerasan permukaan ( Case Hardening ) adalah suatu proses
perlakuan panas yang diterapkan untuk memperoleh pengerasan hanya
pada permukaanya saja. Dengan demikian pada bagian permukaan
mempunyai kekerasan yang tinggi sedang pada bagian dalam tetap
seperti semula, dengan kekerasan rendah tetapi keuletan /
ketangguhanya tinggi atau dengan kata lain tujuan dari pengerasan
permukaan adalah untuk mempersiapkan bahan logam sebagai produk
jadi agar memiliki sifat mekanis yang optimum Dengan pengerasan
permukaan akan menyebabkan lapisan permukaan menjadi lebih kuat dan
pada lapisan permukaan terjadi tegangan sisa yang berupa tegangan
tekan, hal ini akan menyebabkan benda kerja lebih tahan terhadap
kelelahan, fatique limitnya naik. Pada prakteknya pelaksanaan laku
panas bervariasi tergantung tujuan yang ingin dicapai. Laku
permukaan ( tujuan dari case hardening ) umumnya ditujukan
untuk:
Meningkatkan ketahanan aus dengan jalan memperkeras ( memberikan
lapisan yang keras ) pada permukaan logam.
Meningkatkan ketahanan korosi tanpa merubah karakteristik
sifat-sifat logam yang permukaanya diberi laku permukaan.
Meningkatkan performance logam dari suatu komponen dengan maksud
-maksud fabrikasi.
Atas dasar hal tersebut diatas maka laku permukaan dapat
digolongkan antara lain:
I. Proses-proses untuk memperkeras permukaan logam:
1. Proses perlakuan thermo kimia ( Thermochemical treatment )
meliputi: Carburuzing, Nitriding, Ion nitriding, Cyaniding,
Nitrocarburising.2. Proses pengerasan permukaan ( Surface hardening
): Induction hardening dan flame hardening.
3. Metal Spraying.
4. Metal plating melalui pengendapan elektrolitik unsur-unsur
yang keras.
II. Proses-proses untuk meningkatkan ketahanan korosi:
1. Pengendapan listrik ( electrodeposition ).
2. Lapis celup ( hot dip coating ).
3. Lapis difusi ( diffusion coating ) yang mencakup: cementasi,
cladding, deposisi vakum, pirolisa, case hardening.
4. Lapis non metalik ( non metalik coating ) meliputi:
Pengecatan, lapis plastik, lapis karet dan elastomer, lapis
enamel.
5. Lapis konversi dan oksida meliputi: Anodasi, chromatasi,
phospatasi.
III. Proses-proses untuk meningkatkan performance permukaan
logam meliputi:
1. Polishing.
2. Abrasive belt grinding.
3. Honing, laping dan super finishing.
Disini lebih diarahkan pada proses case hardening yang sering
dilakukan pada roda-roda gigi, poros, beberapa jenis tool dan die
dan lain-lain. Ada lima caca pengerasan permukaan yang sering
dilakukan antara lain:
1. Carburising.
2. Nitriding.
3. Cyaniding atau carbonitriding.4. Pengerasan api ( flame
hardening ).
5. Pengerasan induksi ( induction hardening ).
Pengerasan ( Hardening ) Proses Pengerasan adalah proses
perlakuan panas yang diterapkan untuk menghasilkan benda kerja yang
keras atau mempersiapkan bahan logam sebagai produk jadi agar
memiliki sifat mekanis yang optimum. Proses ini terdiri dari
memanaskan baja sampai ke temperatur pengerasanya ( temperatur
austenisasi ) dan menahanya pada temperatur tersebut untuk jangka
waktu tertentu dan kemudian didinginkan dengan laju pendinginan
yang sangat tinggi ( di quench ) agar diperoleh kekerasan yang
dinginkan.
Tujuan utama dari proses pengerasan adalah untuk meningkatkan
kekerasan benda kerja dan meningkatkan ketahanan ausnya. Contoh:
Spindel, roda-roda gigi pahat-pahat pemotong dan dies memerlukan
kekerasan yang tinggi. Kekerasan maksimum terjadi setelah proses
hardening tergantung dari beberapa hal antara lain:
Tingginya temperatur austenising.
Homogenity dari austenite.
Laju pendinginan.
Kondisi permukaan benda kerja.
Ukuran / berat benda kerja yang dikeraskan dan hardenability
dari bahan itu sendiri.
1. Temperatur Austenitising
Temperatur austenitising yang dianjurkan untuk melakukan proses
hardening adalah 25 50oC diatas temperatur kritis atas A3 untuk
baja hypo eutektoid dan 25 50oC diatas temperatur kritis bawah A1
untuk baja hyper eutektoid.
2. Homogenity Austenit.
Pemanasan secara equilibrium akan diperoleh struktur yang
mempunyai komposisi yang homogen, karena pemanasan yang dilakukan
dengan sangat lambat atom-atom akan berdifusi secara sempurna untuk
mencapai keadaan homogen. Sedangkan pada pemanasan yang dilakukan
dengan cepat difusi yang teradi belum sempurna sehingga keadaaan
yang homogen masih belum tercapai, bila keadaan yang belum homogen
pada austenit ini kemudian didinginkan dengan cepat ( di quench )
maka akan diperoleh martensit dengan kekerasan yang berbeda karena
masing-masing berasal dari austenit dengan kadar karbon yang
berbeda.
Untuk membuat austenit menjadi lebih homogen maka perlu diberi
kesempatan pada atom-atom untuk berdifusi secara sempurna dengan
jalan pada saat pemanasan diberi holding time yang cukup agar dapat
dicapai austenit yang homogen.3. Laju Pendinginan
Agar dapat diperoleh struktur yang sepenuhnya martensit maka
laju pendinginanya harus dapat mencapai laju pendinginan kritis (
critical cooling rate ). Untuk mencapai hal ini laju pendinginan
yang terjadi pada suatu benda kerja juga tergantung dari beberapa
faktor antara lain:
Jenis media pendingin yang digunakan ( panas jenis,
konduktifitas panas dll ).
Temperatur median pendingin.
Kuatnya sirkulasi / olakan pada media pendingin.
Beberapa jenis media pendingin yang sering digunakan pada proses
hardening yang diurut menurut kekuatan pendinginanya antara
lain:
1. Brine ( air + 10% garam dapur ).
2. Air.
3. Salt bath ( garam cair ).
4. Larutan minyak dalam air.
5. Minyak.
6. Udara.4. Kondisi Permukaan.
Kondisi permukaan benda kerja yang akan diquench harus
betul-betul bersih artinya pada permukaanya tidak ada scale ( terak
) yang menepel pada permukaan benda kerja yang akan diquench
sehingga tidak mempengaruhi laju pendinginanya.
Ada beberapa cara untuk mencegah terjadinya scale antara
lain:
1. Copper plating yaitu melapiskan tembaga pada permukaan benda
kerja sebagai pelindung terhadap atmosfir untuk mencegah terjadinya
scale.
2. Protective atmosphere, memasukan gas yang tidak bereaksi
dengan baja ke dalam dapur pemanas seperti : hidrogen, amoniak,
propan dan methan. Pembakaran gasnya dilakukan tersendiri diluar
dapur pemanas.
3. Liquit salt bath, pemanasan dilakukan didalam garam yang
dicairkan yang bersifat netral terhadap baja, baja yang dipanaskan
dicelupkan ke dalam garam cair yang netral dan tidak akan
teroksidasi.
4. Cast iron chips, baja yang dipanaskan ditimbun dengan
keping-keping besi tuang ( cast iron chips ) sehingga oksigen yang
masuk ke dalam dapur pemanas lebih dahulu bereaksi dengan
keping-keping besi tuang tidak mencapai bajanya.
6. Ukuran dan Berat Benda Kerja
Luas permukaan dan berat benda kerja menjadi faktor penting yang
ikut menentukan laju pendinginan benda kerja. Luas permukaan
merupakan fungsi dari bentuk geometris dan ukuran benda kerja.
Rasio yang besar akan menjadikan laju pendinginan benda kerja
tinggi. Benda kerja yang kecil lebih mudah menjadi martensit.
7. Hardenability
Hardenability merupakan sifat suatu baja yang menggambarkan
mudah tidaknya suatu baja itu dikeraskan dengan pembentukan
martensit, hingga mencapai kekerasan tertentu pada kedalaman
tertentu ( Kemampuan untuk membentuk martensit sampai kedalaman
tertentu dimana terdapat kekerasan 50% atau ( 450 VHN / sampai
kedalaman berapa baja mampu dikeraskan dengan minimum skala
pengerasan 450 ).
Kekerasan tertentu ini dapat dicapai bila baja itu dapat mencai
jumlah martensit tertentu yaitu bila didinginkan dengan pendinginan
tertentu. Bila laju pendinginan pada benda kerja lebih lambat dari
laju pendinginan kritis maka jumlah martensit yang terbentuk akan
berkurang, tentunya kekerasanya juga kan berkurang.
Gambar diatas memperlihatkan kekerasan yang akan dicapai bila
dapat diperoleh sejumlah martensit dengan kadar karbon
tertentu.
Bila sebuah benda kerja didinginkan dengan suatu media pendingin
maka bagian permukaanlah yang akan cepat dingin atau dengan kata
lain pada bagian permukaanlah laju pendinginannya paling tinggi dan
makin kedalam makin rendah.
Secara garis besar hardenability dipengaruhi oleh beberapa hal
al :
Komposisi kimia ( % C + elemen paduan ).
Ukuran butir krital.
Media quench.
Ada dua cara untuk menguji hardenability : Jominiy test dan
Grossman test.1. Jominy Hardenability Test
2. Grossman Hardenability Test
Pengerasan Permukaan Thermokimia1. CARBURISING
Proses ini adalah cara pengerasan yang paling tua dan paling
murah. Baja yang akan dikarburising mempunyai keuletan yang tinggi
dengan kadar karbon maksimum 0,2% karena kadar karbonya yang rendah
maka baja ini tidak dapat langsung dikeraskan, agar dapat
dikeraskan maka kadar karbonya harus ditambah dengan cara
diffusi.
Tujuan dari proses karburasi adalah untuk:
Meningkatkan ketahanan aus dengan jalan mempertinggi kekerasan
permukaan logam ( dalam hal ini baja ).
Meningkatkan ketahanan terhadap pembebanan yang tiba-tiba, ini
berarti logam yang diperkeras permukaanya harus mempunyai harga
impak yang tinggi.
Meningkatkan karateristik fatik dari logam.
Proses pengerasan permukaan dengan karburising dapat dibagi
menjadi dua tahapan:
a. Penambahan karbon ( carburising ).
b. Pengerasan.
a. Penambahan karbon
Penambahan karbon / carburising dilakukan pemanasan pada
temperatur yang cukup tinggi dalam lingkungan yang mengandung
karbon aktif, sehingga atom karbon berdifusi masuk kedalam
permukaan baja mencapai kadar tertentu dan kedalaman tertentu.
Setelah permukaan baja mengandung karbon dalam jumlah yang cukup
tinggi baru dilakukan pegerasan dengan quenching. Ada tiga cara
carburising yaitu: Pack ( Solid ) Crburising, Gas Carburising dan
Liquid Carburising.
- Pack ( Solid ) Carburising
Pada proses ini benda kerja dimasukan kedalam suatu kotak yang
disebut kotak sementasi, didalam kotak sementasi benda kerja
ditimbun dengan compound, kotak ditutup rapat ( kedap udara )
kemudian dipanaskan pada temperatur 900 950oC selama beberapa jam,
setelah itu kotak dikeluarkan dari dapur, dibiarkan dingin,
dibongkar dan benda kerja dibersihkan kemudian dipanaskan kembali
untuk melakukan pengerasan.
Selama pemanasan udara yang terperangkap didalam kotak akan
bereaksi dengan arang menjadi CO dengan reaksi : 2C + O2 2CO
Selanjutnya CO dapat berdisosiasi menjadi Cat. 2 CO CO2 + Cat
dan Cat ini adalah atom karbon aktif yang dapat berdifusi kedalam
permukaan baja. Sedangkan karbonat berfungsi sebagai energizer atau
aktifator yang mempercepat proses karburising yaitu dengan
menghasilkan sejumlah CO2 dari reaksi dekomposisi: BaCO3 BaO + CO2
yang kemudian bereaksi dengan karbon membentuk CO.
Kotak sementasi yang digunakan pada proses karburising harus
memiliki karaktristik sebagai berikut:
Harus rapat sehingga tidak memungkinkan adanya kebocoran dari
gas yang terbentuk.
Tahan suhu tinggi untuk waktu yang relatif lama.
Sesuai untuk bentuk dan ukuran dari benda kerja yang akan
diproses.
Memiliki sifat mekanik yang memadai sehingga tidak terjadi
perubahan bentuk pada saat mengalami pemanasan pada waktu yang
cukup lama.
Relatif ringan.
Gas Carburising.
Pada proses ini baja dipanaskan dalam dapur dengan atmosfir yang
banyak mengandung gas CO atau hydrocarbon yang mudah berdekomposisi
pada temperatur karburising ( 900 950oC ) pada temperatur ini
gas-gas tersebut akan berdekomposisi menghasilkan Cat yang nantinya
berdifusi kedalam baja. Reaksi dekomposisi antara lain:
2CO Cat + CO2 CH4 Cat + H2 CO + H2 Cat + HDengan cara gas
karburising ini benda kerja lebih bersih sehingga langsung dapat
diquench dan dapur lebih efisien.
Liquid Carburising.
Pada prises ini pemanasan dilakukan dalam salt bath yang terdiri
dari campuran sodiun cyanide ( NaCn ) atau potasium cyanide ( KCN )
yang berfungsi sebagai agent yang aktif dengan sodium carbonate (
Na2CO3 ) yang berfungsi sebagai energiser. Pada temperatur
carburising cyanide akan bereaksi sebagai: 2 NaCN + O2 2 NaCNO
4 NaCNO 2 NaCN + 2 Na2CO3 + CO + 2 Nat 2 CO CO2 + CatDari reaksi
ini tampak bahwa yang berdifusi kedalam baja selain atom karbon
juga atom nitrogen yang jumlahnya tergantung dari temperatur
pemanasan dan kandungan NaCN dalam salt bath.
b. Pengerasan ( Quenching )
Setelah lapisan kulit mengandung cukup banyak karbon, proses
dilanjutkan dengan pengerasan dengan quenching untuk mencapai
kekerasan yang tinggi dan tempering untuk mengurangi kegetasan dan
tegangan sisa yang berlebihan. Pada pack karburising quenching
dilakukan setelah pemanasan kembali, sedangkan pada gas dan liquit
carburising dapat langsung dilakukan setelah pemanasan untuk
penambahan karbon.
2. NITRIDING
Pada proses ini benda kerja dipanaskan didalam dapur dengan
atmosfir yang mengandung atom nitrogen aktif yang akan berdifusi
kedalam baja dan bereaksi dengan unsur dalam baja membentuk
nitrida. Nitrogen aktif diperoleh dari gas amonia yang bila
dipanaskan pada temperatur 500 600oC akan berdisosiasi menjadi
nitrogen aktif dan hidrogen:
2 NH3 2 Nat + H2 Pada dasarnya semua baja dapat dinitriding
namun hasil yang paling baik bila baja tersebut mengandung unsur
paduan yang membentuk nitrida seperti Al, Cr atau Mo. Pada proses
nitriding benda kerja dimasukkan kedalam dapur yang kedap udara dan
gas amonia dialirkan secara kontinyu selama pemanasan pada
temperatur 500 600oC prosesnya berlangsung lama sampai beberapa
hari. Kekerasan yang diperoleh dari proses nitriding sampai Rc 70
tanpa perlu quenching.
Walaupun proses nitriding berlangsung lama sekali tetapi tebal
kulit yang terjadi tipis sekali, baja yang akan dinitriding tidak
boleh terlalu lunak dan mengandung 0,3 0,4% C agar dapat mendukung
kulit yang terlalu tipis tadi. Baja nitriding mempunyai sifat tahan
aus, kelelahan dan ketahanan korosi yang baik.
KELEBIHAN PROSES NITRIDASI
Menghasilkan kekerasan permukaan yang tinggi lebih tinggi dari
proses karburasi, ini berarti memberi ketahanan aus yang lebih
tinggi tanpa ada resiko timbulnya pengelupasan ( galling ).
Menaikan karakteristik fatik dan memperbaiki katahanan korosi
dan relatif terhadap larutan alkali.
Suhu pengoperasian nitridasi relatif rendah sehingga
kecenderungan untuk timbulnya distorsi makin kecil ( dapat
diabaikan ). Ini berarti proses nitridasi menjamis stabilitas
dimensi benda kerja yang diproses.
Kekerasan yang diperoleh melalui proses nitridasi relatif sampai
suhu sekitar 600oC, sedangkan benda kerja yang dikarburasi
kesetabilan kekerasanya hanya sampai sekitar 200oC.
KEKURANGAN PROSES NITRIDASI
Proses nitridasi berlangsung lama sehingga biaya produksi
menjadi lebih mahal, disamping itu baja yang digunakan untuk proses
nitridasi umumnya baja khusus yang harganya relatif mahal.
3. Cyaniding dan Carbonitriding
Cyaniding merupakan modifikasi dari liquit carburising dilakukan
dengan menggunakan salt bath seperti liquit carburising, tetapi
kosentrasi garam cyanida dan temperatur pemanasan yang digunakan
lebih rendah. Dengan salt bath yang mengandung 25-45% NaCN pada
pemanasan 500 600oC dan waktu tahan selama 5-30 menit akan
diperoleh kulit yang tipis 0,02 0,04 mm dan kulit ini mempunyai
kekerasan yang tinggi dan tahan aus.
Cyaniding yang sering dilakukan dengan menggunakan salt bath
dengan kandungan cyanide sekitar 30%, dengan pemanasan 800 850oC
dan waktu tahan bisa mencapai 1,5 jam. Pada kulit akan diperoleh
kandungan nitrogen sekitar 0,5% dengan kadar karbon 0,5-0,8%
walaupun kadar karbonya rendah tetapi kekerasan yang tinggi dapat
tercapai setelah diquench.
Pada proses cyaniding komposisi salt bath dan temperatur
pemanasan sangat berpengaruh terhadap tebal dan komposisi kimia
dari kulit. Dengan temperatur pemanasan yang semakin tinggi dan
kandungan NaCN dalam salt bath makin rendah akan menghasilkan tebal
kulit yang makin besar dan kadar karbon dari kulit makin tinggi (
kadar nitrogen makin rendah ). Untuk proses yang menghasilkan kulit
dengan kadar karbon yang tinggi / ( 0,4%C perlu dilakukan quench
dan temper.
Carbonitriding dapat dianggap sebagi modifikasi dari gas
karburising yaitu menggunakan gas seperti pada proses gas
karburising yang diperkaya dengan gas amonia, dengan demikian yang
berdifusi kedalam baja adalah karbon dan nitrogen dan prosesnya
berlangsung pada temperatur yang lebih rendah. Dengan larutnya
karbon dan nitrogen pada kulit maka akan mempertinggi hardenability
sehingga pada saat quenching pendinginanya tidak perlu drastis
apalagi temperatur pemanasan selama difusi relatif rendah, maka
kemungkinan terjadi distorsi / retak juga rendah.
Kekerasan yang diperoleh dari proses cyaniding dan
carbonitriding lebih stabil dari pada kekerasan hasil karburising
dan lebih tahan terhadap pemanasan dan tidak mudah lunak karena
pemanasan.Pengerasan Thermal
1. Flame Hardening
Pada proses ini komposisi kimia dari permukaan benda kerja tidak
berubah, prosesnya dilakukan dengan menyemburkan nyala api dengan
intensitas tinggi ke permukaan benda kerja, yang biasa digunakan
adalah api dari brander oxyacetylene, sebelum panas mencapai bagian
dalam bagian permukaan benda kerja sudah mencapi temperatur
austenising kemudian segera di quench. Dengan demikian bagian
permukaan terbentuk martensit sedangkan bagian dalam tetap seperti
semula. Oleh karena itu baja yang akan diproses harus mempunyai
hardenability yang memadai dengan kadar karbon 0,30 0,60%
Proses ini dipilih dengan alasan :
1. Komponen berukuran sangan besar sehingga tidak ekonomis
dilakukan didalam dapur.
2. Pengerasan permukaan segmen tertentu dari luas keseluruhan
komponen.
3. Komponen memiliki geometri permukaan yang komplek sehingga
sulit mengontrol keakuratan dimensinya dengan menggunakan sistem
dapur.
4. Biaya produksi paling murah sehingga cocok untuk jenis baja
kwalitas umum.
Keterbatasan dari proses ini adalah sulit mengontrol over
heating dan mendapatkan case depth kurang dari 1,5 mm.
2. Induction Hardening.
Secara prinsip pada proses ini adalah membangkitkan medan magnit
pada lilitan kawat sehingga terjadi arus listrik ( Eddy current )
yang membentuk panas pada permukaan baja. Untuk menimbulkan panas
pada permukaan benda kerja maka benda kerja diletakkan didekat koil
yang dialiri arus bolak - balik frekwensi tinggi, ada beberapa
macam koil yang sering digunakan seperti pada gambar dibawah
ini.
Keuntungan pengerasan induksi:
1. Dapat dipakai untuk mengeraskan bagian-bagian komponen yang
dipilih.
2. Laju pemanasan dan kecepatan proses tinggi.
3. Efek dekarburasi, oksidasi dan distorsi minimum.
4. Biaya operasi rendah.
5. Parameter proses lebih terkontrol dibandingkan proses nyala
api.
Kerugian:
1. Hanya dapat diaplikasikan untuk komponen dengan geometri
tertentu.
2. Pemilihan baja untuk proses ini terbatas ( ISO 683/XII 1972
).
Tempering Tempering dilakukan dengan memanaskan kembali baja
yang telah dikeraskan pada temperatur dibawah temperatur kritis
bawah ( A1 ), membiarkanya pada temperatur tersebut beberapa saat,
kemudian didinginkan kembali. Secara umum temperatur tempering
makin tinggi maka kekerasanya akan semakin rendah sedang
ketangguhanya akan semakin tinggi.
Kebanyakan baja akan mengalami penurunan kekerasan bila ditemper
pada temperatur 200 425o C, temperatur ini merupakan temperatur
pemisah antara benda kerja yang memerlukan kekerasan tinggi dengan
yang memerlukan ketangguhan tinggi. Bila diinginkan kekerasan yang
tinggi maka tepering dilakukan dibawah temperatur 200o C dan bila
diinginkan ketangguhan yang tinggi maka tempering dilakukan diatas
temperatur 450oC.Austempering dan Martempering
Austempering adalah proses laku panas yang dikembangkan langsung
dari isothermal transformation diagram untuk memperoleh struktur
yang sepenuhnya bainit. Temperatur austenising untuk proses ini
sama dengan temperatur austenising untuk proses annealing /
hardening akan tetapi proses pendinginanya dilakukan dengan
quenching sampai ke temperatur diatas Ms dan dibiarkan disana
sampai transformasi menjadi bainit selesai. Media pendingin yang
digunakan untuk proses ini adalah garam cair dengan temperatur
200-425oC dengan demikian struktur akhir seluruhnya bainit tanpa
martensit. Hasil austempering mempunyai kekerasan sekitar Rc 45-55
dengan keuletan / ketangguhan yang tinggi.
Sedangkan perbandingan mekanik dari baja yang di quench dan
temper dengan baja yang di austempering dapat dilihat pada tabel.
Pada austempering bahaya terjadinya distorsi / retak hampir tidak
ada tidak seperti pada proses quench dan temper.
Cara lain untuk mencegah tejadinya distorsi / retak adalah
dengan proses Martempering / Marquenching. Proses ini hampir sama
dengan austempering yaitu setelah austenising kemudian didinginkan
dengan cepat pada garam cair sampai temperatur diatas Ms kemudian
ditahan agar temperatur bagian dalam sama dengan pada bagian luar
akan tetapi sebelum trasformasi menjadi bainit segera dilakukan
pendinginan lagi dengan jalan mengeluarkan beda kerja dari garam
cair dan didinginkan diudara. Struktur akhir dari proses
martempering ini adalah tempered martensit.
Tegangan Sisa.
Tegangan sisa ( residual stress ) adalah tegangan yang tetap
tinggal dalam benda kerja setelah hilangnya gaya yang bekerja.
Tegangan sisa ini timbul karena adanya deformasi plastik yang tidak
seragam / uniform. Dalam proses perlakuan panas deformasi yang
tidak seragam ini karena adanya gradient temperatur / perubahan
fase terutama pada saat pendinginan. Adanya tegangan sisa ini dapat
menimbulkan distorsi bahkan retak atan rendahnya kemampuan menerima
tegangan dari luar.
Pada saat berlangsungnya proses quench dalam benda kerja
terdapat gradient temperatur dan benda padat umumnya memuai dengan
naiknya temperatur karena itu akan terjadi perbedaan pemuaian
didalam benda kerja dan ini akan mengakibatkan terjadinya
tegangan.
Demikian pula dengan perubahan fase, misal dari FCC menjadi
martensit BCT / bainit / perlit semua akan menyebabkan perubahan
dimensi atau volume yang juga menimbulkan tegangan. Bila tegangan
yang terjadi melampaui yield / tengangan luluh akan terjadi plastik
flow yang dapat menimbulkan distorsi, bahkan bila tegangan yang
terjadi melampaui batas kekuatanya dapat menimbulkan retak, atau
paling tidak kemampuan menerima beban dari luar akan berkurang
karena dalam benda kerja itu sendiri sudah ada tegangan.
Banyak faktor yang mempengaruhi adanya tegangan sisa antara
lain: Bentuk / ukuran benda kerja, Hardenabilitynya, Koefisien
perambatan panas dan muai panasnya, Media pendingin yang digunakan
dan lainya.
INSTALASI PEMANAS
Panas yang terjadi pada benda kerja selama proses perlakuan
panas dapat diperoleh dengan cara:
Sumber Panas
1. Panas yang merambat dari bagian luar benda kerja kedalam
benda kerja yaitu: panas yang ditimbulkan oleh sumber panas dari
luar, panas sampai pada benda kerja dengan tiga cara:
Radiasi.
Konveksi.
Konduksi.
2. Panas yang merambat dari bagian dalam keluar. Panas yang
terjadi ditimbulkan oleh benda kerja itu sendiri, hal ini dapat
terjadi dengan cara mengalirkan arus listrik secara: langsung dan
tidak langsung.
Media Pemanas
Dalam memilih media pemanas harus memperhatikan:
1. Pemanas harus menghasilkan pemanasan yang seragam pada
seluruh benda uji ( Thermal stress terminimize.
2. Pemanas harus mempunyai laju pemanasan tinggi, sehingga waktu
proses pendek.
3. Pengkuran suhu harus mudah, jika sulit hasil yang diinginkan
sulit tercapai.
4. Atm harus terlidungi dari karburasi dan dekarburasi.
Sumber Energi
Sumber energi ( bahan bakar ) yang digunakan untuk proses
perlakuan panas antara lain:
1. Bahan bakar cair.
2. Bahan bakar gas.
3. Listrik.
Kelebihan dan kekurangan dari masing-masing bahan bakar sebagai
berikut:
Sumber EnergiKelebihanKeterangan
Bahan Bakar Cair- Murah
- Brander dapat
diatur Kotor
Pengaturan temperatur otomatik sulit dilaksanakan.
Gemuruh.
Bahan Bakar Gas- Murah
- Brander dapat diatur Bahaya bila timbul penyumbatan.
Penagturan temperatur sulit dilaksanakan.
Listrik- Bersih
- Pengaturan peralatan lebih praktis
- Pengaturan otomatis mudah dan telitiMahal
Tungku / Dapur
Tungku-tungku dengan bahan bakar gas atau cair:
1. Tungku tanpa Moffel yang tertutup dengan bahan bakar gas.
Ruang bakar terdiri dari batu tahan api dan diperoleh dengan
suatu rangka baja.
Keuntungan:
Dapat mencapai temperatur tinggi ( 1350oC ).
Waktu penyiapan relatif singkat.
Kerugian:
Pemanasan tidak homogen.
Benda kerja terbuka terhadap gas-gas hasil pembakaran.
Oksidasi dan dekarburasi.
2. Tungku Moffel.
Tujuanya adalah sebagai perbaikan atas tungku sebelumnya,
terutama dalam hal keterbukaan benda kerja terhadap gas-gas
pembakaran. Temperatur yang bisa dicapai 1000 - 1350oC, digunakan
untuk proses hardening, annealing, temper dan karburasi. Biasanya
dipakai box untuk memberikan perlindungan dengan atmosfir /
ditambah karbon, nitrogen, dll.
3. Tungku Tahanan Listrik.
Prinsip pemanasan benda kerja diperoleh dengan jalan
radiasi.
Konstruksi tungku tahanan listrik ruang pemanas dan kamar
pengapian menjadi satu.
Keuntungan:
Penagturan temperatur mudah dan teliti.
Pemanasan merata.
Relatif terlindungi dari udara luar.
Kerugian:
Adanya udara dalam ruang pemanas, udara ini dapat menimbulkan
oksidasi dan dekarburasi.
4. Tungku dengan atmosfir Pelindung.
Fungsi:
Melindungi permukaan benda kerja dari oksidasi dan dekarburasi
selama proses perlakuan panas.
Membersihkan permukaan logam.
Memperbaiki sifat fisik dan kimia dari permukaan benda kerja,
misal dalam proses: karburasi, nitridasi dll.
Reaksi-reaksi Gas:
Permukaan benda kerja dan gas.
Gas dan gas
Reaksi tersebut antara lain:
Fe + CO2 ( FeO + CO
Pada temperatur austenisasi:
C dari permukaan baja + CO2 ( CO
( reaksi langsung sampai CO2 tidak ada atau dengan perkataan
lain sampai permukaan baja dekarburasi ).
3FeO + CO2 ( Fe3O4 + CO
C dari permukaan baja + 4H ( CH4 C + 2H2 ( CH4 ( H diperoleh
dari uap air )
Fe + H2O ( FeO + H2 C + H2O ( CO + H2.
Gas-gas yang Digunakan:
1. Gas Exothermic.
Gas ini dihasilkan dengan membahas gas hidrokarbon ( CxHy )
dengan sejumlah udara. Reaksi yang terjadi menimbulkan panas (
exothermic ).
2. Gas Endothermic.
Diperoleh dengan jalan mengalirkan campuran hydrokarbon dan
udara melalui pemanas sehingga terbentuk: CO, H2, CH4, dan N23.
Nitrogen.
Masih terkandung didalamnya sejumlah kecil: Argon, oksigen dan
Hidrogen.
4. Amoniak.
Gas amoniak dialirkan melalui pemanas sehingga timbul disosiasi
menjadi N2 dan H2.
5. Hidrogen dan Argon.
Sebagai gas inert digunakan pada hardening treatmen baja H 13 (
terhindar dari oksida.
5. Tungku Salth-Bath
Prinsip:
Ruang pemanas dari tungku merupakan bath yang diisi dengan
larutan garam yang dibawa ke suatu temperatur dimana benda kerja
harus dipanaskan. Jadi dalam hal ini pemanasan terjadi pada benda
kerja dengan jalan konduksi.
Manfaat:
Homogen.
Pemanasan relatif cepat.
Terlindungi dari bahaya oksidasi dan dekarburisasi baik didalam
maupun diluar tungku.
Kekurangan:
Bahaya pengotoran.
Bahaya dalam pengerjaan ( banyak garam yang mengandung cyanida,
dll ).
Macam-macam Salt Bath: Bath temperatur rendah ( 150 620oC )
digunakan untuk: Isothermal treatment, Martempering, Austempering
dan Tempering pada temperatur rendah.
Bath temperatur medium ( 650 1000oC ) digunakan untuk
austenisasi baja karbon dan baja paduan menengah atau tinggi.
Bath temperatur tinggi ( 1000 1300oC ) digunakan untuk
austenisasi baja type H, T & M.
Bath untuk proses Karburasi dan Nitridasi.
Dalam tungku salt-bath garam cair berfungsi sebagi perlindungan
terhadap karburasi dan dekarburisasi ( dengan garam yang netral
)
Jenis garam dan temperatur kerja:
Jenis GaramTemp Kerja
45% NaCl + 55% KCl675 900oC
20% NaCl + 80% BaCl2675 - 1060 oC
100% BaCl21025 - 1325 oC
6. Controlled ATM Furnace.
Untuk produksi massal.
Gas dari luar dialirkan dalam bentuk hidrokarbon cair atau
gas.
Karbon potensial ATM dapur harus diminitor terus untuk didapat
hasil yang bayik yaitu pengerasan netral atau karburising.
7. Dapur Vakum.
Populer karena:
Permukaan komponen bebas karburasi dan dekarburasi.
Energi yang dibutuhkan minimum.
Lingkungan kerja yang baik sekali.
Otomasi dari siklus pemanasan mudah dicapai.
Dalam operasi komponen dimasukan dalam keadaan dingin kemudian
divakumkan dengan pompa vakum sampai tekanan 10-2 torr.
Dalam menentukan laju pemanasan faktor yang mempengaruhi antara
lain:
1. Type dapur yang digunakan.
Saat pemanasan dalam dapur listrik kadang tidak perlu
preheating, sedang dalam salt-bath laju pemanasan tinggi sehingga
perlu preheating.
2. Bentuk dan ukuran benda uji.
Benda simetri & kecil / seperti batang bulat tak perlu
preheating.
Dengan salt-bath, preheat > 100oC disarankan untuk
menghilangkan kadar air dalam baja, sebab ada air dalam salt-bath
berbahaya karena dapat menguap secara mendadak dan mengakibatkan
ledakan.Cacat Hasil Proses Perlakuan Panas
Jenis-jenis Cacat:
1. Dekarburasi.
Berkurangnya kandungan karbon didaerah permukaan, kekerasan dan
ketahanan ausnya berkurang.
2. Overheating.
Butir austenit terlalu besar, kekerasan yang dikehendaki tidak
tercapai dan tidak tangguh.
3. Underheating.
Temperatur pemanasan yang tidak cukup tinggi menyebabkan banyak
karbida yang belum terurai, sehingga pada waktu quenhcing
dihasilkan martensit yang sedikit kandungan karbonya dan akibatnya
kekerasanya rendah.
4. Distorsi.
Perubahan bentuk relatif lebih besar pada baja karbon dan baja
paduan rendah.
Dengan makin banyaknya kandungan unsur-unsur paduan yang berarti
makin besar hardenabilitynya, maka distorsi dapat diperkecil.
5. Retakan.
Retak akibat proses celup cepat.
Retak akibat proses gerinda.
Retak akibat pemanasan pada saat operasi / heat cracking
Usaha mengurangi Dekarburasi:
Dengan tungku vakum.
Dengan atmosfir pelindung: N2, disosiasi amonia H2 + N2 serta
helium dan argon. Dengan Salt-bath. Perubahan ukuran ( distorsi )
disebabkan oleh: Transformasi fasa dan gradient temperatur.
Transformasi fasa pada proses hardening: Austenit : f.c.c merupakan
susunan atom yang paling rapat. Martensit: b.c.t volumenya lebih
besar.
Pada waktu proses celup cepat bagian luar bertransformasi
menjadi martensit sehingga bagian ini volumenya menjadi lebih
besar.
Bagian dalam yang masih tinggi temperaturnya ( yang masih lunak
) akan tertarik sehingga berdeformasi plastis, dan pada saat
semuanya menjadi dingin pada benda kerja akan terdapat tegangan
sisa yang dapat menyebabkan distorsi.
Perubahan volume pada proses tempering transformasi fasa yang
terjadi:
Penguraian martensit menjadi martensit temper dan karbida.
Transformasi austenit sisa menjadi martensit.
Pengaruh EDM:
Didaerah permukaan benda kerja / yang telah dikeraskan terdapat
lapisan tipis yang bertambah keras yaitu karena efek pemanasan
samapi daerah austenit serta disusul oleh pendinginan yang cepat,
disebelah dalamya lagi kekerasanya turun karena tempering hal ini
disebabkan karena teperatur pemanasan tidak mencapai austenit.
Kekerasan yang terlalu tinggi pada lapisan luar dapat diturunkan
dengan proses tempering ( 15o C ) lebih rendah dari temperatur
tempering sebelumnya, tempering ini tidak akan mengubah kekerasan
dibagian dalamnya.
Nominal komposisi salt-bath yang digunakan untuk proses heat
treatment:
Type of treatmentProsentase KomposisiTemperatur, oC
Barium Chloride BaCl2Sodium Chloride, NaClCalcium Chloride,
CaCl2Sodium Nitrate, NaNo3Potassium Nitrate, KNO3MeltingWorking
range
Preheat dan stress relief25 3515 - 2545 - 55480510-760
Austenitize carbon and low alloy steels70.329,7655705-920
Austenitize hight alloy steels40 8010 - 20760815-1000
Austenitize hot work and HSS92 964 - 8670955-1200
Temperet and Austemperet40 5050-60145460-650
b. Laku Panas dengan Kondisi Non Equilibrium
PENGERASAN PERMUKAAN
Pengerasan permukaan ( Case Hardening ) adalah suatu proses
perlakuan panas yang diterapkan untuk memperoleh pengerasan hanya
pada permukaanya saja. Dengan demikian pada bagian permukaan
mempunyai kekerasan yang tinggi sedang pada bagian dalam tetap
seperti semula, dengan kekerasan rendah tetapi keuletan /
ketangguhanya tinggi atau dengan kata lain tujuan dari pengerasan
permukaan adalah untuk mempersiapkan bahan logam sebagai produk
jadi agar memiliki sifat mekanis yang optimum
Dengan pengerasan permukaan akan menyebabkan lapisan permukaan
menjadi lebih kuat dan pada lapisan permukaan terjadi tegangan sisa
yang berupa tegangan tekan, hal ini akan menyebabkan benda kerja
lebih tahan terhadap kelelahan, fatique limitnya naik. Pada
prakteknya pelaksanaan laku panas bervariasi tergantung tujuan yang
ingin dicapai. Laku permukaan umumnya ditujukan untuk:
Meningkatkan ketahanan aus dengan jalan memperkeras ( memberikan
lapisan yang keras ) pada permukaan logam.
Meningkatkan ketahanan korosi tanpa merubah karakteristik
sifat-sifat logam yang permukaanya diberi laku permukaan.
Meningkatkan performance logam dari suatu komponen dengan
maksud-maksud fabrikasi.
Atas dasar hal tersebut diatas maka laku permukaan dapat
digolongkan antara lain:
I. Proses-proses untuk memperkeras permukaan logam:
5. Proses perlakuan thermo kimia ( Thermochemical treatment )
meliputi: Carburuzing, Nitriding, Ion nitriding, Cyaniding,
Nitrocarburising.
6. Proses pengerasan permukaan ( Surface hardening ): Induction
hardening dan flame hardening.
7. Metal Spraying.
8. Metal plating melalui pengendapan elektrolitik unsur-unsur
yang keras.
II. Proses-proses untuk meningkatkan ketahanan korosi:
6. Pengendapan listrik ( electrodeposition ).
7. Lapis celup ( hot dip coating ).
8. Lapis difusi ( diffusion coating ) yang mencakup: cementasi,
cladding, deposisi vakum, pirolisa, case hardening.
9. Lapis non metalik ( non metalik coating ) meliputi:
Pengecatan, lapis plastik, lapis karet dan elastomer, lapis
enamel.
10. Lapis konversi dan oksida meliputi: Anodasi, chromatasi,
phospatasi.
III. Proses-proses untuk meningkatkan performance permukaan
logam meliputi:
4. Polishing.
5. Abrasive belt grinding.
6. Honing, laping dan super finishing.
Disini lebih diarahkan pada proses case hardening yang sering
dilakukan pada roda-roda gigi, poros, beberapa jenis tool dan die
dan lain-lain.
Ada lima caca pengerasan permukaan yang sering dilakukan antara
lain:
6. Carburising.
7. Nitriding.
8. Cyaniding atau carbonitriding.9. Pengerasan api ( flame
hardening ).
10. Pengerasan induksi ( induction hardening ).
Pengerasan Permukaan Thermokimia
1. CARBURISING
Proses ini adalah cara pengerasan yang paling tua dan paling
murah. Baja yang akan dikarburising mempunyai keuletan yang tinggi
dengan kadar karbon maksimum 0,2% karena kadar karbonya yang rendah
maka baja ini tidak dapat langsung dikeraskan, agar dapat
dikeraskan maka kadar karbonya harus ditambah dengan cara
diffusi.
Tujuan dari proses karburasi adalah untuk:
Meningkatkan ketahanan aus dengan jalan mempertinggi kekerasan
permukaan logam ( dalam hal ini baja ).
Meningkatkan ketahanan terhadap pembebanan yang tiba-tiba, ini
berarti logam yang diperkeras permukaanya harus mempunyai harga
impak yang tinggi.
.Ameningkatkan karateristik fatik dari logam.
Proses pengerasan permukaan dengan karburising dapat dibagi
menjadi dua tahapan:
c. Penambahan karbon ( carburising ).
d. Pengerasan.
c. Penambahan karbon
Penambahan karbon / carburising dilakukan pemanasan pada
temperatur yang cukup tinggi dalam lingkungan yang mengandung
karbon aktif, sehingga atom karbon berdifusi masuk kedalam
permukaan baja mencapai kadar tertentu dan kedalaman tertentu.
Setelah permukaan baja mengandung karbon dalam jumlah yang cukup
tinggi baru dilakukan pegerasan dengan quenching. Ada tiga cara
carburising yaitu: Pack ( Solid ) Crburising, Gas Carburising dan
Liquid Carburising.
- Pack ( Solid ) Carburising
Pada proses ini benda kerja dimasukan kedalam suatu kotak yang
disebut kotak sementasi, didalam kotak sementasi benda kerja
ditimbun dengan compound, kotak ditutup rapat ( kedap udara )
kemudian dipanaskan pada temperatur 900 950oC selama beberapa jam,
setelah itu kotak dikeluarkan dari dapur, dibiarkan dingin,
dibongkar dan benda kerja dibersihkan kemudian dipanaskan kembali
untuk melakukan pengerasan.
Selama pemanasan udara yang terperangkap didalam kotak akan
bereaksi dengan arang menjadi CO dengan reaksi :
2C + O2 2COSelanjutnya CO dapat berdisosiasi menjadi Cat. 2 CO
CO2 + Cat dan Cat ini adalah atom karbon aktif yang dapat berdifusi
kedalam permukaan baja. Sedangkan karbonat berfungsi sebagai
energizer atau aktifator yang mempercepat proses karburising yaitu
dengan menghasilkan sejumlah CO2 dari reaksi dekomposisi: BaCO3 BaO
+ CO2 yang kemudian bereaksi dengan karbon membentuk CO.
Kotak sementasi yang digunakan pada proses karburising harus
memiliki karaktristik sebagai berikut:
Harus rapat sehingga tidak memungkinkan adanya kebocoran dari
gas yang terbentuk.
Tahan suhu tinggi untu waktu yang relatif lama.
Sesuai untuk bentuk dan ukuran dari benda kerja yang akan
diproses.
Memiliki sifat mekanik yang memadai sehingga tidak terjadi
perubahan bentuk pada saat mengalami pemanasan pada waktu yang
cukup lama.
Relatif ringan.
Gas Carburising.
Pada proses ini baja dipanaskan dalam dapur dengan atmosfir yang
banyak mengandung gas CO atau hydrocarbon yang mudah berdekomposisi
pada temperatur karburising ( 900 950oC ) pada temperatur ini
gas-gas tersebut akan berdekomposisi menghasilkan Cat yang nantinya
berdifusi kedalam baja. Reaksi dekomposisi antara lain:
2CO Cat + CO2 CH4 Cat + H2 CO + H2 Cat + H Dengan cara gas
karburising ini benda kerja lebih bersih sehingga langsung dapat
diquench dan dapur lebih efisien.
Liquid Carburising.
Pada prises ini pemanasan dilakukan dalam salt bath yang terdiri
dari campuran sodiun cyanide ( NaCn ) atau potasium cyanide ( KCN )
yang berfungsi sebagai agent yang aktif dengan sodium carbonate (
Na2CO3 ) yang berfungsi sebagai energiser. Pada temperatur
carburising cyanide akan bereaksi sebagai:
2 NaCN + O2 2 NaCNO
4 NaCNO 2 NaCN + 2 Na2CO3 + CO + 2 Nat
2 CO CO2 + Cat Dari reaksi ini tampak bahwa yang berdifusi
kedalam baja selain atom karbon juga atom nitrogen yang jumlahnya
tergantung dari temperatur pemanasan dan kandungan NaCN dalam salt
bath.
d. Pengerasan ( Quenching )
Setelah lapisan kulit mengandung cukup banyak karbon, proses
dilanjutkan dengan pengerasan dengan quenching untuk mencapai
kekerasan yang tinggi dan tempering untuk mengurangi kegetasan dan
tegangan sisa yang berlebihan. Pada pack karburising quenching
dilakukan setelah pemanasan kembali, sedangkan pada gas dan liquit
carburising dapat langsung dilakukan setelah pemanasan untuk
penambahan karbon.
2. NITRIDING
Pada proses ini benda kerja dipanaskan didalam dapur dengan
atmosfir yang mengandung atom nitrogen aktif yang akan berdifusi
kedalam baja dan bereaksi dengan unsur dalam baja membentuk
nitrida. Nitrogen aktif diperoleh dari gas amonia yang bila
dipanaskan pada temperatur 500 600oC akan berdisosiasi menjadi
nitrogen aktif dan hidrogen:
2 NH3 2 Nat + H2 Pada dasarnya semua baja dapat dinitriding
namun hasil yang paling baik bila baja tersebut mengandung unsur
paduan yang membentuk nitrida seperti Al, Cr atau Mo. Pada proses
nitriding benda kerja dimasukkan kedalam dapur yang kedap udara dan
gas amonia dialirkan secara kontinyu selama pemanasan pada
temperatur 500 600oC prosesnya berlangsung lama sampai beberapa
hari. Kekerasan yang diperoleh dari proses nitriding sampai Rc 70
tanpa perlu quenching.
Walaupun proses nitriding berlangsung lama sekali tetapi tebal
kulit yang terjadi tipis sekali, baja yang akan dinitriding tidak
boleh terlalu lunak dan mengandung 0,3 0,4% C agar dapat mendukung
kulit yang terlalu tipis tadi. Baja nitriding mempunyai sifat tahan
aus, kelelahan dan ketahanan korosi yang baik.
KELEBIHAN PROSES NITRIDASI
Menghasilkan kekerasan permukaan yang tinggi lebih tinggi dari
proses karburasi, ini berarti memberi ketahanan aus yang lebih
tinggi tanpa ada resiko timbulnya pengelupasan ( galling ).
Menaikan karakteristik fatik dan memperbaiki katahanan korosi
dan relatif terhadap larutan alkali.
Suhu pengoperasian nitridasi relatif rendah sehingga
kecenderungan untuk timbulnya distorsi makin kecil ( dapat
diabaikan ). Ini berarti proses nitridasi menjamis stabilitas
dimensi benda kerja yang diproses.
Kekerasan yang diperoleh melalui proses nitridasi relatif sampai
suhu sekitar 600oC, sedangkan benda kerja yang dikarburasi
kesetabilan kekerasanya hanya sampai sekitar 200oC.
KEKURANGAN PROSES NITRIDASI
Proses nitridasi berlangsung lama sehingga biaya produksi
menjadi lebih mahal, disamping itu baja yang digunakan untuk proses
nitridasi umumnya baja khusus yang harganya relatif mahal.
3. Cyaniding dan Carbonitriding
Cyaniding merupak