Home >Documents >METALURGI FISIK

METALURGI FISIK

Date post:15-Nov-2015
Category:
View:420 times
Download:78 times
Share this document with a friend
Description:
bahan ajar kuliah metalurgi
Transcript:

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

of 84/84
Metalurgi Ir. Suheni,MT Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya METALURGI Tujuan 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
Embed Size (px)
Recommended