BKTK - Heat Treatment [PDF]

Citation preview

- Bahan Ajar Mata Kuliah Bahan Konstruksi Teknik Kimia -



HEAT TREATMENT (HT)



Heat Treatment (HT) atau perlakuan panas adalah suatu metode yang digunakan untuk mengubah sifat fisik, dan kadang-kadang sifat kimia dari suatu material. Aplikasi yang paling umum adalah untuk material logam walaupun perlakuan panas juga digunakan dalam pembuatan berbagai materi lain, seperti kaca. Secara umum perlakuan panas adalah memanaskan atau mendinginkan material, biasanya dalam suhu ekstrem, untuk mencapai hasil yang diinginkan seperti pengerasan atau pelunakan material. Yang termasuk Teknik Perlakuan Panas adalah annealing, case hardening, precipitation Strengthening, Tempering dan quenching. Perlu dicatat bahwa walaupun perlakuan panas sengaja dilakukan untuk untuk tujuan mengubah sifat secara khusus, di mana pemanasan dan pendinginan dilakukan untuk tujuan mengubah sifat, pemanasan dan pendinginan sering terjadi secara kebetulan selama proses manufaktur lain seperti pembentukan panas (Hot forming) atau Pengelasan. Material logam terdiri dari struktur mikro berupa kristal-kristal kecil yang disebut "butir" atau kristalit. Sifat butir (yaitu ukuran butir dan komposisi) adalah salah satu faktor paling penting yang dapat menentukan sifat mekanis logam secara keseluruhan. Perlakuan panas menyediakan cara yang efisien untuk memanipulasi sifat dari logam dengan mengendalikan laju difusi, dan tingkat pendinginan dalam struktur mikro tersebut. Proses perlakuan panas yang Kompleks sering dijadwalkan oleh Ahli logam (metallurgists) untuk mengoptimalkan sifat mekanis dari Logam paduan. Dalam Industri antariksa (aerospace), logam paduan super (superalloy) mungkin mengalami lebih dari lima macam panas temperatur yang berbeda untuk mengembangkan sifat yang diinginkan. Hal ini dapat mengakibatkan masalah kualitas tergantung pada akurasi kontrol suhu tungku dan penanda waktu (timer). A. HEAT TREATMEN BAJA Baja tempa, umumnya masih agak lemah, kekuatannya rendah. Dapat diperkuat dengan jalan hardening process (proses pengerasan). Tahapan dari hardening process baja adalah: (1) Heating Process. Benda kerja (bk) dimasukkan ke dalam dapur pemanas listrik/gas (furnace/tanur) dan dipanaskan hingga temperature yang diinginkan (misalnya 870 oC). (2) Soaking Process. Benda kerja ditahan pada suhu tersebut selama beberapa menit (atau sesuai kebutuhan), agar panas merata ke seluruh bk. Biasanya, lama soaking tergantung ukuran rata-rata ketebalan bk, sehingga semakin tebal/besar ukurannya, semakin lama soaking time-nya.



© 2012 - Irfan Purnawan, ST, MChemEng Jurusan Teknik Kimia - Universitas Muhammadiyah Jakarta



Hal 1 dari 8



- Bahan Ajar Mata Kuliah Bahan Konstruksi Teknik Kimia -



(3) Quenching Process. Setelah tercapai pemerataan suhu, bk dikeluarkan dari furnace (dengan alat khusus yang tahan suhu tinggi), dan langsung dicelupkan ke dalam media pendingin (pengejutan). Sebagai media kejut, bisa digunakan: - Oli encer (misalkan SAE 10-20, oli bekas pakai) - Air pada suhu ruang (25-30 oC) - Air pada suhu dingin (10-15 oC) - Air ditambah garam (10% NaCl) Proses pengejutan dilakukan singkat sambil digoyang agar merata sehingga bk cepat dingin dan tidak terjadi panas local (overheating) pada media kejut di sekitar tempat pengejutan. Setelah bk cukup dingin, dikeluarkan dari media kejut dan diletakkan pada tempat penampung yang sesuai, kemudian dibiarkan hingga dingin. Setelah dingin, dibersihkan dari oli/media kejut dan dilakukan uji kekerasan. Setelah uji kekerasan, jika harga kekerasan lebih tinggi daripada kekerasan yang diperlukan, maka segera dilakukan tempering atas benda tersebut sehingga bisa sedikit melunak dan mencapai harga kekerasan yang diperlukan. Sebaliknya, bila karena suatu kesalahan saat hardening sehingga kekerasan belum tercapai (di bawah standar kekerasan yang diminta), maka harus dilakukan rehardening (hardening ulang). Tempering, dilakukan dengan cara: - Pemanasan bk pada suhu rendah, ± 150-200 oC selama 2-8 jam (ketentuan suhu dan waktu tempering, tergantung ukuran ketebalan bk dan melalui percobaan) - Pemanasan bk pada suhu tinggi, ± 250-350 oC selama 30-60 menit (ketentuan suhu dan waktu tempering, tergantung ukuran ketebalan bk dan melalui percobaan Rehardening (hardening ulang), dilakukan dengan cara: - Normalisasi a. Pemanasan bk pada suhu lebih tinggi (heating) b. Ditahan pada suhu tersebut selama beberapa menit (soaking) c. Dikeluarkan dari furnace dan dibiarkan dingin secara perlahan hingga suhu ruang (cooling) - Rehardening (pengerasan ulang, dengan cara yang sama dengan hardening) a. Pemanasan bk pada suhu lebih tinggi (heating) b. Ditahan lebih lama pada suhu tersebut selama beberapa menit (soaking) c. Dikeluarkan dari furnace dan langsung dicelupkan ke media pendingin (quenching) Catatan: Untuk menentukan suhu heating, soaking, normalizing maupun annealing/tempering, harus dilihat pada Diagram Fe-C. Dengan mengetahui kadar C-nya, maka dapat dengan mudah dilihat berapa suhu masing-masing proses yang harus diambil. © 2012 - Irfan Purnawan, ST, MChemEng Jurusan Teknik Kimia - Universitas Muhammadiyah Jakarta



Hal 2 dari 8



- Bahan Ajar Mata Kuliah Bahan Konstruksi Teknik Kimia -



B. HEAT TREATMEN DURALUMIN Pengerasan duralumin dengan pemanasan bk dilakukan dalam 2 jenis alat pemanasan: -



Lelehan KNO3/NaNO3 (perbandingan 1:1) dalam bak pemanas dengan electrical heater yang telah dilengkapi dengan thermocouple.



-



Electric Furnace yang dilengkapi dengan kipas untuk sirkulasi udara dan thermocouple (biasanya terdiri dari Fe-constantan atau Nichrom-Nikel)



Tahapan dari hardening process duralumin adalah: (1) Heating Process. Benda kerja (bk) dimasukkan ke dalam dapur pemanas listrik/gas (furnace/tanur) dan dipanaskan hingga temperature yang diinginkan (515 ± 5 oC). (2) Soaking Process. Benda kerja ditahan pada suhu tersebut selama beberapa menit (atau sesuai kebutuhan), agar panas merata ke seluruh bk. Biasanya, lama soaking tergantung ukuran rata-rata ketebalan bk, sehingga semakin tebal/besar ukurannya, semakin lama soaking time-nya. Selama pemanasan, udara dalam electric furnace selalu diputar dengan menggunakan kipas yang ada (terpasang). (3) Quenching Process. Setelah tercapai pemerataan suhu, bk dikeluarkan dari furnace (dengan alat khusus yang tahan suhu tinggi), dan langsung dicelupkan ke dalam media pendingin (pengejutan). (4) Aging Process. Setelah pengejutan, bk didinginkan di udara terbuka untuk dilakukan aging (penuaan). Maksud dari proses aging ini adalah kurang lebih sama dengan proses tempering, yaitu untuk memperbaiki struktur Kristal, sekaligus mengurangi/menurunkan kekerasannya. Ada 2 jenis aging, yaitu: a. Artificial Aging, dilakukan dalam furnace pada suhu tertentu untuk waktu tertentu (misalnya pada 150 oC selama 3 jam, atau pada 250 oC selama 1,5 jam). Selesai pemanasan dalam furnace, dikeluarkan agar dingin dan dapat langsung dipakai. Zero Aging (Artificial aging pada suhu rendah), dilakukan pendinginan pada suhu < 0 o



C untuk waktu yang cukup lama. Tujuannya adalah untuk menghambat proses



rekristalisasi. Proses ini bukan merupakan proses artificial aging yang sebenarnya dan biasanya dilakukan pada rivet duralumin jenis/tipe tertentu. b. Natural Aging, dilakukkan dalam udara terbuka (suhu ruang) selama minimal 3x24 jam. Pada proses natural aging ini, benda kerja dapat diperbaiki bentuknya menggunakan cetakan aslinya dengan sedikit pukulan ringan.



C. CARA PENENTUAN SUHU HEAT TREATMENT BAJA Untuk menentukan berapa suhu yang harus diambil, mula-mula harus diketahui diketahui proses apa yang berlangsung, apakah annealing, normalizing, quenching atau forging. © 2012 - Irfan Purnawan, ST, MChemEng Jurusan Teknik Kimia - Universitas Muhammadiyah Jakarta



Hal 3 dari 8



- Bahan Ajar Mata Kuliah Bahan Konstruksi Teknik Kimia -



(1) Annealing: proses penurunan kekerasan/stress releafing dari logam (baja) secara total (2) Normalizing: proses untuk memperbaiki susunan kristal (baja) sebelum dilakukan rehardening (pengerasan ulang) (3) Quenching: proses penndinginan secara tiba-tiba (kejut) pada baja yang sudah dilakukan proses pengerasan dengan pemanasan hingga suhu tertentu. (4) Forging: proses pengecoran baja pada kondisi cair ke dalam cetakan (pasir dsb) Bila sudah diketahui proses apa yang berlangsung, maka suhu dapat ditentukan dengan bantuan diagram Fe-C. Untuk itu, perlu diketahui komposisi kimia dari baja, khususnya kadar karbon dalam baja. Dengan plotting pada diagram Fe-C, dapat dicari suhu yang sesuai dengan proses. Misalnya: a. Baja dengan kadar C = 0,5 %, maka suhu hardening (proses pemanasan) sebelum bk dikejutkan di dalam oil bath, adalah ± 1510 oF atau sekitar 821 oC. b. Baja dengan kadar C = 0,35 % (misalkan SAE 4135), karena salah proses pengerasannya, kekerasan tidak tercapai, sehingga dilakukan hardening ulang. Sebelumnya bk perlu dinormalkan kembali dengan pemanasan pada suhu ± 1700 oF, atau sekitar ± 927 oC.



D. CASE HARDENING Proses pengerasan permukaan luar baja sampai kekerasan tertentu, tetapi tidak sampai mengeraskan bagian dalam baja tersebut. Ketebalan bagian permukaan yang dikeraskan ± 15 µ. (1) Carburizing, proses pengerasan permukaan baja oleh atom-atom C dari sumber C aktif. (2) Nitriding, proses pengerasan permukaan baja oleh atom-atom N dari sumber gas Nitrogen atau NH3. (3) Cyaniding, proses pengerasan permukaan baja oleh atom-atom C dan N bersama-sama dengan sumber C dan N dari garam Cyanida.



© 2012 - Irfan Purnawan, ST, MChemEng Jurusan Teknik Kimia - Universitas Muhammadiyah Jakarta



Hal 4 dari 8



- Bahan Ajar Mata Kuliah Bahan Konstruksi Teknik Kimia -



PEMERIKSAAN DAN PENGUJIAN KUALITAS LOGAM



Pengujian bahan bertujuan mengetahui sifat-sifat mekanik bahan atau cacat pada bahan/produk, sehingga pemilihan bahan dapat dilakukan dengan tepat untuk suatu keperluan. Cara pengujian bahan dibagi dalam dua kelompok yaitu pengujian dengan merusak (destructive test) dan pengujian tanpa merusak (non destructive test). Pengujian dengan merusak dilakukan dengan cara pembebanan/penekanan terhadap benda uji sampai rusak, dari pengujian ini akan diperoleh informasi tentang kekuatan dan sifat mekanik bahan. Sementara, pengujian tanpa merusak dilakukan dengan cara memberi perlakuan tertentu terhadap bahan uji atau produk jadi sehinga diketahui adanya cacat pada benda uji/produk tsb, baik berupa retak, rongga dan lain-lain. Pengujian dengan merusak (destructive test) terdiri dari: 1. Pengujian Kekerasan (Hardness Test) 2. Pengujian Tarik (Tensile Test) 3. Pengujian Lentur/Bengkok (Bending Test) 4. Pengujian Pukul (Impact Test) 5. Pengujian Puntir (Torsion Test) 6. Pengujian Tekan (Compressed Test) 7. Pengujian Lelah (Fatigue Test)



Pengujian tanpa merusak (non destruktive test) terdiri dari: 1. Dye Penetrant Test 2. Fluoresence Penetrant Test 3. Electro Magnetic Test 4. Eddy Current Crack Test 5. Ultrasonic Test 6. Radiography (Sinar-X dan Sinar-)



Pengujian Bahan untuk mengetahui struktur mikro dan komposisi bahan dilakukan dengan cara Metalografis dan Spectrograf. Pengujian tersebut di atas memerlukan piranti keras maupun piranti lunak yang baku dan terstandar, sehingga hasil pengujian dapat diterima berbagai kalangan dan dapat dijadikan acuan sebagai data dalam perancangan sistem maupun produk.



© 2012 - Irfan Purnawan, ST, MChemEng Jurusan Teknik Kimia - Universitas Muhammadiyah Jakarta



Hal 5 dari 8



- Bahan Ajar Mata Kuliah Bahan Konstruksi Teknik Kimia -



SIFAT-SIFAT MEKANIK BAHAN LOGAM Sifat-sifat mekanik bahan sangat dipengaruhi oleh jenis dan komposisi bahan logam serta perlakuan terhadap bahan tersebut. Sifat sifat mekanik logam terebut antara lain, keras (hardness), Liat (ductile), lunak (malleable), tangguh (toughness). Bahan logam dikatakan keras apabila memiliki ketahanan terhadap penetrasi trahadap logam lain atau bahan pembanding standar (sebagai contoh bahan pembanding adalah intan), atau memiliki kemampuan melakukan penetrasi terhadap logam lain (contoh baja HSS atau HCS, baja karbida). Bahan Logam dikatakan Liat apabila memiliki kemampuan dibentuk dengan proses penarikan dingin tanpa putus (contoh tembaga). Bahan logam dikatakan lunak apabila mampu dibentuk dengan proses penekanan dingin tanpa pecah/retak (contoh timah). Bahan logam dikatakan tangguh apabila mampu menahan pembebanan gabungan dan berulang dalam rentang waktu tertentu tanpa rusak. Sifat-sifat mekanik tersebut dapat dirubah apabila kita merubah komposisi bahan tersebut atau memberikan perlakuan panas terhadap bahan tersebut. Bila dikaitkan dengan proses produksi, maka sifat bahan bisa dikategorikan mampu mesin (machineability) atau tidak mampu mesin, serta mampu bentuk atau tidak mampu bentuk. Apabila bahan dapat dikerjakan dengan mudah pada mesin konvensional (mesin produksi yang mamakai alat potong dan menghasilkan tatal), disebut mampu mesin. Logam mampu bentuk apabila dapat dibentuk dengan proses penekanan tanpa retak atau pecah. Sifat-sifat bahan logam tersebut di atas dapat diketahui dengan cara melakukan pengujian-pengujian bahan yang akan dibahas berikut ini. A. PENGUJIAN MERUSAK (Destructive Test) 1) Pengujian Kekerasan (Hardness Test) Kekerasan adalah kemampuan bahan menahan penetrasi/penusukan/goresan dari bahan lainya (biasanya bahan pembanding standar, contoh: intan), sampai terjadi deformasi tetap. Skala Mohs Mohs telah menetapkan urutan skala kekerasan beberapa bahan sebagai berikut: Bahan Grafit Talk Kapur Batu Kapur Spaat lumer Apatit Baja Lunak



Skala kekerasan 0,5 – 1 1 2 3 4 5 Kira-kira 6



Bahan Spaat Kwarsa Topaz Baja dikeraskan Korundum Intan



Skala kekerasan 6 7 8 Kira-kira 8 9 10



Daftar di atas menunjukan bahwa Intan merupakan bahan paling keras dengan skala kekerasan 10, artinya intan mampu melukai/menggores bahan lainya secara



© 2012 - Irfan Purnawan, ST, MChemEng Jurusan Teknik Kimia - Universitas Muhammadiyah Jakarta



Hal 6 dari 8



- Bahan Ajar Mata Kuliah Bahan Konstruksi Teknik Kimia -



permanen. Jadi bahan dengan skla kekerasan tinggi mampu melakukan penetrasi terhadap bahan lainya dengan skala kekerasan lebih rendah. Uji kekerasan dapat dilakukan dengan berbagai alat uji kekerasan (Hardness Tester), seperti Brinell Hardness Tester (BHT), Rockwell Hardness Tester (RHT), Vickers Hardness Tester (VHT), Shore Durometer Hardness Tester (SDHT), Scleroscope Hardness Tester (SHT), Webster Hardness Tester (WHT) dan Barcol Hardness Tester (BaHT). a) Brinell Hardness Tester (BHT) Pengujian kekerasan Brinell dilaksanakan oleh alat uji Brinell, dengan memakai penetrator (identor) bola baja yang dikeraskan. Bola baja tersebut ditekan terhadap benda uji dengan beban standar, sampai menimbulkan bekas/tapak penekanan yang tetap. Ukuran kekerasan Brinell dihitung dengan cara beban yang diberikan dibagi luas tapak tekan. Kekerasan Brinell (Brinell Hardness Number/BHN), dengan satuan Kg/mm2 AP Dimana P = Beban (Kg) dan A = Luas tapak tekan (mm2) Pengujian Brinell diperuntukan menguji bahan-bahan logam lunak, non ferro atau baja lunak /mild steel, jangan dipakai untuk logam keras (di atas 400 BHN) sebab akan merusak identor. Untuk menghasilkan pengujian yang akurat, harus tepat dalam memilih identor dan pembebanan serta memperhatikan syarat syarat tertentu. Pemilihan Identor terhadap tebal benda uji terlihat pada table berikut: Tebal Benda uji 3 – 6 mm 6 – 10 mm Lebih 10 mm



Diameter Identor 2,5 mm 5 mm 10 mm



Penentuan beban penekanan terhadap jenis bahan yang diuji dan waktu pembebanan. Bahan benda uji Baja Lunak Logam non Ferro dan paduannya Logam Lunak (Timah)



Beban ( Kg) P = 30 D2 P = 5 D2 P = 2,5 D2



Waktu 15 detik 30 detik 100 detik



Dari proses penekanan akan dihasilkan tapak tekan pada permukaan benda uji, tapak tekan tersebut diproyeksikan pada layar mesin dengan perbesaran 10 kali sampai 50 kali, diameter tapak tekan kemudian diukur pada layar dengan memakai alat ukur dengan skala yang sesuai. Pengukuran dilakukan sampai tapak tekan membekas dengan permanen. Selanjutnya dihitung luas tapak tekan dengan rumus:



© 2012 - Irfan Purnawan, ST, MChemEng Jurusan Teknik Kimia - Universitas Muhammadiyah Jakarta



Hal 7 dari 8



- Bahan Ajar Mata Kuliah Bahan Konstruksi Teknik Kimia -



√



(



(



√



)



)



(



)



Contoh penulisan Hasilnya ditulis: BHN 10/3000/15 = 300 Artinya:



BHN



= Brinell Hardness Number



10



= Diameter Bola Baja Identor 10 mm



3000



= Beban 3000 Kg



15



= Penahanan Beban 15 detik



Hal yang harus diperhatikan agar pengujian akurat o



Benda uji dipersiapkan dengan baik, permukaannya harus halus, rata, sejajar dan terbebas dari kotoran.



o



Pemilihan bola baja, Beban dan tebal benda uji harus sesuaiWaktu Pembebanan harus sesuai



o



Pengujian lebih dari 3 kali penekanan, jarak penekanan satu dengan lainya harus lebih besar dari 1,5 diameter Identor



o



Pengukuran tapak tekan harus cermat.



Temuan empirik berlaku khusus untuk baja lunak: terdapat hubungan Kekuatan Tarik dan kekerasan Brinell;



= 0,35 BHN



b) Rockwell Hardness Tester (RHT) c) Vickers Hardness Tester (VHT) d) Shore Durometer Hardness Tester (SDHT) e) Scleroscope Hardness Tester (SHT) f) Webster Hardness Tester (WHT) g) Barcol Hardness Tester (BaHT).



© 2012 - Irfan Purnawan, ST, MChemEng Jurusan Teknik Kimia - Universitas Muhammadiyah Jakarta



Hal 8 dari 8