Perlakuan Panas Pada Logam [PDF]

Citation preview

PERLAKUAN PANAS PADA LOGAM (HEAT TREATMENT) Perlakuan panas pada logam (Heat treatment) merupakan ilmu yang mempelajari tentang perubahan sifat dan struktur pada logam akibat pemberian panas pengaturan laju pendinginan untuk mendapatkan perubahan fasa (struktur), guna meningkatkan kemampuan bahan sehingga bertambahnya daya guna/fungsi teknik dari bahan tersebut.Secara umum, perlakuan panas pada logam akan berhubungan erat dengan tiga hal : temperatur, waktu, dan komposisi.



Logam tersusun dari atom – atom yang memiliki ikatan metalik. Setiap atom yang berikatan metalik akan membentuk satu kristal. Kristal ini memiliki struktur dan orientasi sendiri bergantung sumbu terbentuknya kristal tersebut, dan setiap kristal yang berada dalam satu orientasi akan berkumpul membentuk satu butir. Struktur kristal dipengaruhi oleh jumlah elemen paduan yang mampu menyelinap di sela – sela ikatan atom, atau disekitar kristal satu dengan yang lain. Selain jumlah, ukuran pun penting untuk menentukan apakah elemen paduan tersebut menyelinap (interstisi), atau mengganti (substitusi). Atom itu tidak diam, tapi bergerak. Atom dalam setiap logam mampu bergerak dan berpindah tempat disebabkan oleh dua hal : Kondisi energi yang diberikan (diwakilkan oleh temperatur) dan komposisi elemen paduan (diwakilkan oleh persen berat unsur). Secara alamiah, suatu lingkungan yang padat akan cenderung mencari kestabilan dengan mengurangi kepadatannya menuju lingkungan lain yang kurang padat. Itu adalah proses difusi; dipengaruhi oleh gradien komposisi. Namun, 1



untuk bisa berpindah, butuh energi. Kombinasi dari keduanya, maka kita akan mendapatkan ilmu pertama dari Ilmu dan Teknik Material : Diagram Fasa.



Komponen Diagram Fasa



Diagram fasa dibuat oleh dua orang, yang bernama Elliot J.F. dan Benz M.G. pada tahun 1949. Diagram ini, tidak dibuat dalam semalam, tapi selama bertahun – tahun, dan mengalami penyempurnaan hingga tahun 1992 oleh Springerlink. Komponen dari diagram fasa ada dua : komposisi karbon (sumbu X) dan temperatur (sumbu Y). Di tengah diagram tersebut ada “peta” dari jenis fasa yang terbentuk. Keterangan dari tulisan yang ada disana akan dijelaskan di bawah.



2







Delta Iron (Delta Ferrite)



Delta Iron merupakan fasa yang terbentuk dan stabil pada temperatur sekitar 1500 derajat celcius. Pada daerah ini, karbon yang bisa menjadi interstisi didalam besi maksimal sekitar 0.09%. Fasa delta ini cenderung lunak dan tidak stabil pada suhu kamar. Struktur kristal yang terbentuk adalah BCC. Gambar di sebelah kanan menunjukkan gambar struktur mikro Delta Iron yang di etching (digores) menggunakan teknik metalurgi khusus pada baja stainless steel. 



Ferrite (α)



Ferrite (α) merupakan fasa yang terbentuk pada temperatur sekitar 300-723 derajat celcius. Pada daerah ini, kelarutan karbon maksimalnya adalah 0,025% pada temperatur 725 derajat celcius, dan turun drastis menjadi 0% pada 0 derajat celcius. Fasa ini biasa terjadi bersamaan dengan cementite, membentuk pearlite pada pendinginan lambat. Fasa ini lunak, dan memberikan 3



kemampuan bentuk pada logam. Gambar ini menunjukkan struktur fasa ferrite yang berwarna hitam, dan austenite yang berwarna putih. Hal ini menunjukkan bahwa, selain lunak, ferrite sendiri cenderung lebih mudah berkarat dibandingkan austenite. 



Cementite (Fe3C)



Cementite merupakan fasa intermetalik yang terbentuk pada logam dengan kelarutan karbon maksimal 6,67 %. Kelarutan karbon yang tinggi memberikan sifat keras pada fasa ini, dan berkontribusi bersama dengan ferrite untuk menentukan kekuatan dari suatu logam. Gambar ini menunjukkan fasa cementite yang didapatkan dari proses pendinginan lambat baja cor putih. 



Pearlite (α + Fe3C)



Pearlite ialah campuran Eutectoid antara Ferrite dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 723 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 0,83%C Pearlite dianggap sebagai satu fasa sendiri, karena memberikan kontribusi sifat yang seragam. Seperti dijelaskan di atas, di dalam satu fasa, biasa terbentuk dalam satu butir. Namun, untuk Pearlite berbeda, karena ada dua 4



fasa dalam satu butir. Karena butir berukuran lebih besar dari ukuran fasa Ferrite dan Cementite itu sendiri (ukuran terkecil yang bisa dikarakterisasi sebesar ukuran indentasi dari uji keras mikro vickers, sekitar 50 mikron), maka Pearlite, atas kesepakatan bersama para ahli material, digolongkan sebagai satu fasa dalam satu butir. Pearlite memiliki morfologi mirip seperti lapisan (lamellae) antara Ferrite (hitam) dan Cementite (putih). Pada ini, bisa dilihat struktur mikro dari pearlite tersebut. •



Austenite (γ)



Gamma Iron merupakan fasa yang terbentuk pada terbentuk pada temperatur 1140 derajat celcius, dengan kelarutan karbon 2,08%. Kelarutan karbon akan turun menjadi o,08% pada 723 derajat celcius. Fasa ustenite terlihat jelas pada gambar di bagian Ferrite di atas, berwarna putih. Hal ini menunjukkan bahwa fasa ini memiliki ketahanan karat yang lebih baik daripada fasa yang lain. Austenite merupakan fasa yang tidak stabil di temperatur kamar, sehingga dibutuhkan komposisi paduan lain yang akan berungsi sebagai penstabil fasa austenite pada temperatur kamar, contohnya adalah mangan (Mn). 



Eutectic, Hypo-eutectoid dan hyper-eutectoid



Seperti kata Human (manusia) dan Humanoid (seperti-manusia), maka daerah pendinginan pun memiliki dua garis mendatar : eutectoic dan eutectoid (eutectic-like). Kedua garis isotermal ini menunjukkan perubahan fasa yang berbeda : Eutectic [L -> γ+Fe3C] dan Eutectoid [γ->α+Fe3C]. Titik eutectoid terletak pada garis komposisi 0,8 % karbon, sedangkan titik eutectic terletak pada garis komposisi 4% karbon. Biasanya, baja yang terletak pada daerah eutectoid disebut baja karbon, sedangkan pada daerah 4% karbon disebut baja cor. Pada baja karbon, ada baja karbon yang kandungan karbonnya rendah (dibawah 0,8%) dan tinggi (diatas 0,8%). Dengan kesepakatan bersama, baja dengan kandungan karbon dibawah 0,8% disebut baja karbon rendah, medium, dan tinggi, sedangkan baja dengan kandungan karbon diatas 0,8% disebut baja saja (steel).



5



Klasifikasi Proses heat treatmen terdiri dari 2 pendekatan 1.Near Equilibrium(Mendekati Kesetimbangan) 2.Non Equilibrium (Tidak setimbang)



Near Equilibrium(Mendekati Kesetimbangan) Tujuan dari perlakuan panas Near Equilibrium adalah : a. Melunakkan struktur kristal b. Menghaluskan butir c. Menghilangkan tegangan dalam d. Memperbaiki machineability. Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium, misalnya : Full Annealing (annealing) Stress relief Annealing Process annealing Spheroidizing Normalizing Homogenizing.



Non Equilirium(Tidaksetimbang) Tujuan dari perlakuan



panas



Non Equilibrium adalah untuk mendapatkan kekerasan dan



kekuatan yang lebihtinggi. Jenis dari perlakukan panas Non Equibrium, misalnya: Hardening empering Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction hardening)



6



Beberapa Macam Proses Heat Treatment dan Kegunaannya, diantaranya adalah 1. Proses normalizing



Proses normalizing sendiri adalah proses perlakuan panas terhadap baja dengan tujuan mendapatkan struktur, butiran yang halus dan seragam untuk menghilangkan tegangan dalam akibat pengerjaan dengan mesin. Proses penormalan umumnya diterapkan pada baja karbon dan baja paduan rendah. Kekerasan yang akan diperoleh dari perlakuan ini tergantung pada ukuran, komposisi baja serta laju pendinginan. Normalizing tidak dapat diterapkan pada jenis baja yang dapat dikeraskan di udara. Tujuan dari proses normalizing ini adalah untuk memperhalus butir, memperbaiki mampu mesin, menghilangkan tegangan sisa yaitu, dan memperbaiki sifat mekanik baja karbon struktural dan baja-baj paduan rendah.



Secara umum proses normalizing ini dilakukan dengan dengan cara memanaskan baja 850 derajat sampai 900 derajat, kemudian setelah suhu merata didinginkan diudara.



7



Manfaat dari proses normalizing ini adalah antara lain :



 Menghilangkan struktur yang berbutir kasar yang diperoleh dari proses pengerjaan yang sebelumnya di alami oleh baja



 Mengeliminasi struktur yang kasar yang diperoleh dari akibat pendinginan yang lambat pada proses anil



 Menghaluskan ukuran ferit dan pearlite  Memodifikasi dan menghaluskan struktur cor dendritik  Penormalan dapat mencegah distorsi dan memperbaki mampu mesin-mesin baja paduan yang dikarburasi karen atemperatur penormalan lebih tinggi dari temperatur pengkarbonan



 Penormalan dapat memperbaiki sifat-sifat mekanik



2. Full annealing (annealing) Proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan sampai austenitisasi dan didinginkan dalam furnace. Tujuan untuk memperbaiki ukuran butir dan machinibility . Pada proses full annealing ini biasanya dilakukan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (pada baja hypoeutectoid , 25 C - 50 C). 2. Dilanjutkan proses pendinginan yang cukup lambat (biasanya dalam furnace atau dalam bahan yang mempunyai sifat penyekat panas yang baik). Baja yang mengalami pemanasan sampai temperatur terlalu tinggi ataupun waktu tahan (holding time) terlalu lama biasanya butiran kristal austenitenya akan kasar dan bila didinginkan dengan lambat akan menghasilkan ferrit atau pearlite yang kasar sehingga sifat mekaniknya juga kurang baik (akan lebih getas).



8



3. Stress relief Annealing Yaitu proses menghilangkan tegangan sisa dari suatu bahan dengan memanaskan kemudian ditahan beberapa waktu lalu dilakukan dengan pendinginan perlahan-lahan.  Tujuannya adalah untuk menghilangkan tegangan sisa selama proses fabrikasi.  Perlu diingat bahwa baja dengan kandungan karbon dibawah 0,3% C itu tidak bisa dikeraskan dengan membuat struktur mikronya berupa martensite.  Agar kekerasannya meningkat tetapi struktur mikronya tidak martensite, dapat dilakukan dengan pengerjaan dingin (cold working) tetapi perlu diingat bahwa efek dari cold working ini akan timbul yang namanya tegangan dalam atau tegangan sisa  Untuk menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress relief Annealing.



4. Hardening  Memanaskan suatu bahan hingga diatas suhu transformasi (723 C) kemudian didinginkan secara cepat, melalui media pendingin seperti air, oli atau media pendingin lainnya  Tujuannya adalah untuk mengeraskan bahan.



5. Tempering  Proses hardening menghasilkan struktur martensit yang sangat brittle, maka jarang digunakan dalam aplikasi. Perlu mekanisme perlakuan panas agar martensit yang telah terbentuk dapat dimodifikasi sifatnya dan dihasilkan baja yang lebih tangguh (tough). Mekanisme ini disebut dengan tempering.  Proses ini terdiri atas dua tahap, dimana di dalamnya terjadi reduksi kadar karbon dalam martensit hingga 0.3%. Kekerasan baja menurun dan keuletannya (ductility) meningkat, maka dapat dihasilkan baja yang lebih tangguh.



9



6. Aging (Precipitation Hardening) •



Proses pemanasan kembali bahan yang telah dikeraskan, Suhu pemanasannya relatif rendah yaitu dibawah suhu transformasi eutektoid.



•



Tujuannya adalah untuk mengurangi kekerasan bahan sehingga keuletan (ketangguhan) bahan tersebut dapat naik.



7. Speroidisasi (Spherodizing) Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan struktur carbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks ferrite. Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki machinibility pada baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja hypereutectoid yang dianneal itu mempunyai struktur yang terdiri dari pearlite yang “terbungkus” oleh jaringan cemented. Adanya jaringan cemented (cemented network) ini meyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibility rendah. Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus dihancurkan dengan proses spheroidizing. Spheroidizing ini dilaksanakan dengan melakukan pemanasan sampai disekitar temperature kritis A1 bawah atau sedikit dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam waktu yang lama (sekitar 24 jam) baru kemudian didinginkan. Karena berada pada temperature yang tinggi dalam waktu yang lama maka cemented yang tadinya berbentuk plat atau lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere) yang disebut dengan spheroidite yang tersebar dalam matriks ferrite.



10



Jenis- jenis Pengerasan permukaan 1. karburasi Cara ini sudah lama dikenaloleh orang sejak dulu. Dalam cara ini, besi dipanaskan suhu dalam lingkungan yang mengandung karbon, baik dalan bentuk padat,



di atas



cair ataupun gas.



Beberapa bagian dari cara kaburasi yaitu kaburasi padat, kaburasi cair dan karburasi gas. 2. karbonitiding Adalah suatu proses pengerasan permukaan dimana baja dipanaskan di atas suhu kritis di dalam lingkungan gas dan terjadi penyerapan karbon dan nitrogen. Keuntungan karbonitiding adalah kemampuan pengerasan lapisan luar meningkat bila ditambahkan nitrogen sehingga dapat diamfaatkan baja yang relative murah ketebalan lapisan yang tahan antara 0,80 sampai 0,75 mm. 3. Cyaniding Adalah proses dimana terjadi absobsi karbon dan nitrogen untuk memperoleh specimen yang keras pada baja karbon rendah yang sulit dikeraskan. Proses ini tidak sembarang dilakukan dengan sembarang .Penggunaan closedpot dan hood ventilasi diperlukan untuk cyaniding karena uap sianida yang terbentuk sangat beracun. 4.



Nitriding



Adalah proses pengerasan permukaan yang dipanaskan sampai ± 510°c dalam lingkungan gas ammonia selama beberapa waktu. Metode pengerasan kasus ini menguntungkan karena fakta bahwa kasus sulit diperoleh dari pada karburasi. Banyak bagian-bagian mesin seperti silinder barrel and gear dapat dikerjakan dengan cara ini. Proses ini melibatkan theexposing dari bagian untuk gas amonia atau bahan nitrogen lainnya selama 20 sampai 100 jam pada 950 ° F. The inwhich kontainer pekerjaan dan gas Amoniak dibawa dalam kontak harus kedap udara dan mampu mempertahankan suhu sirkulasi andeven.



11



Faktor- faktor yang mempengaruhi laju pendinginan media pendingin 1.



Densitas



semakin tinggi densitas suatu media pendingin, maka semakin cepat proses pendinginan oleh media pendingin tersebut. 2.



Viskositas



Semakin tinggi viskositas suatu media pendingin, maka laju pendinginan semakin lambat, Viskositas adalah sebuah ukuran penolakan sebuah fluid terhadap perubahan bentuk di bawah tekanan shear. Biasanya diterima sebagai "kekentalan", atau penolakan terhadap penuangan. Viskositas menggambarkan penolakan dalam fluid kepada aliran dan dapat dipikir sebagai sebuah cara untuk mengukur gesekan fluid. Air memiliki viskositas rendah, sedangkan minyak sayur memiliki viskositas tinggi.



Pengaruh Viskositas dan Density berdasarkan media pendingin: a.



Air garam



Air memiliki viskositas yang rendah sehingga nilai kekentalan cairan kurang, sehingga laju pendinginan cepat dan massa jenisnya lebih besar dibandingkan dengan media pendingin lainnya seperti air,solar,oli,udara, sehingga kecepatan media pndingin besar dan makin cepat laju pendinginannya. b.



Air



Air memiliki massa jenis yang besar tapi lebih kecil dari air garam, kekentalannya rendah sama dengan air garam. Laju pendinginannya lebih lambat dari air garam. c.



Solar



Solar memiliki viskositas yang tinggi dibandingkan dengan air dan massa jenisnya lebih rendah dibandingkan air sehingga laju pendinginannya lebih lambat. d.



Oli



Oli memiliki nilai viskositas atau kekentalan yang tertinggi dibandingkan dengan media pendingin lainnya dan massa jenis yang rendah sehingga laju pendinginannya lambat. Udara tidak memilki viskositas tetapi hanya memiliki massa jeni sehingga laju pendinginannya sangat lambat.



12



Kurva Pendinginan



13



 Kurva pendinginan 1 menggambarkan pendinginan yang sangat lambat (seperti pada annealing konvensional), baja akan memulai bertransformasi pada titik A1 dan selesai pada A1’, dan akan



menghasilkan perlit kasar. Ini terjadi karena transformasi



berlangsung pada temperatur yang sangat tinggi. Kekerasannya sekitar Rc 15.  Kurva pendinginan 2 menggambarkan pendinginan seperti pada annealing”, proses dilakukan dengan bawah temperatur



proses “isothermal



mendinginkan cepat sampai ke temperatur di



kritis (diatas daerah nose diagram). Pada kurva 2 transformasi



berlangsung pada temperatur yang lebih rendah, akan dihasilkan perlit yang lebih halus, kekerasan sekitar Rc 30.  Kurva pendinginan 3 menggambarkan pendinginan yang agak cepat,



seperti pada



normalizing. Disini tampak bahwa transformasi dimulai dan selesai pada temperatur yang berbeda, sehingga akan diperoleh perlit dengan ukuran butir yang bervariasi. Yang terjadi pada temperatur lebih tinggi akan lebih kasar dan yang terjadi pada temperatur lebih rendah akan lebih halus, sehingga ada sebagian perlit kasar dan sisanya perlit medium. • Perlit yang lebih halus akan dihasilkan dengan kurva pendinginan 4 yang lebih cepat lagi, seperti pada quench.  Kurva pendinginan 5, pendinginan yang cukup cepat, transformasi menjadi perlit mulai lebih awal, tetapi akan berhenti ketika kurva pendinginan



menyinggung kurva



transformasi 25% (transformasi baru berlangsung 25%). Transformasi akan mulai lagi ketika mencapai temperatur Ms, austenit akan menjadi martensit. Sehingga setelah akhir transformasi akan diperoleh 25% perlit dan 75% martensit.  Kurva pendinginan 6 menggambarkan pendinginan yang sangat cepat, seperti pada water quench. Tidak terjadi transformasi sebelum mencapai



temperatur Ms, transformasi



selesai pada temperatur Mf, struktur seluruhnya martensit. Struktur yang seluruhnya martensit juga masih dapat dicapai dengan laju pendinginan yang sedikit lebih lambat, tetapi paling tidak laju pendinginannya harus seperti kurva pendinginan 7, bila lebih lambat akan ada sebagian austenit yang menjadi perlit. Karena itu laju pendinginan yang



14



tepat menghasilkan 100% martensit disebut laju pendinginan kritis atau Critical Cooling Rate (CCR).  Pada baja karbon bainit baru dapat diperoleh bila dilakukan pendinginan



secara



isothermal, seperti pada kurva pendinginan 8. cara seperti ini dilakukan pada proses austempering.



15



DAFTAR PUSTAKA



http://www.scribd.com/doc/180726155/MENGENAL-PERLAKUAN-PANAS-HEATTREATMENT-PADA-BAJA-doc http://share.its.ac.id/pluginfile.php/2052/mod_resource/content/1/3._HEAT_TREATMENT.pdf http://rusman-buru.blogspot.com/2012/09/makalah-diagram-fasa.html http://cyberships.wordpress.com/2012/06/02/proses-perlakuan-panas-pada-baja/



16