5.1. Perlakuan Panas (Heatretment)
Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat fisis logam tersebut. Baja dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan memotong meningkat, atau baja dapat dilunakkan untuk memudahkan permesinan lebih lanjut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, besar butir diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras di sekeliling inti yang ulet. Untuk memungkinkan perlakuan panas yang tepat, susunan kimia baja harus diketahui karena perubahan komposisi kimia, khusunya karbon dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat fisis.
Di samping karbon, baja paduan umumnya mengandung nikel, chromium, mangan, molibden, tungsten, silicon, vanadium dan tembaga. Karena sifat-sifatnya lebih unggul, baja paduan memiliki kegunaan yang lebih luas dibandingkan dengan baja karbon biasa.
Dalam bab ini akan dibahas dasar-dasar perlakuan panas baja karbon. Laju pendinginan merupakan faktor pengendali; pendinginan yang cepat, lebih cepat dari pada pendinginan kritis akan menghasilkan struktur yang keras, pendinginan yang lambat akan mengghasilkan struktur yang lebih lunak.
5.2 Struktur Besi Murni
c. Titik Perhentian pada Pemanasan Besi Murni
 |
a. Struktur Baja yang tidak dipadu
Baja yang memperoleh sifatnya seperti kekerasan, kekuatan, dan kesudian regang terutama berkat zat arang, disebut tidak dipadu (bukan paduan). Tidak hanya intensitas zat arang, melainkan juga cara mengadakan ikatan dengan besi mempengaruhi sifat baja.
Di dalam baja yang didinginkan sangat lambat menuju suhu ruangan (keadaan baja pada waktu pengiriman dari pabrik baja) dibedakan 3 bentuk utama kristal ;
a) Ferrit, kristal besi murni (ferrum = Fe). Mereka terletak rapat saling mendekap. Tidak teratur, baik bentuk maupun besarnya. Ferrit merupakan bagian baja yang paling lunak. Ferrit murni tidak akan cocok andaikata digunakan sebagai bahan untuk benda kerja yang menampung beban karena kekuatannya kecil (gambar 5-3a).
b) Karbida besi (Fe3C). suatu senyawa kimia antara besi (fe) dengan zat arang (C). Sebagai unsur struktur tersendiri, ia dinamakan sementit dan mengandung 7,6% zat arang (C). Rumus kimia Fe3C menyatakan bahwa senantiasa ada 3 atom besi yang menyelenggarakan ikatan dengan sebuah atom zat arang (C) menjadi sebuah melekul karbida besi. Dengan meningkatnya kandungan C, maka memperbesar pula kandungan sementit (gambar 3). Sementit dalam baja, merupakan unsure yang paling keras (Fe3C 270 kali lebih keras dari besi murni). Zat arang bebas hanya terdapat dalam besi tuang (grafit).
Gambar 5.3 Tampak struktur baja zat arang.
a).ferrit …0,0%C; b).ferrit + perlit …0,10%C; c).ferrit + perlit …0,06%C; d).ferrit + perlit …0,45%C; e).ferrit + perlit …0,60%C; f).perlit lamillar …0,85%C; g).perlit + sementit …1,1%C; h).perlit + sementit …1,5%C.
c) Perlit, kelompok campuran erat antara ferrit dan sementit dengan kandungan zat arang seluruhnya sebesar 0,8%. Dalam struktur perlitis, semua kristal ferrit dirasuki serpih sementit halus yang memperoleh penempatan saling berdampingan dalam lapisan tipis mirip lamel. Tampak pengasahan perlit menunjukkan jalur hitam (Fe) dan terang (Fe3C) dengan kilapan mirip mutiara, dari asal penyebutan perlit (gambar 3f).
Menurut kadar kandungan zat arang dibedakan tiga kelompok utama baja bukan paduan (gambar 4) ;
a) Baja dengan kandungan karbon < 0,8% (baja bawah eutektoid), himpunan ferrit dan perlit (bawah perlitis).
b) Baja dengan 0,8%C (baja eutektoid atau perlitis), terdiri atas perlit murni.
c) Baja dengan kandungan karbon > 0,8% (baja atas eutektoid), himpunan perlit dan sementit (atas perlitis).
Gambar 5.4. Kandungan zat arang baja dan penggunaannya.
Zat arang yang kadarnya melampaui 0,8% mengendap sebagai karbid besi terang membentuk kulit pada batas butiran kulit perlitis yang lebih gelap dan menyelebunginya menyerupai jaringan (sementit sekunder). Baja demikian mempunyai sifat keras dan berbutir kasar.
Jika kandungan C melampaui 2,06%, maka kulit karbid tidak menjadi lebih tebal, melainkan karbid besi yang berlebih membentuk butir karbid keras berbentuk bola (ledeburit) yang tersebar tidak beraturan dalam struktur dasar (ikatan besi zat arang ledeburit). Ikatan besi-zat arang ini kehilangan kesudian tempanya karena butir karbid yang keras itu tidak larut hingga titik lebur. Mulai 2,06% C terbentuk besi tuang.
b. Peralihan wujud struktur baja bukan paduan akibat panas
Melalui perlakuan panas, struktur baja-baja berubah. Tinjauan mengenai berbagai keadaan struktur yang tergantung kepada zat arang dan suhu ditampilkan oleh diagram besi zat arang (gambar 5.5).
Gambar 5.5 Diagram besi zat arang dengan kandungan C 2,06%.
a. Peralihan wujud struktur baja bukan paduan akibat panas.
Jika baja mengandung C 0,8% dipanaskan lambat laun, maka pada 723O C karbid besi terurai menjadi besi dan zat arang. Zat arang yang kini menjadi bebas melarut di dalam besi. Oleh karena kemampuan untuk melarutkan zat arang hanya dimiliki besig maka akibat adanya zat arang, suhu peralihan wujud untuk keadaan g diturunkan dari 906O C menjadi 723O C. Pusat dadu kisi besi g kini kosong. Dalam pada itu sebuah atom zat arang menduduki pusat dadu g yang terpusat bidang. Karena larutan ini terjadi pada suhu ketika baja masih padat, struktur ini disebut juga larutan padat atau austenit. Baja eutektoid (0,8%C) beralih kelarutan padat (austenit) pada saat melampaui suhu 723O C.
Pada suatu baja bawah eutektoid (kandungan C lebih kecil dari 0,8%), austenit dan kristal ferrit berada di atas garis P-S. Jika suhu terus ditingkatkan, maka kristal ferrit melarut di dalam austenit. Pada saat melampaui garis suhu G-S, semua kristal ferrit telah larut sehingga timbul struktur austenit murni. Suhu yang diperlukan untuk ini akan semakin tinggi, sehingga semakin rendah kandungan zat arang di dalam baja.
Pada suatu baja atas eutektoid (kandungan C di atas 0,8%), austenit dan kristal karbid berada di atas garis S-K. Jika suhu naik, maka kristal karbid besi (sementit) melarut di dalam larutan padat (austenit). Pada saat melewati garis suhu S-E, semua kristal karbid telah larut, sehingga terbentuklah struktur austenit murni. Suhu yang diperlukan untuk ini akan semakin tinggi, sehingga semakin rendah kandungan zat arang di dalam baja.
b. Peralihan wujud struktur pada pendinginan lambat laun.
Di sini dapat diamati proses yang berlawanan arah dengan pemanasan. Jika pada saat suhu menurun mencapai garis G-S-E, maka kristal ferrit kristal besi mulai terurai. Pada saat suhu mencapai garis P-K, larutan padat beralih kembali keperlit. Di pandang dari segi kisi ruang, ini berarti bahwa kisi gamma (g) yang terpusat bidang menjelma kembali menjadi kisi alfa (a) terpusat ruang.
c. Peralihan wujud struktur pada pendinginan cepat.
Pada pendinginan cepat, larutan padat dihalangi untuk menguraikan kristal ferrit atau sementit dan untuk beralih wujud menjadi perlit. Kisi gamma terpusat bidang memang menjelma menjadi kisi alfa terpusat ruang, namun bagi atom zat arang tidak cukup tersedia waktu untuk meninggalkan pusat dadu. Akan tetapi pada saat yang sama, atom besi menempati pusat dadu alfa. Oleh karena tidak cukup tempat untuk dua atom, maka kisi alfa mengalami suatu keadaan paksaan yang menimbulkan tegangan-tegangan. Tegangan ini mengakibatkan suatu struktur keras dan getas yang pada suhu 180…220O C tetap berdaulat. Keadaan struktur ini dinamakanmartensit. Kecepatan pendinginan yang menghasilkan suatu struktur martensit murni dinamakan kecepatan pendinginan kritis.
Di sini dapat diamati proses yang berlawanan arah dengan pemanasan. Jika pada saat suhu menurun mencapai garis G-S-E, maka kristal ferrit kristal besi mulai terurai. Pada saat suhu mencapai garis P-K, larutan padat beralih kembali keperlit. Di pandang dari segi kisi ruang, ini berarti bahwa kisi gamma (g) yang terpusat bidang menjelma kembali menjadi kisi alfa (a) terpusat ruang.
c. Titik-Titik Perhentian pada Pemanasan dan Pendinginan Baja
Sebagaimana halnya pada pemanasan dan pendinginan besi murni, muncul juga pada baja titik perhentian yaitu tempat tetap samanya suhu sesaat walaupun ada pemasukan atau pengeluaran panas. (gambar 6).
Gambar 5. 6 Diagram besi zat arang seluruhnya dengan titik perhentian pada pemanasan dan pendinginan lambat laun.
Titik-titik perhentian dan pemanasan ialah :
Ac1…Titik perlit, berada pada 723O C dan tidak tergantung pada kadar kandungan C (garis PSK mendatar). Besi Alfa (a), besi ini menampung zat arang dan membentuk kristal campuran Alfa (a). Pada besi murni, titik Ac1 tidak ada.
Ac2…Titik magnet, terletak antara 0…0,5% kandungan C pada 768O C (menurut garis OSK ). Di sini baja menjadi tidak magnetis.
Ac3…Titik austenit, terletak sepanjang garis GSE dan bergantung pada kadar kandungan C. Penjelmaan menjadi kristal gamma berlangsung di sini tanpa sisa dan struktur terdiri seluruhnya atas austenit.
Titik perhentian pada pendinginan lambat laun ditandai dengan Ar1, Ar2, Ar3. Titik perhentian pada Ac1 dan Ac3 memegang peranan dalam pengerasan karena titik-titik ini menunjukan saat peralihan wujud struktur (bentuk kisi) dan dengan demikian merupakan suhu pengejutan yang paling optimal.
Titik perhentian selanjutnya pada suhu yang lebih tinggi namun untuk pengerasan tidak memainkan peranan, muncul pada pembentukan besi delta (Ac4) dan selama proses peleburan. Titik lebur menurun dengan naiknya kandungan C dari 1536O C (besi murni hingga 1147O C (baja dengan 2,06% kandungan C).
5.3 Diagram Waktu-Suhu-Peralihan Wujud
Untuk perlakuan panas yang praktis terhadap baja diperlukan suatu kecepatan penyejukan tertentu demi terbentuknya struktur yang dikehendaki. Kaitan seperti ini dapat dilukiskan oleh diagram waktu-suhu-alih wujud (gambar 5-7). Diagram ini memiliki skala suhu tegak dan waktu mendatar.
Gambar 5.7 Diagram alih wujud (garis liku S)
Contoh pembacaan gambar 5. 7:
Jika baja yang diwakili oleh diagram ini celiup dengan cepat dari suhu pengerasan (sekitar 780O C) menuju suhu sekitar 600O C (misalnya dalam larutan garam), maka setelah sekitar 1 detik mulai berlangsung peralihan wujud menjadi perlit di titik A pada garis liku S kiri yang berakhir setelah kira-kira 10 detik di titik B. Jika dilakukan pendinginan cepat menuju suhu 320O C, maka setelah sekitar 1 menit mulai berlangsung pembentukan suatu struktur tahap antara di titik C yang berakhir pada titik D setelah sekitar 9 menit. Jika dilakukan pendinginan cepat menuju suhu yang lebih rendah pada kecepatan yang sama, maka pada sekitar 180O C mulai berlangsung peralihan wujud menjadi martensit.
Jika peralihan wujud berlangsung lebih perlahan-lahan, misalnya sebelah dalam benda-benda yang besar, maka di sana baja akan lebih lambat mencapai suhu pengejutan dan garis penyejukan 2 dalam gambar 7 yang kecuramannya berkurang, dapat memotong garis liku S pertama di dua titik. Dalam kasus ini berlangsung juga secara sebagian peralihan wujud tahap perlit atau tahap antara yang termasuk kedalam daerah suhu yang terpotong.
5.4 Klasifikasi Proses Perlakuan Panas
Secara umum proses perlakuan panas dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
1. . Annealing
2. . Normalizing.
3. . Hardening.
4. . Tempering.
e. Annealing
Annealing adalah salah satu proses heat treatment yang dapat digunakan untuk;
a. Mengurangi kekerasan,
b. Menghilangkan tegangan sisa,
c. Memperbaiki ductility,
d. Menghaluskan ukuran butiran.
Jenis-jenis proses annealing proses annealing.
a. Full annealing,
b. Recrystallisation annealiang,
c. Strees relief annealing,
d. Spheroidization.
a. Full annealing,
Untuk mungubah bentuk lapisan sementit di dalampearlit dan sementit pada batasan-batasan butiran dari baja karbon tinggi menjadi bentuk spheroidical (bentuk bola).
Proses;
1. Untuk baja hypoeutectoid (< 0,83%C).
Baja dipanaskan 30—60OC (50—100OF) diatas temperatur A3 kemudian ditahan beberapa saat, baru didinginkan di dalam dapur dengan kecepatan pendinginan 10—30OC/jam sampai temperatur 30OC di bawah A1, kemudian didinginkan di udara.
2. Untuk baja hyper eutectoid ( > 0, 831C).
Pada dasarnya sama dengan baja hypo eutectoid, kecuali pada permulaan pemanasan hanya sampai daerah austenit + sementit, yaitu pada temperatur sekitar 30—60 OC di atas A1.
b. Recrystallisation annealing.
Tujuan melunakan baja hasil. pengerjaan, karena adanya rekristalisasi dan pengembangan bentuk strukturnya. Untuk baja hasil pengerjaan dingin yang berat.
Proses : Baja dipanaskan pada suhu kira-kira 700 OC (sedikit di bawah temperaturA1), tahan pada temperatur tersebut untuk mencapai kelunakan, kemudian didinginkan dengan kecepatan tertentu (biasanya di udara).
Hasil yang didapatkan dari proses in, yaitu:
1. Menghasilkan baja/benda kerja dengan permukaan yang halus (tidak bersisik).
2. Mempermudah pangerjaan cold working tanpa mengalami keretakan.
6 Stres relief annealing.
Tujuan untuk menghilangkan tegangan sisa (tegangan dalam) dalam baja tuang yang tebal, juga pada logam yang sudah mengalami pengelasan.
Proses: Benda kerja dipanaskan sampai suhu di bawah A1 (550 - 650) OC dipertahankan beberapa saat kemudian didinginkan pelahan-lahan.
Hasil memperbaiki sifat mampu dimesin.
d. Spheoidization
Tujuan membentuk/menghaluskan struktur sementit dengan menghancurkan bentuk spheroids (bulatan kecil) dalam kandungan ferrit.
Proses:
- Memperpanjang waktu pemanasan pada suhu tepat di bawah A1, diikuti dengan pendinginan yang lambat.
- Memperpanjang periode disekitar suhu A1 yaitu sedikit di atas dan di bawahnya.
- Untuk tool steel dan high alloy steel, pemanasan antara 750-800OC atau lebih tinggi dan dipertahan - kan pada suhu tersebut untuk beberapa jam, diikuti oleh pendinginan yang perlahan-lahan.
Hasil: Benda mudah dimesin.
e. Normalizing
Tujuan untuk mendapatkan struktur butiran yang halus dan seragam, juga untuk menghilangkan tegangan dalam.
Pemakaian untuk baja-baja konstruksi, baja rol, material yang mengalami penempaan, tidak mempunyai struktur yang sama karena jumlah beban tidak sebanding dan karena perubahan bentuk pada tahap-tahap pendinginan yang tidak merata untuk benda yang ketebalannya tidak sama.
Prosesnya: memanaskan sampai sedikit di atas suhu kritis (+60OC di atas suhu kritis atas), kemudian setelah suhu merata didinginkan di udara
  |
Gambar 5. 8 Diagram suhu-waktu untuk proses normalizing
e. Hardening
Tujuan merubah struktur baja sedemikian rupa sehingga diperoleh struktur martensit yang keras.
Prosesnya: baja dipanaskan sampai suhu tertentu antara 770—830 O C (tergantung dari kadar karbon) kemudian ditahan pada suhu tersebut, beberapa saat, kemudian didi nginkan secara mendadak dengan mencelupkan dalam air, oli atau media pendingin yang lain.
Dengan pendinginan yang mendadak, tak ada waktu yang cukup bagi austenit untuk berubah menjadi perlit dan ferit atau perlit dan sementit. Pendinginan yang cepat menyebabkan austenit berubah menjadi martensit.
Hasiyangdapatkan dari pengujianini adalah Kekerasan tinggi, kakenyalan (ductility) rendah.
 |
Gambar 5.9 Diagram suhu-waktu untuk proses hardening
a). Pengerasan permukaan.
Seringkali komponen-komponen baja diinginkan hanya keras pada permukaannya saja sedangkan inti atau porosnya tetap lunak, hal ini memberikan kombinasi yang serasi antara permukaan yang tahan pakai dan poros yang ulet.
Tujuan menghasilkan lapisan permukaan yang keras pada baja yang dianggap lunak dan ulet.
Umumnya pengerasan permukaan dibagi menjadi tiga proses:
1. Carburizing/penambahan karbon.
2. Flame hardening.
3. Nitriding/penamhan nitrogen.
a) Carburizing
Proses karburizing didasarkan atas kemampuan baja untuk menyerap karbon pada temperatur antara 900 - 950°C. Carburizing adalah salah satu metoda yang digunakan untuk menghasilkan permukaan keras pada baja yang berkadar karbon rendah (<0,3%).
Dengan proses ini didapat lapisan baja dengan kadar karbon 0,3 - 1 %, dengan tebal antara 0,1 - 2,5 mm tergantung lamanya pemanasan.
  |
Gambar 5.10 Grafik Hubungan antara lama pemanasan
dan tebal lapisan karbon.
lapisan yg tercarburizing X = Jarak antar benda kerja
minimal 30 mm.
Gambar 5.11 Penyusunan benda pada pelaksanaan carburizing.
Prosesnya baja yang akan diproses dimasukkan kedalam peti yang berisi arang kayu atau batu bara dan barium karbonat. Setelah suhu dan waktu pemanasantercapai (tergantung ketebalan dan kekerasan yang diinginkan), dapur kemudian dimatikan, setelah mencapai suhu kira-kira 350OC, kotak kemudian dikeluarkan dan selanjutnya didinginkan di udara.
b). Flame Hardening
Proses ini sangat cepat untuk menghasilkan permukaan yang keras dari baja yang kandungan carbonnya lebih dari 0,4%. Permukan baja dipanaskan dengan cepat hingga suhu kritisnya dengan perantaraan semburan api. Flame atau dengan induction coil frekuensi tinggi, kemudian segera diquenching untuk mendapatkan struktur martensit. Setelah quenching, perambatan panas dari inti kepermukaan baja sudah cukup untuk tempering lapisan permukaannya .
Proses ini banyak digunakan terutama untuk memperkeras poros-poros pendukung.
Gambar 5.12. Prinsip flame hardening.
c). Nitriding
Baja yang dinitriding adalah baja paduan rendah yang mengandungchromium dan molibdenium dan kadang-kadang disertai kandungan nikel dan vanadium. Beberapa baja nitriding mengandung kira-kira 1% aluminium. Baja tersebut dipanaskan pada 500°C. selama 40 hingga 90 jam dalam kotak gas yang diisi sirkulasi gas amonia. Permukaan baja akan menjadi sangat keras karena terbentuknya nitrida, sedangkan inti bahan tetap tidak terpengaruh.
Gambar 5.13 Dapur Nitriding.
4. Tempering
Tempering adalah memanaskan kembali baja yang telah dikeraskan untuk menghilangkan tegangan dalam dan mengurangi kakerasan.
Proses:
Memanaskan kembali berkisar pada suhu 150 - 650OC dan didinginkan secara perlahan-lahan tergantung sifat akhir baja tersebut.
Tempering dibagi dalam:
a. Tempering pada sahu rendah (150 - 300OC).
Tujuannya untuk mengurangi tegangan-tegangan kerut dan kurapuhan dari baja. Proses ini digunakan untuk alat-alat kerja yang tak mengalami beban yang berat, seperti misalnya; alat-alat potong, mata bor yang dipakai untuk kaca dan lain-lain.
b. Tempering pada suhu menengah (300 - 500OC).
Tujuannya untuk menambah keuletan dan kekerasannya menjadi sadikit berkurang. Proses ini digunakan pada alat-alat kerja yang mengalami beban berat, seperti palu, pahat, pegas-pegas.
c. Tempering pada suhu tinggi (500 - 650OC).
Tujuannya untuk memberikan daya keuletan yang besar dan sekaligus kekerasan menjadi agak rendah. Proses ini digunakan pada; roda gigi, poros, batang penggerak dan lain-lain.
   |
Gambar 5.14 Diagram suhu-waktu untuk proses tempering
No comments:
Post a Comment