PROSES PENGERASAN LOGAM BAGIAN 1

( HARDENING PROCESS )

Setiap parts atau component mempunyai fungsi yang berbeda-beda sehingga beban yang di alaminya juga berbeda karena itu perlu pengerjaan dan perlakuan lebih lanjut.

Karena itu untuk merubah karakteristik logam sehingga dapat memenuhi tuntutan dalam pemakaiannya, dilakukan berbagai perlakuan seperti :

1.      deformasi plastis

2.      penambahan unsur paduan

3.      pelapisan

4.      perlakuan panas (heat treatment)

HEAT TREATMENT secara umum adalah memanaskan logam pada suhu tertentu dengan kecepatan pemanasan tertentu kemudian didiamkan dalam jangka waktu tertentu dan didinginkan dengan kecepatan pendinginan tertentu. Pada proses perlakuan panas sifat sifat mekanis logam dapat berubah karena terjadinya beberapa perubahan mikrostruktur, perubahan fasa, terbentuknya presipitat, perubahan ukuran butir, perubahan kandungan unsur kimia tertentu, terbentuknya karbida, dll.

PRINSIP HEAT TREATMENT  

Heat treatment terdiri dari :

1. Annealing. 2. Fuul annealing 3. Recristalitation

4. Stress relieving 5. Normalizing 6. Spherodizing

7. Homogenizing 8. Hardening 9. Tempering

HARDENING TERDIRI DARI :

1. Full Hardening (dari luar sampai inti). 2. Quenching. 3. Precipitation hardening. 4. Cold deformation.

5. Surface hardening (permakaan saja). 6.  Layer addition. 7. Surface modification.

Fasa adalah bagian dari paduan yang homogen dan memiliki sifat fisik tertentu. Karena itu sifat paduan tergantung dari jenis fasa, jumlah fasa dan distribusi dari fasa fasa yang ada. Berbagai sifat dan mikrostruktur baja berubah jika dikenakan panas. Perubahan perubahan tersebut berlangsung terus sampai suatu fasa berada pada keadaan stabil. Jadi dalam proses tersebut terjadi perubahan jenis dan distribusi fasa yang berbeda dari fasa semula.

1.Ferit, atau sering disebut -Fe, yaitu larutan padat besi karbon yang membentuk struktur kristal BCC. Atom atom karbon pada fasa ini berkedudukan interstitial dan kandungan karbon maksimum yang dapat dikandung ialah 0,02% pada temperatur 723°C, sedangkan pada 0°C hanya mengandung 0,005% C.

2.Austenit, atau sering disebut -Fe, adalah salah satu fasa dalam paduan Fe-C yang membentuk struktur kristal FCC. Kelarutan karbon maksimum yang dapat dikandung ialah 2% pada temperatur 1148°C dan turun menjadi 0,8% pada temperatur 723°C.

3.Sementit, atau sering disebut Fe3C, ialah fasa lain dari paduan Fe3C yang membentuk kristal orthorombic, dan dapat mengandung karbon sampai dengan 6,7%.

4.d -Fe, ialah fasa lain dari Fe-C yang membentuk struktur BCC, dan kelarutan karbon yang mampu dikandung ialah 0,09% pada temperatur 1465°C.

5. Perlit, yaitu fasa gabungan antara ferit dan sementit secara berselang seling membantuk lamelar. Perlit terbentuk pada kadar karbon 0.8% tepat di daerah eutectoid. Perlit berstruktur kristal BCC.

LANDASAN PENGETAHUAN TENTANG PROSES HARDENING (Fe-C diagram)

Proses annealing diatas A3 disebut full annealing, sedangkan dibawah temperatur kritis A3 disebut sub critical annealing serta annealing diantara A1 dan A3/Acm disebut inter critical annealing. Pada sub critical annealing tidak terjadi perubahan fasa, misalnya: anil rekristalisasi, anil penghilangan tegangan, anil pertumbuhan butir atau aglomerisasi, dsb.

STRESS RELIEV ANNEALING.

Sress reliev annealing atau anil penghilangan tegangan digunakan untuk menghilangkan tegangan sisa dalam logam akibat proses MANUFAKTUR seperti :

1. Pengelasan

2.Metal forming

3. Machining

4. Quenching

5. Pengecoran

Temperatur pemanasan untuk stress relief annealing ini biasanya dibawah A1 (595-675°C) dan ditahan dengan waktu tertentu, kemudian didinginkan dengan cara bertahap dan merata.

 

(a)Tegangan sisa yang timbul akibat pemanasan

(b)Tegangan sisa yg timbul akibat pengelasan

(c)Tegangan sisa yg timbula akibat machining

Manfaat penghilangan tegangan sisa :

1.      Mengurangi terjadinya SCC.

2.      Mengurangi terjadinya cold strain yang dapat mengurangi daya tahan terhadap Creep.

3.      Mengurangi brittle fracture.

4.      Meningkatkan fracture toughness.

5.      Meningkatkan ketahanan terhadap lingkungan

6.      Meningkatkan strength.

Normalisasi.

Proses normalisasi dilakukan pada temperatur sekitar 40°C-55°C diatas temperatur kritis (A3 untuk baja hypoeutektoid dan Acm untuk baja hypereutektoid), kemudian ditahan dalam waktu tertentu dan didinginkan diudara hingga mencapai temperatur ruang. Dengan proses ini dihasilkan baja yang lebih keras dan lebih kuat daripada baja anil penuh, memiliki mampu mesin yang baik, struktur butir yang lebih halus dan tegangan sisa minimal. Normalisasi pada hasil coran biasanya disebut juga homogenisasi yang bertujuan untuk menghaluskan struktur dendrit.

Aplikasi dari normalizing tergantung klasifikasi baja yang di gunakan.

1.      PENGHALUSAN BUTIR– UTK LAS LASAN

2.      PENINGKATAN MAMPU PENGERJAAN MESIN

3.      HOMOGENISASI—UTK PRODUK COR

4.      PERBAIKAN STRUKTUR—HOT ROLLING

5.      PERATAAN BESAR BUTIR—PRODUK TEMPA

6.      CARBIDE SOLUTION.

Yang harus di perhatikan : Ppemanasan dan waktu (1 JAM /1 INCI KETEBALAN)

RECRYSTALLIZATION

Selain fasa fasa tersebut diatas, baja mempunyai fasa lain yang dihasilkan dari proses transformasi dengan perlakuan panas, fasa tersebut ialah martensit dan bainit.

MARTENSIT adalah suatu struktur yang keras dan rapuh yang antara lain terbentuk bila baja didinginkan secara cepat dari temperatur austenit dengan suatu proses hardening yaitu QUENCHING.

PENGERTIAN HARDNESS adalah Kemampuan material untuk menahan deformasi pada daerah  permukaan

METODE : Goresan (Mineralogi dan mohs scale), Pantulan, Pembebanan atau penjejakan

TERBENTUKNYA MARTENSIT

Karena perubahan temperatur pada proses quenching berlangsung cepat, maka waktu yang dibutuhkan oleh karbon untuk berdifusi keluar dari austenit tidak cukup, sehingga atom atom karbon terperangkap dan menghalangi transformasi normal dari FCC ke BCC dan kristal FCC kemudian menjadi BCT (Body Centered Tetragonal), karena itu transformasi yang terjadi dari austenit ke martensit tanpa melalui suatu proses difusi tetapi terjadi karena adanya pembalikan Kristal

Bainit juga salah satu bentuk transformasi austenit jika didinginkan dengan kondisi kontinu atau isotermal antara daerah pembentukan perlit dan martensit. Bainit ini memiliki mode transformasi dan struktur mirip dengan perlit dan martensit. Disebut mirip dengan perlit karena bainit merupakan campuran dari fasa ferit dan sementit, oleh karena itu dikendalikan oleh difusi dari karbon antara ferit dan sementit. Namun disini ferit dan sementit tidak berbentuk lamel.

Disebut mirip dengan martensit karena ferit dan sementit pada bainit berbentuk plate dan lath seperti bentuk martensit.

PENGARUH UNSUR PADUAN TERHADAP SIFAT BAJA.

1.Karbon (C) : adalah unsur pengeras yang dominan

2.Mangan (Mn) : Meningkatkan kekuatan dan kekerasan terutama disebabkan terjadinya penguatan pada fasa ferit. Mn juga berfungsi sebagai deoksidator, yaitu mengikat sulfur membentuk senyawa MnS yang titik cairnya lebih tinggi dari titik cair baja, sehingga cenderung terperangkap sebagai inklusi. Mn juga berfungsi mencegah terbentuknya ikatan sulfur dengan baja dalam bentuk FeS yang mempunyai titik leleh lebih rendah dari baja, sehingga unsur Mn dapat mencegah terjadinya kerapuhan pada suhu tinggi, terutama untuk baja yang beroperasi pada suhu tinggi.

3.Silisium : berfungsi sebagai deoksidator, selain itu dapat meningkatkan kekuatan tarik baja tanpa mengakibatkan penurunan pada sifat keuletannya. Hal ini dapat terjadi karena unsur Si merupakan stabilisator sementit.

4.Phospor (P) : jika jumlah phospor dalam baja cukup besar dapat meningkatkan kekuatan tarik dan kekerasan, tetapi keuletannya turun tajam dan bahkan dapat mengakibatkan mudah terjadi retak dingin atau rapuh pada suhu rendah dan sensitif terhadap beban kejut. Pada baja konstruksi kandungan phospor dibatasi maksimum 0,05%.

5.Sulfur (S) : menurunkan sifat keuletan dan ketangguhan terhadap beban kejut. Sulfur yang berlebihan akan bereaksi dengan Fe membentuk FeS yang mempunyai titik leleh rendah. Untuk baja konstruksi, kandungan Sulfur dibatasi maksimum 0,05%.

6.Aluminium (Al) : sebagai unsur deoksidator yang mengikat oksigen yang terdapat pada cairan baja. Selain itu Al juga mudah mengikat Nitrogen membentuk endapan nitrida yang cenderung mengendap di batas butir struktur baja, sehingga sifat kekerasan baja meningkat.

7.Nikel (Ni) : meningkatkan kekuatan baja. Nikel bersama Cr dapat meningkatkan ketahanan korosi dan ketahan panas baja. Adanya unsur Ni pada baja tidak mengganggu sifat mampu las baja tersebut.

8.Chrom (Cr) : meningkatkan kekuatan. Cr meningkatkan ketahanan panas dan ketahanan aus baja dan tahan korosi, tetapi sifat mampu lasnya menurun.

9.Tembaga (Cu) : meningkatkan kekuatan. Dalam jumlah kecil Cu dapat meningkatkan ketahanan korosi baja. Cu tidak mempengaruhi sifat mampu las baja.

10.Molebdenum (Mo) : meningkatkan kekuatantarik terutama pada temperatur tinggi (creep), serta dapat memperbaiki sifat mampu lasnya. Mo juga berfungsi sebagai stabilisator karbida, sehingga mencegah terbentuknya grafitisasi pada pemanasan yang cukup lama.

11.Vanadium (V) : meningkatkan kekuatan tarik, terutama sifat hot hardness baja. Vanadium merupakan unsur penstabil karbida dan dikombinasikan dengan Cr diperoleh baja tahan panas, dan jika dikombinasikan dengan wolfram (W) dapat dimanfaatkan sebagai baja perkakas.

12.Wolfram/Tungsten (W) : meningkatkan sifat kekuatan, kekerasan dan ketahanan aus baja. Wolfram mempunyai kecenderungan yang kuat untuk membentuk karbida, karena itu dimanfaatkan untuk pembuatan baja tahan panas.

13.Titanium (Ti) : merupakan elemen yang sangat keras, penstabil karbida, sebagai elemen pemadu dalam stainless steel untuk meningkatkan ketahanan korosi interkristalin. Selain itu titanium juga berfungsi sebagai penghalus butir kristal.

Pada proses pelakuan panas diperlukan suatu patokan untuk menentukan proses pemanasan dan kecepatan pendinginan. Biasanya yang sering digunakan sebagai pedoman tersebut ialah

2.diagram TTT ( Time Temperature Transformation)

3.diagram CCT (Continues Cooling Transformations).

Diagram TTT ialah suatu petunjuk transformasi logam yang menggambarkan waktu awal dan akhir transformasi pada setiap temperatur pendinginan, sedangkan diagram CCT adalah diagram yang menggambarkan tentang kecepatan pendinginan dan fasa yang terbentuk ketika transformasi berlangsung

Kedua diagram TTT dan CCT berbeda beda untuk setiap logam demikian pula untuk logam yang sama diagram tersebut berbeda untuk setiap perubahan elemen paduan. Artinya kedua diagram tersebut sangat dipengaruhi oleh komposisi kimia, jadi diagram tersebut dapat bergeser ke kanan, ke kiri atau ke atas dan bawah, sehingga fasa yang terjadi juga tergantung dari unsur paduannya.

Bentuk kurva TTT dan CCT tgtg pada :

- kadar karbon

- besar butir awal austenit

- unsur padauan

kadar C turun : kurva ke kiri, Ms dan Mf naik. Shg baja karbon rendah sulit untuk dapat martensit.

Kadar C 0,3% : Mf lebih rendah dari temp ruang, jadi austenit yang belum tertransformasi cukup besar dan disebut austenit sisa atau retained austenite.

Untuk menghilangkan : subzero treatment, yaitu pendinginan lanjut dibawah 0°C.

Seluruh elemen paduan (kecuali Co) menurunkan temperatur awal dan akhir pembentukan martensit. Besarnya temperatur awal pembentukan martensit dapat diprediksi dengan menggunakan rumus empiris untuk baja paduan rendah:

Ms(°C) = 561 - 474C - 33Mn - 17Ni - 17Cr - 21Mo

Untuk baja paduan tinggi berlaku rumus empiris sbb:

Ms(°C) = 550-350C-40Mn-17Ni-20Cr-10Mo-35W-10Cu+15Co+30Al

Perlu di perhatikan dalam pemanasan:

- Dimensi kesetabilan dan kecepatan pemanasan.

Yang perlu di perhatikan ketika pendiaman dalam dapur/holding time adalah:

1.      Suhu terlalu rendah. 2.      Kemungkinan suhu tidak homogeny. 3.      Terjadi pertumbuhan butir. 4.      Benda uji terdeformasi

5.      Terjadinya oksidasi 6.      Perubahan temperature karena dapur. 7.      Benda uji nempel dengan yang lain 8.      Pemborosan waktu dan energy.

Yang perlu di perhatikan pada proses pendinginan adalah :

Annealing. :

pemanasan bahan pada temperatur dan lama pemanasan tertentu dan kemudian didinginkan dengan kecepatan pendinginan lambat. ,Tujuan annealing ialah untuk :

- pelunakan - meningkatkan mampu bentuk dingin

- memberi sifat mampu mesin yang baik - merubah sifat mekanik, listrik atau magnetik

- meningkatkan stabilitas dimensi - dll,

 

Materi By  Dr.Ir.Amin Suhadi ,M.Eng.