Upload
irfan-mahyunis
View
121
Download
10
Embed Size (px)
Citation preview
I. BESI DAN BAJA
PENDAHULUAN
Besi dan baja merupakan bahan yang paling banyak
digunakan sebagai bahan industri, karena selain disebabkan oleh
nilai ekonomis bahan ini juga memiliki berbagai sifat yang berfariasi.
Baja karbon rendah merupakan produk utama dalam produksi besi
dan baja. Dari unsur besi berbagai bentuk struktur logam dapat
dibuat, itulah sebabnya mengapa besi dan baja disebut dengan
bahan yang kaya dengan sifat-sifat.
A. Diagram Fasa Besi Karbon
Analisa termal ini selain untuk mengetahui titik lebur juga untuk
menginformasikan perubahan struktur kristal yang terjadi dalam
keadaan padat. Logam murni membeku pada temperatur tertentu
yang tetap, sehingga jika temperatur logam diukur setelah
serangkaian interval waktu yang sama, didapat pendinginan seperti
pada Gambar 1-1. Perubahan fase dari cair ke padat ditandai
evolusi panas peleburan yang menyebabkan terbentuknya garis
horizontal pada kurva pendinginan. Demikian juga bila perubahan
struktur kristal terjadi pada keadaan padat, panas peleburan akan
menyertai transformasi dan diskontinuitas kembali terlihat pada
kurva pendinginan. Untuk meningkatkan kepekaan pendeteksian
laju transisi, kurva dibuat dengan diagran dt/dT vs T.
2
Gambar 1-1 Kurva pendinginan ideal untuk logam murni
Selain karbon pada besi dan baja mengandung kira-kira 0,
25% Si, 0,3 – 1,5% Mn dan unsur pengotor lain seperti P, S dan
sebagainya. Unsur-unsur ini tidak mempengaruhi diagram fasa,
maka diagram fasa tersebut dapat dipergunakan tanpa
menghiraukan adanya unsur-unsur tersebut.
Pada paduan besi karbon terdapat fasa karbida yang disebut
sementit dan juga grafit. Gambar 1-2. menunjukkan diagram
kesetimbangan besi karbon sebagai dasar dari bahan Fe-Fe3C
yang berupa besi baja. Titik-titik penting pada diagram ini adalah:
Titik cair
Waktu
Suh
u
3
A: Titik besi Cair B: Titik pada cairan yang ada hubungannya dengan reaksi peritektik. H: Larutan padat ∂ yang ada hubungan dengan reaksi peritektik.
Kelarutan Karbon maksimum adalah 0,10% J: Titik peritektik. Selama pendinginan austenit pada komposisi J,
fasa γ terbentuk dari larutan padat ∂ pada komposisi H dan cairan pada komposisi B.
Gambar 1-2 Diagram Keseimbangan Besi Karbon
600
500
400
200
100
300
0
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0
H A
N
B
J
Sistim meta stabil Sistim stabil
E2,11% o
E2,14% 1147oC
738oC
A1727oC
D
D
C 4,32%
G911
oC
Te
mpe
ratu
r (o C
) 1500
1400
1600
1100
1000
1300
1200
700
900
800
δ
A2780oC
0,69% S’
S0,765%
P0,0208%
P0, 0218%
A0213o
F’
F
K’
K
1550
1450
1500
N 1392 oC
0,18%
1400
J
A
B 0,51%
δ
1494 oC 1536 oC
0,2 0,4 0,6 0,8
C (%) C (%)
L
L
4,28% C’
γ
H
4
N: Titik transformasi dari besi ∂ ↔besi γ, titik transformasi ini dari besi murni.
C: Titik eutektik. Selama pendinginan fasa γ dengan komposisi E dan sementit pada komposisi F (6,67%C) terbentuk dari ciran pda komposisi C. Fasa eutektik disebut ledeburit.
E: Titik yang menyatakan fasa γ, ada hubungannya dengan reaksi eutetik.
Kelarutan maksimum dari karbon 2,14%. Paduan besi karbon sampai pada komposisi ini disebut baja.
G: Titik transformasi besi γ ↔ besi α. P: Titik yang menyatakan ferit, fasa α, ada hubungan dengan reaksi
eutektoid. Kelarutan maksimum dari karbon kira-kira 0,025%. S: Titik eutektoid. Selama pendinginan, ferit pada komposisi P dan
sementit pada komposisi K ( sama dengan F) terbentuk simultan dari austentit pada komposisi S.
GS: Garis yang menyatakan hubungan antara temperatur dan komposisi, dimana mulai terbentuk perlit dari austenit.
ES: Garis yang menyatakan hubungan antara temperatur dan komposisi; dimana mulai terbentuk sementit dan austernit.
Baja yang berkadar karbon, komposisi eutektoid dinamakan
baja eutektoid, yang berkadar karbon kurang dari komposisi
eutektoid disebut baja hipoeutektoid, dan yang berkadar karbon
lebih dari komposisi eutektoid disebut baja hipereutektoid. Gambar
1-3 menunjukkan struktur mikro baja apabila baja didinginkan
perlahan-lahan dari 50-1000C diatas garis GS (A3) dan garis SE
(Acm) pada Gambar 1-2.
Pada baja eutektoid transformasi terjadi pada titik tetap S,
menjadi struktur yang disebut perlit. Pada baja hipereutektoid
terbentuk fasa ferlit mendekati besi murni yang komposisinya sama
dengan P dan perlit, sedangkan pada hipereutektoid terbentuk perlit
dan sementit pada batas butir.
5
Gambar 1-3. Struktur Mikro Baja Carbon
Pada Gambar 1-3 ditunjukkan bahwa: (a): 0,06 % C, besar butir medium (ASTM No. 7) x 100; (b): 0,25 % C baja dinormalkan pada 9300 C x 500; (c): 0,30 % C baja diaustenitkan pada 9300 C
ditransformasikan isotermal pada 7000C, ferit dan perlit kasar x 1000;
(d): 0,45 % C baja dinormalkan pada 8400 C, ferit dan perlit x 500;
(e): 0,80 % C baja diaustenitkan pada 11500 C, didinginkan di tungku x 2000;
(f): 1,0 % C baja dirol panas pada 1050 C, pendinginan udara, matriks perlit, sementit pada batas butir (garis putih) x 500.
6
B. Perubahan Struktur pada Perlakuan Panas
Besi dan baja diharapkan mempunyai kekuatan statik dan
dinamik, ulet, mudah diolah, tahan korosi dan mempunyai sifat
elektromagnet agar dapat dipakai sebagai bahan untuk konstruksi
dan permesinan. Dilihat dari transformasi ada tiga macam baja
yaitu:
1) Baja dengan titik transformasi A1, berupa ferit dibawah A1, dan
austenit pada A3, atau diatas A1.
2) Baja dengan titik transformasi A1 dibawah temperatur kamar,
berupa austenit pada temperatur kamar.
3) Baja dengan daerah austenit yang kecil, berupa ferit sampai
temperatur tinggi pada daerah komposisi tertentu.
Baja yang tergolong 1) berupa ferit pada temperatur kamar
(dalam keseimbangan), dapat diproses menjadi berbagai struktur
dengan jalan perlakuan panas. Struktur tersebut dapat dilihat pada
Tabel 1-1. Fasa-fasa tersebut memiliki sifat-sifat khas. Ferit
mempunyai sel satuan kubus pusat badan atau body centered cubic
(bcc), menunjukkan titik mulur yang jelas dan menjadi getas pada
temperatur rendah. Austenit mempunyai sel satuan kubus pusat
muka atau face centered cubic (fcc) menunjukkan titik mulur yang
jelas tanpa kegetasan pada keadaan dingin. Akan tetapi bila berupa
fasa metastabil bisa berubah menjadi α ’ pada temperatur rendah
dengan pengerjaan. Martensit adalah fasa larutan padat lewat jenuh
dari karbon dalam sel satuan tetragonal pusat badan atau body
centered tetragonal (bct). Makin tinggi derajad kejenuhan karbon,
makin besar perbandingan sumbu sel satunya dan makin keras
serta makin getas martensit tersebut. Bainit memiliki sifat-sifat
antara martensit dan ferit.
7
Sesuai dengan keaneka ragaman strukturnya, maka dapat
diperoleh berbagai sifat baja termasuk kekuatan dan keuletan.
Faktor-faktor yang menentukan sifat-sifat mekanik adalah macam
fasa, kadar unsur paduan dalam fasa, banyak fasa, ukuran dan
bentuk senyawa. Untuk mendapatkan sifat-sifat mekanik yang
diinginkan perlu mendapat struktur yang cocok dengan komposisi
kimia dan perlakuan panas yang tepat.
Tabel 9-1 Fasa-fasa pada baja
Fasa dan simbol Struktur Pengelasan
Me
nuru
t kr
ista
l
Austenit (γ )
Ferit (α )
Bainit (α )
Martensit (α ’)
fcc
bcc
bcc
bct
Paramagnetik dan stabil pada temperatur tinggi. Stabil pada temperatur rendah, kelarutan pada terbatas, dapat berada bersama Fe3C (sementit) atau lainnya. Austenit metastabil didinginkan dengan laju pendinginan cepat tertentu. Terjadi hanya presipitasi Fe3C, unsur paduan lainnya tetap larut. Fasa metastabil terbentuk dari laju pendinginan cepat, semua unsur paduan masih larut dalam keadaan padat.
Me
nuru
t ke
ada
an Perlit
Widmanstaetten
Dedrit
Sorbit
Torstit
Lapisan ferit dan Fe3C. γ danα dalam orientasi pada persipitasi ferit. Berbentuk cabang-cabang seperti pohon, struktur ini terbentuk karena segregesi karbon pada pembekuan. Sorbit adalah perlit halus dan trostit adalah bainit. Nama ini tidak banyak dipakai.
C. Heat treatment
Heat treatment adalah proses pemanasan dan pendinginan
yang terkontrol dengan maksud mengubah sifat fisik dari lagam.
Heat treatment secara umum dilakukan dengan cara:
1) Pemanasan sampai suhu dan kecepatan yag tertentu.
8
2) Mempertahankan suhu untuk waktu tertentu sehingga
temperaturnya merata.
3) Pendinginan dengan media pendingin (air, minyak, atau udara).
Ketiga hal tersebut tergantung dari sifat-sifat yang diinginkan.
Syarat-syarat heat treatment
1) Suhu pemanasan harus baik secara teratur dan merata.
2) Alat ukur suhu hendaknya seteliti mungkin.
Klasifikasi proses heat treatment
Secara umum heat treatment dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
Anneling
Normalizing
Hardening
Tempering
Gambar 1-4. Diagram suhu heat treatment untuk baja karbon biasa.
Normalizing
Full anneling And hardening
Tem
peri
ng
500
600
700
800
900
1000
% Carbon
A1
A3
°C
ACm
0 02 04 06 08 10 12 14 16 . . . . . . . . .
Process anneal
9
Anneling
Anneling adalah salah satu proses heat treatment yang dapat
digunakan untuk:
1) Mengurangi kekerasan.
2) Menghilangkan tegangan sisa.
3) Memperbaiki kekuatan.
4) Memperbaiki ductility.
5) Menghaluskan ukuran butiran.
Macam-macam proses annealing:
a. Full annealing.
b. Recrystallisation annealing.
c. Strees relief annealing.
d. Spheroidization.
a. Full annealing
Tujuan :
Untuk mengubah bentuk lapisan sementit didalam-pearlit dan
sementit pada batasan-batasan butiran dari baja karbon tinggi
menjadi bentuk spheroidical (bentuk bola).
Proses :
Untuk baja hypoeutectoid (< 0,83%C), baja dipanaskan 30 -
60°C (50 - 100°F) diatas temperatur A3, kemudian ditahan beberapa
saat, baru didinginkan didalam dapur dengan kecepatan pendingin
10 - 30°C di bawah A1, kemudian didinginkan di udara.
Untuk baja hyper eutectoid (> 0,83%C), pada dasarnya sama
dengan baja hypo eutectoid, kecuali pada permulaan pemanasan
10
hanya sampai daerah austenit + sementit, yaitu pada temperatur
sekitar 30 - 60°C di atas A1.
b. Recrystallisation annealing
Tujuan :
Melunakkan baja hasil pengerjaan, karena adanya rekristalisasi dan
pengembangan bentuk strukturnya.
Penggunaan :
Untuk baja hasil pengerjaan dingin yang berat.
Proses :
Baja dipanaskan pada suhu kira-kira 700°C (sedikit di bawah
temperatur A1), tahan pada temperatur tersebut utuk mencapai
kelunakan, kemudian didinginkan dengan kecepatan tertentu
(biasanya di udara).
Hasil :
- Menghasilkan baja/benda kerja dengan permukaan yang
halus (tidak bersisik).
- Mempermudah pengerjaan cold working tanpa mengalami
keretakkan.
c Stress-relief annealing
Tujuan :
Untuk menghilangkan 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) °C
dipertahankan beberapa saat kemudian didinginkan perlahan-lahan.
11
Hasil :
Memperbaiki sifat mampu mesin.
d. Spherodization
Tujuan :
Membentuk/menghaluskan struktur sementit dengan
menghancurkan bentuk spheroids (bulatan kecil) dalam kandungan
ferrit.
Proses :
1. Memperpanjang waktu pemanasan pada suhu tepat di
bawah A1, diikuti dengan pendinginanyang lambat.
2. Memperpanjang periode di sekitar suhu A1 yaitu sedikit di
atas dan di bawahnya.
3. Untuk tool steel atau high alloy steel, pemanasan antara
750 - 800°C atau lebih tinggi dan dipertahankan pada suhu
tersebut untuk beberapa jam, diikuti oleh pendinginan yang
perlahan-lahan.
Hasil :
Benda mudah dimesin.
Normalizing
Tujuan :
Untuk mendapatkan struktur butiran yang halus dan seragam, juga
utuk menghilangkan tegangan dalam.
Pemakaian :
Untuk baja-baja konstruksi, baja rol, material yang mengalami
penempaan, tidak mempunyai struktur yang sama karena jumlah
12
beban tidak sebanding dan karena perubahan bentuk pada tahap-
tahap pendinginan yang tidak merata untukbenda yang
ketebalannya tidak sama.
Proses :
Memanaskan sampai sedikit di atas suhu kritis (± 60°C di atas suhu
kritis atas), kemudian setelah suhu merata didinginkan di udara.
Hasil :
Diperoleh sifat mampu mesin.
Gambar 1-5 Diagram suhu-waktu untuk proses normalizing Hardening Tujuan :
Merubah struktur baja sedemikian rupa sehingga diperoleh struktur
martensit yang keras.
Proses :
Baja dipanaskan sampai suhu tertentu antara 770 - 830°C
(tergantung dari kadar karbon) kemudian ditahan pada suhu
Tem
pera
tur
suhu normalizing
pendinginan perlahan
13
tersebut beberapa saat, kemudian didiginkan 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.
Hasil :
Kekerasan tinggi, kekenyalan (ductility) rendah.
Gambar 1-6. Diagram suhu-waktu untuk proses hardening
Pengerasan permukaan :
Seringkali komponen-komponen baja didinginkan 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.
Waktu
Tem
pera
tur
Temperatur hardening
Pendinginan cepat
14
Tujuan :
Menghasilkan lapisan permukaan yang keras pada baja yang
dianggap lunak dan ulet.
Umumnya, pengerasan permukaan dibagi menjadi tiga proses :
a) Carburuzing / penambahan karbon.
b) Flame hardening.
c) Nitriding / penambahan nitrogen.
Carburizing
Proses carburuzing 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 (lihat Gambar 1-7)
Gambar 1-7. Grafik hubungan antara lama pemanasan
dengan tebal lapisan karbon.
. . . . . . 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
50 40 30 20 10
900°C
950°C
15
Proses Carburizing :
Baja yang akan diproses dimasukkan ke dalam peti yang
berisi arang kayu atau batu bara dan batrium karbonat. Setelah
suhu dan waktu pemanasan tercapai (tergantung ketebalan dan
kekerasan yang diinginkan), dapur kemudian dimatikan, setelah
mencapai suhu kira-kira 350°C, kotak kemudian dikeluarkan dan
selanjutnya didinginkan di udara.
Gambar 1-8. Penyusunan benda pada pelaksanaan carburizing.
Tempering
Tempering adalah memanaskan kembali baja yang telah
dikeraskan untuk menghilangkan tegangan dalam dan mengurangi
kekerasan. Prosesnya dengan memanaskan kembali berkisar pada
X = Jarak antara benda minimum 30 mm
X
Lapisan yang tercarburizing
16
suhu 150 - 650°C dan didinginkan secara perlahan-lahan tergantung
sifaf akhir baja tersebut.
Tempering dibagi dalam :
a. Tempering pada suhu rendah (150 - 300°C)
Tujuannya hanya untuk mengurangi tegangan-tegangan kerut
dan kerapuhan 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 (300-500°C)
Tujuannya, menambah keuletan, dan kekerasannya menjadi
sedikit berkurang. Proses ini digunakan pada alat-alat kerja yang
mengalami beban berat, seperti palu, pahat, pegas-pegas.
c. Tempering pada suhu tinggi (500-650°C)
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 1-9. Diagram suhu-waktu untuk proses hardening dan
tempering
Waktu
Tem
pera
tur
Temperatur hardening
Pendinginan cepat
Pendinginan perlahan
17
Diagram T - T - T.
Pelaksanaan perlakuan panas terhadap baja melibatkan
penggunaan bermacam-macam kecepatan pendinginan. Meskipun
pengaruh waktu tidak terlihat secara jelas pada diagram besi – zat
arang. Dengan demikian studi tentang phenomena transformasi
menjadi penting dan phase transformasi untuk bermacam-macam
baja dicata dengan hubungannya terhadap perubahan waktu dan
temperatur. Hal ini disajikan dengan diagram transformasi
isothermal, gambar 1.9. untuk suatu baja perkakas. Diagram ini
disebut kurva TTT ( waktu-temperatur-transformasi) atau kadang-
kadang juga disebut curva S sesuai dengan bentuk garisnya.Tipe
diagram ini menunjukkan pembentukan struktur jika suatu baja
didinginkan dari temperatur austenit atau pengerasan ke temperatur
yang diberikan (ditunjukkan oleh ordinatnya dan untuk selang waktu
tertentu (dibaca pada absis). Curva-curva juga menunjukkan
temperatur relatif, waktu yang dibutuhkan untuk awal dan akhir
transformasi dari austenit. Diagram ini juga mencatat temperatur
pada mana martensit terbentuk.
18
Gambar 1- 10. Diagram T-T-T suatu baja perkakas dengan 0,8 % C, 0,8% Mn setelah pemanasan sampai temperatur 750°°°°C
Evaluasi
a. Gambarkan diagram keseimbangan besi-karbon
b. Jelaskan perbedakan struktur mikro dari kesembilan jenis baja
karbon
c. Jelaskan perubahan struktur baja karbon pada perlakuan
panas
d. Jelaskan yang dimaksud dengan heat treatment, termasuk di
dalamnya terdapat proses:
1) Anneling,
2) Normalizing,
3) Hardening, dan
4) Tempering
800
700
600
500
400
300
200
100 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10 102
Waktu (Jam)
F + C
50% 50%
M
A Tra
nsfo
rmas
i Tem
pera
tur °C
Keterangan: A = Austenit M = Martensit F + C = Ferit + Cementit
19
Daftar Pustaka
Shackelford, James F..1992. Introcduction to Materials Science for Engineers, New York: Macmillan Publishing Company
Smallman, R. E.. 1991. Metalurgi Fisik Modern, Jakarta: PT
Gramedia Pustaka Utama. Surdia, Tata, dkk. 1992. Pengetahuan Bahan Teknik,Jakarta: PT
Pradnya Paramita