Upload
valdi-at-teknik
View
43
Download
4
Embed Size (px)
DESCRIPTION
dd
Citation preview
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
BAB II
TEORI DASAR
A. Pengertian Heatreatment dan Sifat-Sifat Material
Heatreatment (uji perlakuan panas) adalah suatu kombinasi dari
pemanasan dan pendinginan pada baja untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu dari
pada baja pada batas-batas kemampuannya. Dapat juga dikatakan bahwa
Heatreatment adalah suatu proses untuk merubah sifat-sifat ddari logam sampai
suhu tertentu kemudian didinginkan dengan media pendingin tertentu.
B. Sifat-sifat Material
a. Sifat Mekanik
Sifat mekanik adaalah sifat bahan yang dapat diketahui dengan
memberikan suatu perlakuan terhadap material. Pada beberapa cabang industri,
pengujian mekanik yang biasa dilakukan seperti uji tarik, kekerasan, impak,crep
dan fatik, digunakan bukan untuk mempelajari keadaan cacatnya (defect state)
tapi untuk memeriksa kualitas produk yang dihasilkan berdasarkan suatu standart
spesifikasi.
b. Sifat Fisis
Sifat fisis adalah sifat bahan yang dapat diketahui tanpa memberi suatu
perlakuan, hanya melihat struktur luar dari material tersebut. Contohnya :
kerapatan(densitas), sifat-sifat termal,konduktifitas listrik, dan sifat magnetik.
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
C. Jenis – jenis Proses Heatreatment
a) Anneling (Melunakkan)
Proses Anneling atau melunakkan baja adalah proses di mana
pemanasan dilakukan sampai di atas temperature merata kemudian
dilakukan pendinginan di dalam tungku, di jaga agar bagian dalam dan luar
logam kira-kira sama sehingga diperoleh struktur yang diizinkan. Tujuan
dari Anneling antara lain untuk melunakkan material, menghilangkan
tegangan sisa dan memperbaiki struktur butir
b) Queenching (Pencelupan)
Pencelupan adalah pemanasan sampai kira-kira beberapa derajat di
atas temperature kritis 723 oC. Apabila suhu merata kemudian didinginkan
dengan menggunakan media pendingin air atau air garam maka diperoleh
austenit yang homogen atau martensit yang halus. Tujuannya yaitu
meningkatkan sifat kekerasan material serta kegetasannya.
c) Normalizing
Normalizing yaitu suatu proses panas logam sampai mencapai fasa
austensit yang kemudian didinginkan secara perlahan-lahan dengan media
pendingin udara. Prinsip dari Normalizing adalah untuk menormalkan
kembali kondisi logam setelah mengalami perubahan struktur akibat fatik
atau sejenisnya. Digunakan untuk proses pembuatan benda dari logam
melalui proses yang mengalami ketegangan.
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
d) Tempering
Tempering merupakan proses pemanasan logam di bawah temperature
kritisnya kemudian didinginkan. Bertujuan untuk mengurangi kekerasan
baja yaitu dengan mengurangi struktur martensit yang sangat kuat. Jika
kekerasan turun maka kekuatan tarik akan turun pula. Sedang keuletan dan
ketangguhan akan meningkat meskipun proses ini menghasilkan baja yang
lebih lunak.
e) Case Hardening
Yaitu proses pengerasan terhadap permukaan logam atau proses
pemanasan logam sampai temperature kritisnya 723 oC kemudian
didinginkan dengan cepat dengan media pendingin.
D. Analisa Viskositas Dan Densitas pada Media Pendingin
1) Air Garam ( = 1025 kg/m3 , v = 1,01 Pa.s)
Laju pendinginan lebih sepat dari media pendinginan yang lain. Hal ini
disebabkan karena massa jenisnya yang lebih besar dari media pendingin
lain. Butiran kristal mampu menyerap menghasilkan martensit bersifat keras
dan getas
2) Air Biasa ( = 998 kg/m3 , v = 1,01 Pa.s)
Viskositasnya lebih kecil sehingga proses pendinginannya lebih cepat
dari yang lain kecuali air garam. Hal ini disebabkan karena jarak antara
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
atom-atom di dalam air lebih rapat dan menghasilkan struktur martensit
yang buirannya lebih besar.
3) Solar ( = 981 kg/m3 , v = 3,25 Pa.s)
Laju pendingnannya lambat karena viskositasnya besar dan massa
jenis kecil.Menghasilkan struktur martensit, pearlit dan ferit sifat-sifatnya
keras dan lunak dengan butirn pearlit yang halus.
4) Oli ( = 981 kg/m3 , v = 4,02 Pa.s)
Pendinginan lebih lambat karena viskosiyasnya yang besar.
Menghasilan struktur ferit dan pearlit bahkan lebih cepat dibandingkan
solar.
5) Udara
Struktur yang dihasilkan lunak dan kuat di mana laju pendinginan
sangat lambat, karena udara memiliki massa jenis kecil dan viskositasnya
dianggap tidak ada untuk bahan yang static.
E. hal – hal yang mempengaruhi laju pendinginan
1. Viskositas
Viskositas merupakan kekentalan atau tingkat kekentalan yang dimiliki
suatu fluida atau zat cair. Semakin tinggi angka viskositasnya, maka semakin
lambat laju pendinginannya. Misalnya pada oli atau air garam, dimana air garam
memiliki tingkat viskositas yang rendah, namun massa jenisnya tinggi sehingga
laju pendinginan cepat dibandingkan oli yang memiliki tinggi sehingga laju
pendinginan cepat dibandingkan dengan oli yang memiliki tingkat viskositas
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
tinggisehingga panas sulit menguap dengan cepat sehingga laju pendinginan
lambat.
2. Densitas atau kerapatan (massa jenis)
Densitas merupakan massa jenis yang dimiliki media pendingin (fluida).
Semakin tinggi densitas yang dimiliki suatu media pendingin maka semakin cepat
laju pendinginannya.
3. Temperatur
Semakin tinggi temperature suatu bahan maka luju pendinginanjuga
semakin lambat, tetapi ini tergantung dari media pendingin yang digunakan,
semakin rendah temperature yang dibutuhkan suatu bahan maka semakin cepat
laju pendinginannya.
4. Waktu
Semakin cepat laju pendinginan maka waktu yang diperlukan semakin
sedikit/singkat, begitu juga sebaliknya semakin lama laju pendinginan maka
waktu yang dibutuhkan semakin banyak.
http://garispandang.blogspot.com/2011/03/hal-hal-yang-mempengaruhi
kecepatan.html
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
F. Grafik TTT (Time Temperature Transformation)
Dari diagram TTT tersebut, dapat dilihat pengaruh media pendingin pada
struktur yang dihasilkan pada specimen.
o Kurva I (Air Garam)
Pendinginan menggunakan air garam, waktu pendinginannya lebih cepat.
Potongan baja saat dicelupkan ke air garam akan mengalami penurunan
temperature dan melewati fasa austenit di mana potongan baja sangat
keras dan getas.
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
o Kurva II (Air)
Pada saat pemotongan baja yang telah dipanaskan kemudian dicelup dalam
air yang laju pendinginannya lebih lambat dari air garam. Potongan baja
saat dicelupkan akan mengalami penurunan temperature dan melewati fasa
austenit di mana potongan baja lunak dan ulet, dan berhenti pada fasa
martensit di mana potongan baja keras dan getas.
o Kurva III (Solar)
Pada saat pemotongan baja yang telah dipanaskan, dicelupkan dalam solar
yang laju pendinginannya lebih lambat dari air, potongan baja saat
dicelupkan akan mengalami penurunan temperature dan melewati fasa
austenit () + ferit () + karbida (C) di mana potongan baja lunak dan ulet,
dan mulai menjadi keras.
o Kurva IV (Oli)
Pada saat pemotongan baja yang telah dipanaskan kemudian dicelup dalam
oli yang laju pendinginannya lebih lambat dari solar. Potongan baja saat
dicelupkan akan mengalami penurunan temperature dan melewati fasa fasa
austenit () + ferit () + karbida (C) atau pearlite di mana potongan baja
yang lunak dan ulet, serta mempunyai sufat magnetic dan keras.
o Kurva V (Udara)
Potongan baja yang didinginkan dengan udara akan sangat lambat laju
pendinginannya. Di mana bahan/ baja akan berhenti pada fasa pearlit yang
lunak dan ulet serta bersifat magnetic.
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
G. DIAGRAM CCT (Continuos Cooling Transformation)
Dalam prakteknya proses pendinginan pada pembuatan material baja
dilakukan secara menerus mulai dari suhu yang lebih tinggi sampai dengan suhu
rendah.
Pengaruh kecepatan pendinginan manerus terhadap struktur mikro yang
terbentuk dapat dilihat dari diagram Continuos Cooling Transformation.
Gambar. 3 Diagram CCT (Continous Cooling Transformation)
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
(http://www.steelindonesia.com/article/02-heat_treatment.htm)
Penjelasan diagram:
a. Pada proses pendinginan secara perlahan seperti pada garis (a) akan
menghasilkan struktur mikro perlit dan ferlit.
b. Pada proses pendinginan sedang, seperti, pada garis (b) akan
menghasilkan struktur mikro perlit dan bainit.
c. Pada proses pendinginan cepat, seperti garis ( c ) akan menghasilkan
struktur mikro martensit.
Pada contoh gambar diagram diatas menjelaskan bahwa bila kecepatan
pendinginan naik berarti bahwa waktu pendinginan dari suhu austenit turun,
struktur akhir yang terjadi berubah dari campuran ferit — perlit ke campuran ferit
— perlit — bainit — martensit, ferit — bainit — martensit, kemudian
bainitmartensit dan akhirnya pada kecepatan yang tinggi sekali struktur yang
terjadi adalah martensit.
(http://www.steelindonesia.com/article/02-heat_treatment.htm)
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
H. DIAGRAM Fe - Fe3C
Gambar.1 Diagram Kesetimbangan Fasa Fe - Fe3C
Sumber : http://www.steelindonesia.com/article/02-heat_treatment.htm
Penjelasan diagram:
1. Pada kandungan karbon mencapai 6.67% terbentuk struktur mikro
dinamakan Sementit Fe3C (dapat dilihat pada garis vertical paling kanan).
Sifat – sifat cementitte: sangat keras dan sangat getas
2. Pada sisi kiri diagram dimana pada kandungan karbon yang sangat
rendah, pada suhu kamar terbentuk struktur mikro ferit.
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
3. Pada baja dengan kadar karbon 0.83%, struktur mikro yang terbentuk
adalah Perlit, kondisi suhu dan kadar karbon ini dinamakan titik
Eutectoid.
4. Pada baja dengan kandungan karbon rendah sampai dengan titik
eutectoid, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara ferit dan
perlit.
5. Pada baja dengan kandungan titik eutectoid sampai dengan 6.67%,
struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara perlit dan
sementit.
6. Pada saat pendinginan dari suhu leleh baja dengan kadar karbon rendah,
akan terbentuk struktur mikro Ferit Delta lalu menjadi struktur mikro
Austenit.
7. Pada baja dengan kadar karbon yang lebih tinggi, suhu leleh turun
dengan naiknya kadar karbon, peralihan bentuk langsung dari leleh
menjadi Austenit.
Dari diagram diatas dapat kita lihat bahwa pada proses
pendinginan perubahan – perubahan pada struktur kristal dan struktur
mikro sangat bergantung pada komposisi kimia
Sumber : http://www.steelindonesia.com/article/02-heat_treatment.htm
Penekanan terletak pada Struktur mikro, garis-garis dan Kandungan
Carbon.
a. Kandungan Carbon
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
1) 0,008%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada
temperature kamar
2) 0,025%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada
temperature 723Derajat Celcius
3) 0,83%C = Titik Eutectoid
4) 2%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Gamma pada
temperature 1130 Derajat Celcius
5) 4,3%C = Titik Eutectic
6) 0,1%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Delta pada
temperature 1493 Derajat Celcius
b. Garis – garis
1) Solidus adalah garis yang menunjukkan temperatur di mana zat
tersebut stabil dalam keadaan padat
2) Likuidus adalah garis yang menunjukkan temperatur di mana zat
tersebut stabil dalam keadaan cair
3) Garis Solvus ialah garis yang menunjukan batas antara fasa padat
denga fasa padat atau solid solution dengan solid solution
4) Garis Acm = garis kelarutan Carbon pada besi Gamma
(Austenite)
5) Garis A3 = garis temperature dimana terjadi perubahan Ferrit
menjadi Autenite (Gamma) pada pemanasan.
6) Garis A1 = garis temperature dimana terjadi perubahan Austenite
(Gamma) menjadi Ferrit pada pendinginan.
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
7) Garis A0 = Garis temperature dimana terjadi transformasi
magnetic pada Cementid.
8) Garis A2 = Garis temperature dimana terjadi transformasi
magnetic pada Ferrite.
c. Struktur mikro/fasa utama
1) Ferrite ialah suatu komposisi logam yang mempunyai batas
maksimum kelarutan Carbon 0,025%C pada temperature 723
Derajat Celcius, struktur kristalnya BCC (Body Center Cubic)
dan pada temperature kamar mempunyai batas kelarutan Carbon
0,008%C.
2) Austenite ialah suatu larutan padat yang mempunyai batas
maksimum kelarutan Carbon 2%C pada temperature 1130 Derajat
Celcius, struktur kristalnya FCC (Face Center Cubic).
3) Cementit ialah suatu senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C
dengan perbandingan tertentu (mempunyai rumus empiris) dan
struktur kristalnya Orthohombic.
4) Lediburite ialah campuran Eutectic antara besi Gamma dengan
Cementid yang dibentuk pada temperature 1130 Derajat Celcius
dengan kandungan Carbon 4,3%C.
5) Pearlite ialah campuran Eutectoid antara Ferrite dengan Cementid
yang dibentuk pada temperature 723 Derajat Celcius dengan
kandungan Carbon 0,83%C.
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
Sumber :(http://gregoriusagung.wordpress.com/2009/01/30/heat-treatment-
annealing-quenching/)
I. Sistem Kristalografi
1. Bentuk Kubus
a = b = c
α = β = γ = 90o
c
b
a
Kristal kubus mempunayai 3 jenis sel satuan bagian yang terkecil dari
suatu bahan yang bentuknya tetap dan beruang
a. Kubus sederhana (SC)
b. Kubus Mulia (FCC = Face Centered Cubic)
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
c. Kubus Dalam (BCC = Body Centered Cubic)
2. Tetragonal
Tetragonal terbagi atas 2 :
a. ST (Simple Tetragonal)
b. BCT (Body Central tetragonal)
a = b ≠ c
α = β = γ = 90o
3. Orthorombik
a. SO (Simple Orthorombik)
b. FCO (Face Centered Orthorombik)
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
c. BCO (Body Centered Ortorombik)
a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90o
b
c
a
S.o f.c.o b.c.o
b.c.o
4. Rhombohedral
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
a = b ≠ c
α = β = γ ≠ 90o
5. Heksagonal
a = b ≠ c
α = 120o
c
b
a
Heksagonal Sederhana
6. Monoclinik
a ≠ b ≠ c
β = γ ≠ 90o
Simple Monoclinik (S.M) Body Centered Monoclinik (B.C.M)
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
7. Tridimik
a ≠ b ≠ c
α ≠β ≠γ ≠ 90o
c
b
a
Simple Tridimik (S.T)
J. Unsur-Unsur Paduan
1) Karbon (C)
Pada baja karbon biasanya kekerasan dan kekuatannya meningkat
sebanding dengan kekuatan karbonnya, tetapi keuletannya menurun dengan
naiknya kadar karbon. Prosentase kandungan karbon akan memberikan sifat
lain pada baja karbon di antaranya: kemampuan untuk dibentuk, diperkeras,
diolah mesin, kemampuan untuk dilas dan sebagainya.
2) Mangan (Mn)
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
Mangan berfungsi untuk memperbaiki kekuatan tariknya dan
ketahanan ausnya. Unsur ini memberikan pengerjaan yang lebih mengkilap/
bersih dan menambah kekuatan dan ketahanan panas baja karbon.
3) Silikon (Si)
Silicon ditambahkan untuk memperbaiki homogenitas pada baja.
Selain itu, dapat menaikkan tegangan tarik dan menurunkan kecepatan
pendinginan pendinginan kritis sehingga baja karbon lebih elastis dan cocok
dijadikan sebagai bahan pembuatan pegas.
4) Posfor (P)
Posfor dalam baja dibutuhkan dalam prosentase kecil yaitu maksimum
0.04% yang berfungsi untuk mempertinggi kualitas serta daya tahan material
terhadap korosi. Material yang mengandung Posfor di atas 0.04% akan
mempunyai kecenderungan untuk menjadi getas dan mudah retak.
Penambahan posfor dimaksudkan pula untuk memperoleh serpihan kecil-
kecil pada saat proses permesinan.
5) Belerang (S)
Sulfur dimaksudkan untuk memperbaiki sifat-sifat mampu mesin.
Keuntungan sulfur pada temperature biasa, dapat memberikan ketahanan aus
pada gesekan tinggi.
6) Khrom (Cr)
Krom dengan karbon membentuk karbida dapat menambah keliatan,
menaikkan daya tahan korosi dan daya tahan terhadap keausan yang tinggi
keuletannya berkurang.
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
7) Nikel (Ni)
Sebagai unsur paduan dalam baja konstruksi dan baja mesin, nikel
memperbaiki antara lain kekuatan tarik, sifat tahan korosi, sifat tahan panas,
dan sifat magnitnya.
8) Molibden (Mo)
Molibden mengurangi kerapuhan pada baja karbon tinggi,
menstabilkan karbida serta memperbaiki kekuatan baja.
9) Titanium (Ti)
Titanium adalah logam yang kunak tetapi bila dipadukan dengan nikel
dan karbon akan lebih kuat, tahan aus, tahan temperature dan tahan korosi.
10) Wolfram/Tungsten (W/T)
Paduan ini dapat membentuk karbida yang stabil yang sangat keras,
menahan suhu pelumasan dan mengembalikan perubahan bentuk/struktur
secara perlahan-lahan.
K. Pengelompokan dan Standarisasi Baja
1) Amerika Serikat
a) ASTM ( American Society for Testing Materials )
o Strogen Steel (H3 9M-94)
o High Strength Low alloy Structure Steel (H2 42M-93a)
o Low and Intermediate tensile Strength carbon silicon,
steel plate for machine pane and general construction (A 284M-38)
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
o High Steel Strength. Quenhead and Temporal alloy steel
plate euatable for andirum (A 514-94m)
o Structural Steel mide 290 MPa minimum Yield point
(BMM) maximum
o High Strongth Low alloy alambium vanadium steel of
structural quality (43,72m-94a)
o Structural carbon steel plate of improved longers (AS
37M-93a)
o High Strength Low alloy Structural Steel 345 MPa
minimum yield point 100 mm thickness (AS 88M-94a)
o Normalized high Strength Low alloy Structural Steel
(A633-94a)
o Low carbonate hardening, nikel copped evanium
monodin, corombium and nikel copper columbion allow steel
(A710M-94)
o Hot road stuktural steel high Strength Low alloy plate
with improved in ability (A 610 M-93a)
o Quenhead and tempered carbon steel plates for structural
aniration (A 678-94a)
b) AISI (Americal Iron and Steel Institute) and SAE (Society of
Automotive Engineers)
Baja menurut standarisasi AISI dan SAE merupakan spesifikasi
dengan loxx digunakan untuk paduan yang sangat minimal. Contoh baja
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
AISI, SAE 1445, ini berarti kandungan karbonnya adalah 0,4% dengan
paduan uranium (0,4%-1,4%)
c) Menurut UNS (United Numbering System)
Baja menurut standar UNS hampir sama dengan standar AISI dan
SAE, hanya saja menggunakan huruf di depan ditambah lima digit untuk
jenis tambahan lainnya misalnya baja AISI,SAE A 0,70% UNS menjadi
G41070 di mana awalnya G untuk baja karbon paduan rendah.
2) Jepang (JIS = Japan Industrial Standar)
o Rolled Steel for general structural (G 3101-87)
o Rolled Steel for walled structural (G 3106-92)
o Hot Rolled Atmosphetle corrosion resisting steel (G
3128-87)
o Hot Yield Strength Steel plate for walled structural (G
3128-87)
o Superior atmosphere corrosion resistant steel (G 3215-87)
3) Standarisasi Jerman (DIN = Deutsche Industrie Norm.)
o Steel for general structural purposes (17100-80)
o Waldable tine astin steel (17102-83)
4) Standarisasi Perancis (NF)
o Structural Steel (A 35-501-87)
o Structural Steel Imprived atmosphere votection vistance
(H 35-502-DA)
LABORATORIUM METALURGI FISIK HEAT TREATMENT
DAFTAR PUSTAKA
Pengetahuan Bahan Teknik, Prof. Ir. Tata Surdia MS. Met., E dan
Prof. Dr. Shiroku Saito. Pradya Pratama.
Ilmu Teknologi Bahan, Lawrence H. Van Vlack, dan Sriati Djaprie
Erlangga, Jakarta.