14/11/2013 perlakuan panas (heat treatment) - cahaya...

10
14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6 PERLAKUAN PANAS PADA BAJA (Sistem Besi-Karbon) TRANSFORMASI FASA Perlakuan panas (Heat Treatment) Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia suatu paduan, tetapi juga tergantung pada strukturmikronya. Suatu paduan dengan komposisi kimia yang sama dapat memiliki strukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya akan berbeda. Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang dialami, terutama proses perlakuan-panas yang diterima selama proses pengerjaan. Proses perlakuan-panas adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap logam atau paduan dalam keadaan padat, sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu. Proses perlakuan-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan pemanasan specimen pada elektrik terance ( tungku ) sampai ke temperatur tertentu (temperatur rekristalisasi), lalu diikuti dengan penahanan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu dengan media pendingin seperti udara, air, air faram, oli dan solar yang masing-masing mempunyai kerapatan pendinginan yang berbeda-beda. Perlakuan panas merupakan pemanasan dan pendinginan bahan yang terkontrol untuk tujuan penentuan sifat-sifatnya. Logam seperti baja biasanya dilakukan perlakuan panas untuk tujuan: 1. Pelunakan (Softening) 2. Pengerasan (Hardening) 3. Modifikasi Material (Material Modification) Secara umum perlakukan panas (Heat treatment) diklasifikasikan dalam 2 jenis : 1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan) Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Near Equilibrium ini diantaranya adalah untuk : melunakkan struktur kristal, menghaluskan butir, menghilangkan tegangan dalam dan memperbaiki machineability. Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium, misalnya : Full Annealing (annealing), Stress relief Annealing, Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing. 2. Non Equilirium (Tidak setimbang) Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Non Equilibrium ini adalah untuk mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi. Jenis dari perlakukan panas Non Equibrium, misalnya : Hardening, Martempering,Austempering, Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction hardening)

Upload: trinhcong

Post on 07-Feb-2018

255 views

Category:

Documents


7 download

TRANSCRIPT

Page 1: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

1

Nurun Nayiroh, M.Si

Pertemuan Ke-6

PERLAKUAN PANAS PADA BAJA

(Sistem Besi-Karbon)

TRANSFORMASI FASA

Perlakuan panas (Heat Treatment)

� Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia suatupaduan, tetapi juga tergantung pada strukturmikronya.

� Suatu paduan dengan komposisi kimia yang sama dapat memilikistrukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya akan berbeda.

� Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang dialami, terutama proses perlakuan-panas yang diterima selama prosespengerjaan.

� Proses perlakuan-panas adalah kombinasi dari operasi pemanasandan pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukanterhadap logam atau paduan dalam keadaan padat, sebagai suatuupaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu.

� Proses perlakuan-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan pemanasan specimen pada elektrik terance ( tungku ) sampai ke temperatur tertentu (temperatur rekristalisasi), lalu diikutidengan penahanan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukanpendinginan dengan kecepatan tertentu dengan media pendingin seperti udara, air, air faram, oli dan solar yang masing-masing mempunyai kerapatan pendinginan yang berbeda-beda.

� Perlakuan panas merupakan pemanasan dan pendinginan bahan yang terkontrol untuk tujuan penentuan sifat-sifatnya.

� Logam seperti baja biasanya dilakukan perlakuan panas untuk tujuan:

1. Pelunakan (Softening)

2. Pengerasan (Hardening)

3. Modifikasi Material (Material Modification)

� Secara umum perlakukan panas (Heat treatment) diklasifikasikan dalam2 jenis :

1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan)Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Near Equilibrium inidiantaranya adalah untuk : melunakkan struktur kristal, menghaluskan butir, menghilangkan tegangan dalam danmemperbaiki machineability. Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium, misalnya : Full Annealing (annealing), Stress relief Annealing, Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing.

2. Non Equilirium (Tidak setimbang)Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Non Equilibrium ini adalahuntuk mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi. Jenisdari perlakukan panas Non Equibrium, misalnya : Hardening, Martempering, Austempering, Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction hardening)

Page 2: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

2

ReviewReviewReviewReview

Diagram Diagram Diagram Diagram NearNearNearNear Equilibrium FerriteEquilibrium FerriteEquilibrium FerriteEquilibrium Ferrite----CementidCementidCementidCementid (Fe(Fe(Fe(Fe----FeFeFeFe3333C)C)C)C)

Penekanan kita terletak pada Struktur mikro, garis-garis danKandungan Carbon.

KandunganCarbon� 0,008%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite padatemperature kamar

� 0,025%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite padatemperature 723 Derajat Celcius

� 0,83%C = Titik Eutectoid� 2%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Gamma pada temperature 1130 Derajat Celcius

� 4,3%C = Titik Eutectic� 0,1%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Delta pada temperature 1493 Derajat Celcius

Garis-garis� Garis Liquidus ialah garis yang menunjukan awal dari proses pendinginan(pembekuan).

� Garis Solidus ialah garis yang menunjukan akhir dari proses pembekuan(pendinginan).

� Garis Solvus ialah garis yang menunjukan batas antara fasa padat denga fasapadat atau solid solution dengan solid solution.

� Garis Acm = garis kelarutan Carbon pada besi Gamma (Austenite)� Garis A3 = garis temperature dimana terjadi perubahan Ferrit menjadiAutenite (Gamma) pada pemanasan.

� Garis A1 = garis temperature dimana terjadi perubahan Austenite (Gamma) menjadi Ferrit pada pendinginan.

� Garis A0 = Garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic padaCementid.

� Garis A2 = Garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic padaFerrite.

Page 3: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

3

Struktur mikro� Ferrite ialah suatu komposisi logam yang mempunyai batas maksimumkelarutan 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.

� Austenite ialah suatu larutan padat yang mempunyai batas maksimumkelarutan Carbon 2%C pada temperature 1130 Derajat Celcius, struktur kristalnya FCC (Face Center Cubic).

� Cementid ialah suatu senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C denganperbandingan tertentu (mempunyai rumus empiris) dan strukturkristalnya Orthohombic.

� Lediburite ialah campuran Eutectic antara besi Gamma denganCementid yang dibentuk pada temperature 1130 Derajat Celciusdengan kandungan Carbon 4,3%C.

� Pearlite ialah campuran Eutectoid antara Ferrite dengan Cementidyang dibentuk pada temperature 723 Derajat Celcius dengankandungan Carbon 0,83%C.

� Secara umum perlakuan panas dengan kondisi Near Equilibrium itudapat disebut dengan anneling.

� Anneling ialah suatu proses laku panas (heat treatment) yang seringdilakukan terhadap logam atau paduan dalam proses pembuatan suatuproduk.

� Tahapan dari proses Anneling ini dimulai dengan memanaskan logam(paduan) sampai temperature tertentu, menahan pada temperature tertentu tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahanyang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi dengan lajupendinginan yang cukup lambat.

� Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis atau kondisibenda kerja, temperature pemanasan, lamanya waktu penahanan, lajupendinginan (cooling rate), dll. Sehingga kita akan mengenal denganapa yang disebut : Full Annealing (annealing), Stress relief Annealing, Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing.

Page 4: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

4

1. Pelunakan (Softening)

� Pelunakan (softening) dilakukan dengan tujuan:� Untuk mengurangi kekuatan atau kekerasan, � Untuk menghilangkan tegangan sisa (residual stresses), � Untuk memperbaiki ketangguhan (toughness), � Untuk menaikkan keuletan (ductility), � Untuk memperhalus ukuran butir, atau � Untuk merubah sifat elektromagnetik dari baja.

� Proses pelunakan dapat berupa: �Proses anil (annealing process)�Anil sempurna (Full annealing) � Stress relief anneal � Speroidisasi�Proses Normalizing �Proses temper�Quenching (pencelupan dari suhu tinggi)

Anil sempurna (Full annealing)� yaitu proses peningkatan temperatur secara pelan sampai sekitar 500oC di atas temperatur austenit A3 atau Acm pada baja hypoeutectic (<0.77% C) dan 500oC dalam daerah Austenit –Cementit pada baja hypoeutectic (<0.77% C), kemudiandilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat (biasanyadengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat penyekatpanas yang baik).(Gambar 6.1).

� Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perliteyang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasansampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaikiukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaikimachinibility, pelunakan sebelum pemesinan.

Gambar 6.1. Mikrostruktur dan proses perlakuan panas

� Perlu diketahui bahwa selama pemanasan dibawah temperature kritisgarisA1 maka belum terjadi perubahan struktur mikro.

� Perubahan baru mulai terjadi bila temperature pemanasan mencapaigaris atau temperature A1 (butir-butir Kristal pearlitebertransformasi menjadi austenite yang halus).

� Pada baja hypoeutectoid bila pemanasan dilanjutkan ke temperature yang lebih tinggi maka butir kristalnya mulai bertransformasi menjadisejumlah Kristal austenite yang halus, sedang butir Kristal austenite yang sudah ada (yang berasal dari pearlite) hampir tidak tumbuh. Perubahan ini selesai setelah menyentuh garis A3 (temperature kritisA3). Pada temperature ini butir kristal austenite masih halus sekalidan tidak homogen. Dengan menaikan temperature sedikit diatastemperature kritis A3 (garis A3) dan memberi waktu penahanan(holding time) seperlunya maka akan diperoleh austenite yang lebihhomogen dengan butiran kristal yang juga masih halus sehingga bilanantinya didinginkan dengan lambat akan menghasilkan butir-butirKristal ferrite dan pearlite yang halus.

Page 5: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

5

� Baja yang dalam proses pengerjaannya mengalami pemanasansampai temperature yang terlalu tinggi ataupun waktu tahan(holding time) terlalu lama biasanya butiran kristalaustenitenya akan terlalu kasar dan bila didinginkan denganlambat akan menghasilkan ferrit atau pearlite yang kasarsehingga sifat mekaniknya juga kurang baik (akan lebih getas).

� Untuk baja hypereutectoid, annealingmerupakan persiapanuntuk proses selanjutnya dan tidak merupakan proses akhir.

Proses Normalizing

� Merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlitehalus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih keras dan kuat dari hasil anneal.

� Caranya: dilakukan dengan pemanasan lambat dan merata di atas temperatur transformasi (>600˚C di atas A3/Acm) dan didinginkan secara perlahan-lahan di udara untuk menghilangkan struktur-struktur yang tidak merata dari hasil proses sebelumnya, seperti pada proses pengecoran, tempa dan sebagainya. Pendinginan pada proses ini lebih cepatdaripada pendinginan pada annealing.

� Proses normalizing ini dilakukan pada baja untuk menghindari terjadinya retak.

Gambar 6.2. Proses Austenisasi

SpheroidizingSpheroidizingSpheroidizingSpheroidizing

� Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan strukturcarbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks ferrite .

� Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki machinibility(pemesinan) atau cold formed pada baja paduan kadar Carbon tinggi (C >0.6%) . Secara sederhana dapat dijelaskan sebagaiberikut : bahwa baja hypereutectoid yang dianneal itu mempunyaistruktur yang terdiri dari pearlite yang “terbungkus” oleh jaringancemented. Adanya jaringan cemented (cemented network) inimeyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibilityrendah. Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebutharus dihancurkan dengan proses spheroidizing.

� Tujuan proses ini adalah meningkatkan ketangguhan baja rapuh.

Page 6: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

6

� Cara : Bila struktur mula : Perlit – bahan dipanaskan 16-24 jam pada suhu sekitar eutektoid (~ 7000C). Bila struktur mula : martensit – bahan dipanaskan 1-2 jam pada suhu yang sama, baru kemudian didinginkan. Karena berada padatemperature yang tinggi dalam waktu yang lama makacemented yang tadinya berbentuk plat atau lempengan ituakan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere) yang disebutdengan spheroidite yang tersebar dalam matriks ferrite.

Gambar 6.3. Proses eutektoid

ProProProProsssseseseses AnnealingAnnealingAnnealingAnnealing

� Merupakan proses perlakuan panas yang ditujukan untukmelunakkan dan menaikkan kembali keuletan benda kerjaagar dapat dideformasi lebih lanjut dan besar butir yang homogen.

� Pada dasarnya proses Annealing dan Stress relief Annealing itumempunyai kesamaan yakni bahwa kedua proses tersebutdilakukan masih di bawah garis A1 (temperature kritis A1) sehingga pada dasarnya yang terjadi hanyalah rekristalisasisaja.

� Sifat kekerasan material yang dihasilkan dari proses ini dapat ditingkatkan dengan membatasi kecepatan pendinginan

Stress relief AnnealingStress relief AnnealingStress relief AnnealingStress relief Annealing

� Merupakan proses perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisaakibat proses sebelumnya, misalnya pembentukan (pengecoran), bagian yang dilas, dan bagian yang dibentuk pendinginan. Bagian tersebut cenderung mempunyai tegangan oleh karena siklus pemanasan atau cold working.

� Caranya : bagian tersebut dipanaskan pada temperatur sekitar 600 –6500C selama beberapa menit dan kemudian didinginkan dengan perlahan di udara.

� Perlu diingat bahwa baja dengan kandungan karbon dibawah 0,3% C itu tidak bisa dikeraskan dengan membuat struktur mikronya berupamartensite. Nah, bagaimana caranya agar kekerasannya meningkattetapi struktur mikronya tidak martensite? Ya, dapat dilakukan denganpengerjaan dingin (cold working) tetapi perlu diingat bahwa efek daricold working ini akan timbul yang namanya tegangan dalam atautegangan sisa dan untuk menghilangkan tegangan sisa ini perludilakukan proses Stress relief Annealing.

Page 7: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

7

Proses Temper Proses Temper Proses Temper Proses Temper

� Adalah suatu proses perlakuan panas yang mereduksi kegetasan dari bahan.

� Proses ini dilakukan pada temperatur di bawah kira-kira 723oC untuk mengurangi kekerasan bahan dan menambah keuletan bahan.

� Dengan temper mikrostruktur baja akan homogen dan tegangan sisa akibat pemanasan yang tinggi selama di-quenching tereliminasi atau dapat diminimalisasi. Baja yang dikeraskan seharusnya ditemper sebelum digunakan.

Hasil Riset

� Sigit Gunawan (2005) menyatakan korelasi antara pengaruh suhu temper terhadap ketangguhan impak dan kekuatan tarik baja AISI 420 dimana ketangguhan impak cenderung naik seiring dengan naiknya temperature temper, sebaliknya kekuatan tarik cenderung menurun dengan kenaikan temperatur temper. Sejlan dengan penelitian oleh Hasta Kuntara (2005) dengan baja X165CrMoV12 untuk bahan cetakan.

� V.N.Potluri (2002) menyatakan pengaruh waktu tempering terhadap sifat mekanis bahan berupa kekerasan dan kekuatan dimana kekerasan turun dengan kenaikan waktu temper, tetapi kekuatan tarik tidak terlalu berpengaruh terhadap waktu temper.

� Bakri & Chandrabakty (2006) → Kekuatan tarik dan ketangguhan baja komersial tidak terlalu berpengaruh secara signifikan terhadap variasi waktu (1 jam, 2 jam, 3 jam dan 4 jam) perlakuan panas temper ( 600oC)

Gambar 6.4. Efek perlakuan panas temper terhadap sifat mekanis material (Jurnal SMARTek, 2006)

QuenchingQuenchingQuenchingQuenching

� Proses quenching atau pengerasan baja adalah suatu proses pemanasan logam atau paduan sehingga mencapai batas austenit yang homogen.

� Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka austenit perlu waktu pemanasan yang cukup. Selanjutnya secara cepat baja tersebut dicelupkan ke dalam media pendingin, tergantung pada kecepatan pendingin yang kita inginkan untuk mencapai kekerasan baja.

� Quenching (pencelupan dari suhu tinggi): dilakukan pada bahan agar larutan padat yang terbentuk pada solution treatment tetap ada pada temperatur rendah.

Page 8: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

8

� Untuk menghindari terjadinya presipitasi yang cukup besar selama proses pendinginan maka perlu dipenuhi persyaratan seabagai berikut : oWaktu yang diperlukan untuk memindahkan komponen dari tungku (furnace) ke media pendingin harus cukup singkat.

o Volume, kapasitas penyerapan panas dan laju aliran media pendingin dipilih sedemikian hingga tidak terjadi presipitasi selamapendinginan

2. Pengerasan (Hardening)

� Hardness : fungsi dari kandungan karbon dari baja.

� Hardening baja mengalami perubahan dalam struktur BCC pada temperatur ruang ke FCC dalam daerah austenit.

� Baja dipanaskan pada daerah autenit kemudian di-Quenchingtiba-tiba sehingga martensite terbentuk dengan struktur sangat kuat dan brittle (rapuh). Quenching lambat menimbulkan Austenite and Pearlite terbentuk yang sebagian keras dan sebagian lunak. Cooling rate lambat membentuk Pearlite yang lunak (soft).

� Kekerasan adalah ukuran ketahanan terhadap deformasi plastis oleh indentasi.

� Kemampu Kerasan (Hardenability) adalah kemampuan bahan untuk dikeraskan (“mudah tidaknya” kekerasan dapat dicapai).

� Baja bertransformasi cepat dari austenit membentuk ferit dan karbida dengan kemampu kerasan rendah, martensit tidak terbentuk (karena transformasi suhu tinggi).

� Baja bertransformasi lambat dari austenit membentuk ferit dan karbida yang kemampu kerasan besar

Gambar 6.5. Mikrostruktur

3. Modifikasi Material (Material Modification)

� Perlakuan panas digunakan untuk memodifikasi sifat material menurut hardening dan softening. Proses ini memodifikasi sifat baja dalam sifat yang mengungtungkan untuk memaksimalkan penggunaan material seperti stress relieving, atau sifat kekuatan.

Page 9: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

9

Tabel Proses-proses Transformasi Baja

PROSES TUJUAN PROSEDUR FASA

Penganilan Memperlunak Pendinginan lambat dari daerah γ-stabil

α + karbida

Quencing Mengeraskan Quenching dengan menghindari kurva I-T

Martensit

Quenching terputus Mengeraskan tanpa menimbulkan retak

Quencing diikuti dengan pendinginan lambat dari Ms ke Mf

Martensit

Austemper Mengeraskan tanpa membentuk martensit rapuh

Quenching, diikuti dengan transformasiisotermal di atas Ms

α + karbida

temper Meningkatkan ketangguhan (dengan pelunakan minimal)

Pemanasan kembali martensit

α + karbida

Diagram Transformasi-Isotermal

Diagram Transformasi-Isotermal untuk Baja EutektoidDiagram Transformasi-Isotermal (I-T) untuk baja SAE 1045

Page 10: 14/11/2013 Perlakuan panas (Heat Treatment) - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/.../7/...Perlakuan-Panas-pada-Baja.pdf · 14/11/2013 1 Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan Ke-6

14/11/2013

10

Proses Transformasi