5

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Penelitian Sebelumnya

Dari penelitian yang dilakukan (Pinke, 2005) ini membahas tentang hasil

yang mempengaruhi struktur mikro paduan titanium Ti6Al4V dengan perlakuan

pada suhu 1050oC, 950

oC, dan 800

oC diikuti dengan media pendingin air dan

udara. Kemudian hasil efek parameter perlakuan panas di dokumentasikan oleh

Scanning Electron Microscopy(SEM) dan pengukuran kekerasan.

a) b)

Gambar 2.1 Mikro awal dari paduan model Ti6Al4V.

a) Karakter mikro b) Detail struktur lamellar (α + β)

Jenis- jenis mikrostruktur yang dihasilkan oleh perlakuan solusi terapan

yang berbeda ditunjukkan gambar 2.2 Pendinginan air dari 1050oC menyebabkan

struktur martensit α acicular. Antara selubung martensitik fase β dapat dilihat,

tidak ada pengendapan batas butir α yang diketahui. Perawatan solusi pada

6

1050oC diikuti oleh pendinginan udara mengarah ke struktur α + β khas dengan

batas butir α di β butiran sebelumnya.

Pendinginan air dari 950oC mengahsilkan struktur mikro yang terdiri dari

α martensit dan fase α primer, yang tidak dilarutkan dalam fase β pada 950oC.

Investigasi metalografi menunjukkan tidak ada fase α martensit yang

terbentuk setelah perawatan pada 800oC/air. Sebagai hasil dari pendinginan cepat,

fase β matastabil dengan tingkat kejenuhan tertentu bisa terjadi. Setelah

pendinginan udara dari 800oC struktur lamellar fase α + β diamati. Fase butir

batas muncul dalam struktur setelah treatment solusi pada 800oC baik stelah air

dan pendinginan udara.

Gambar 2.2 Mikrostruktur dikembangkan setelah perawatan solusi dari paduan

titanium model Ti6Al4V.

7

Setelah setiap proses perawatan solusi, perlakuan penuaan 4 jam pada

550oC diikuti dengan pendinginan udara dilakukan. Ciri-ciri khas dari struktur

mikro yang terbentuk setelah heat treatment dasarnya tidak berubah bahkan

setelah perlakuan penuaan ini. Pada gambar 2.3 dan gambar 2.4 mikrostruktur

tipikal ditunjukkan setelah proses air panas 950oC / air + 550

oC dan 950

oC / udara

+ 550oC.

Gambar 2.3 Ti6Al4V, 950oC/1h/air + Gambar 2.4 Ti6Al4V, 950

oC/1h/udara+

550oC 550

oC

Mikrostruktur setelah proses perlakuan panas diterapkan juga diamati

dengan scanning mikroskop elektron (SEM). Analisis SEM memverifikasi hasil

yang diperoleh dengan mikroskop optik. Gambar 2.5 menampilkan struktur

martensit yang masih khas asikuler setelah 1050oC/air+550

oC. Tampilan

mendetail ke daerah lamellar fase α dengan daerah sempit fase β (kolon α + β)

setelah 1050oC/udara+550

oC treatment ditunjukkan pada gambar 2.6.

8

Gambar 2.5 Ti6Al4V, 1050oC/1h/air Gambar 2.6 Ti6Al4V, 1050

oC/1h/udara

+ 550oC/4h, SEM + 550

oC/4h, SEM

Pengukuran kekerasan dilakukan untuk menyelidiki efek dari proses

perlakuan panas yang diterapkan pada sifat mekanik dari spesimen. Kekerasan

awal dari paduan cor adalah 312 HV. Hasil tes kekerasan setelah perlakuan panas

yang berbeda ditunjukkan pada tabel 2.1 nilai kekerasan tertinggi diukur setelah

1050 oC / air dan 950

oC / perawatan air. Pendinginan udara pada dasarnya tidak

memiliki pengaruh pada kekerasan awal paduan. Perlakuan penuaan berikutnya

pada 550oC menyebabkan peningkatan kekerasan dibandingkan dengan perlakuan

sebelumnya. Pertumbuhan kekerasan dapat dijelaskan oleh dekomposisi struktur

martensit, yaitu α ′ → α + β. Jika struktur martensit tidak terbentuk setelah adanya

perlakuan, kekerasan selama perawatan penuaan akan naik mungkin sebagai hasil

pengendapan fase α halus dari fase β, yaitu metastabil β → α halus + β.

9

Tabel 2.1 Pengaruh perlakuan panas diterapkan pada kekerasan paduan model

Ti6Al4V.

2.2 Titanium

Titanium pertama kali ditemukan pada tahun 1970. Dalam tabel periodik,

titanium mempunyai simbol Ti dan memiliki nomor atom 22. Merupakan logam

transisi dengan densitas yang rendah. Selain itu, titanium memiliki sifat

elektropositif dan mudah bersenyawa dengan karbon sehingga mengakibatkan

logam ini sulit untuk dimurnikan.

Gambar 2.7 Paduan titanium dalam bentuk batang bulat (Donachie, 2000).

10

Pada saat ini titanium banyak digunakan dalam industri karena keunikan

dari sifat yang dimiliki oleh logam ini. Keunikan yang dimiliki oleh logam

titanium lebih unggul dibandingkan dengan logam lainnya seperti alumunium,

baja dan supperalloy. Beberapa fakta yang dimiliki oleh titanium dan paduannya

antara lain (Donachie & Matthew, 2000):

a) Densitas yang dimiliki titanium hanya berkisar 60% dari baja, nikel, atau

supperalloy.

b) Titanium paduan dapat digunakan pada suhu sekitar 538oC sampai 595

oC

(1000oF hingga 1100

oF), tergantung pada komposisinya. Beberapa paduan

titanium (titanium aluminides) mungkin memiliki kemampuan bertahan diatas

suhu ini.

c) Titanium sangat tahan korosi. Bahkan lebih baik dari stainless steel yang

beredar dipasaran.

d) Titanium memiliki sifat biokompatibel yang baik sehingga dapat digunakan

didalam tubuh manusia.

Titanium mempunyai sifat nonmagnetik. Dengan koefisien dari ekspansi

termal yang sedikit lebih rendah dibandingkan dengan baja dan kurang dari

setengah material aluminium. Dibandingkan dengan baja, titanium dan paduannya

mempunyai titik leleh yang lebih tinggi, tetapi suhu maksimum yang digunakan

untuk aplikasi struktural umumnya berkisar kurang dari 427oC (800

oF) untuk

temperatur 583oC sampai 595

oC (1000

oF – 1100

oF) yang bergantung pada

komposisi.

11

Titanium memiliki kemampuan pasif dengan demikian menunjukkan

tingkat kekebalan terhadap mineral, asam dan klorida. Titanium murni nontoxic

dan beberapa paduan titanium umumnya memiliki kompetibelitas dengan jaringan

dan tulang manusia karena tahan terhadap korosi, ringan dan memiliki kekuatan

yang baik dibandingkan dengan aluminium dan baja. Selain itu, titanium banyak

digunakan dalam aplikasi lainnya seperti aplikasi biomaterial, kimia dan

petrokimia, lingkungan laut, serta struktur pesawat.

2.3 Paduan Titanium (Ti 6Al-4V)

Titanium pada umumnya merupakan elemen allotropik atau logam yang

memiliki lebih dari satu bentuk kristalograpi. Pada suhu kamar, titanium memiliki

struktur kristal heksagonal (Hexagonal closed Packed, HCP) yang disebut

sebagai fase alpha. Struktur ini akan berubah menjadi struktur kubik berpusat

(BCC) ketika dipanaskan dengan temperatur 888°C (1621°F), struktur ini disebut

juga sebagai fase beta.

Gambar 2.8 Struktur kristal titanium pada tingkat atom (a. heksagonal) dan (b.

Kubik) (Donachie, 2000).

12

Titanium 6Al-4V merupakan titanium paduan yang berada pada fase

alpha-beta yang berisi 6 wt% almunium dan 4 wt% vanadium. Titanium jenis ini

biasanya digunakan untuk pressure vassel, baling-baling turbin gas pesawat dan

implan biomedis. Titanium 6Al-4V memiliki kombinasi kekuatan dan

ketangguhan yang lebih baik serta memiliki ketahanan terhadap korosi.

Titanium 6Al-4V memiliki kelebihan antara lain berat yang lebih ringan

dibandingkan baja dengan tingkat kekerasan yang sama, memiliki kemampuan

pasif dan dengan demikian menunjukkan tingkat ketahanan terhadap mineral,

asam, protein dan klorida. Titanium murni nontoxic dan beberapa paduan titanium

lainnya umumnya memiliki kompatibelitas dengan jaringan dan tulang manusia

karena tahan terhadap korosi, serta memiliki kekuatan yang baik jika

dibandingkan dengan aluminium dan baja selain itu titanium paduan juga

memiliki sifat biokompatibel atau kemampuan suatu material untuk dapat

ditanamkan dalam tubuh manusia tanpa menimbulkan reaksi negatif terhadap

sistem biologi tubuh makhluk hidup. Dengan demikian, titanium merupakan

paduan yang paling cocok digunakan sebagai implan biomaterial karena dari

material implan yang telah diambil dan dipelajari tingkat korosi yang terjadi

sangatlah kecil. (Enderle & Bronzino,2000)

13

Gambar 2.9 Diagram Fasa Ti-Al.

2.4 Perlakuan Panas (Heat Treatment)

Perlakuan panas (heat treatment) pada umumnya dilakukan untuk

memodifikasi struktur mikro baja sehingga dapat meningkatkan sifat mekanik

yang salah satunya adalah kekerasan (Smallman and Bishop, 1999)

Perlakuan panas (heat treatment) didefinisikan sebagai kombinasi dari

proses pendinginan dan pemanasan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan

sebagai upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu terhadap logam/paduan.

Tujuan dari perlakuan panas (heat traetment) adalah suapaya didapatkan sifat

mekanik yang lebih baik seperti meningkatkan kekerasan, mengurangi tegangan,

melunakkan dan menghaluskan butir kristal yang berpengaruh pada pengerjaan

sebelumnya dan menghaluskan butir kristal yang akan berpengaruh pada keuletan

bahan (ASM handbook Vol. 4 1991)

14

Pada penelitian kali ini bahan di heat treatment dengan suhu 1000oC

selama 1 jam kemudian didinginkan dengan media quenching menggunakan oli,

udara, dan air.

2.5 Klasifikasi Perlakuan Panas

Secara luas proses perlakuan panas (heat treatment) dapat diklasifikasikan

menjadi dua jenis, yaitu proses perlakuan panas yang menghasilkan kondisi

seimbang dan perlakuan panas yang menghasilkan kondisi yang tidak seimbang.

Sedangkan proses perlakuan panas secara umum dapat diklasifikan sebagai

berikut :

1. Annealing

2. Normalizing

3. Hardening

4. Tempering

2.5.1 Annealing

Annealing dapat di definisikan sebagai pemanasan yang dilakukan pada

suhu yang sesuai dan diikuti dengan proses pendinginan yang dilakukan pada

kecepatan yang sesuai. Hal ini bertujuan untuk memperbaiki sifat-sifat pengerjaan

dingin dan membebaskan tegangan-tegangan serta dapat menginduksi kelunakan

pada material sehingga diperoleh struktur yang dikehendaki. Adapun jenis dari

proses annealing diantaranya :

Annealing penuh

15

Isotermis

Annealing kritis bawah

2.5.2 Normalizing

Normalizing adalah proses pemanasan yang dilakukan pada suhu austenit

dengan cara memanaskan bahan pada suhu 10oC-40

oC diatas daerah kritis

kemudian pendinginan dibiarkan di udara terbuka. Hasil proses normalizing pada

bahan akan mendapatkan hasil berbutir yang lebih halus, lebih homogen dari hasil

annealing ( Wardoyo, 2005).

2.5.3 Hardening

Hardening adalah proses perlakuan panas (heat treatment) terhadap baja

dengan tujuan untuk meningkatkan kekerasan alami baja. Perlakuan panas

menurut pemanasan benda kerja menuju suhu pengerasan kemudian dilakukan

pendinginan secara cepat dengan kecepatan pendinginan kritis ( Schonmetz dan

Gruber, 1985).

Hardening dilakukan untuk mendapatkan sifat tahan aus yang tinggi dan

kekuataan yang lebih baik pada bahan. Kekerasan yang ingin didapatkan

tergantung dari waktu penahan (holding time), perlakuan pendinginan yang

dilakukan, dan ketebalan sampel. Agar mendapat kekerasan yang baik (martensit

yang keras) dapat dilakukan dengan pemanasan untuk mencapai struktur austenit.

Apabila pada saat pemanasan masih terdapat struktur lain maka setelah di quench

akan mendapatkan struktur yang tidak seluruhnya terdiri dari martensit (Dalil dkk,

1999).

16

2.5.4 Tempering

Tempering adalah suatu proses pemanasan setelah diquenching pada

temperatur tempering (dibawah suhu kritis) sehingga didapatkan keuletan tertentu,

yang kemudian dilanjutkan dengan proses pendinginan (Koswara, 1991).

Baja yang sudah dikeraskan bersifat rapuh dan tidak cocok untuk

digunakan. Dengan temper kekerasan dan kerapuhan dapat dilakukan sampai

dengan yang diinginkan sehingga kekerasan dan kekuatan tarik akan turun dan

sedangkan kekuatan dan ketangguhan baja meningkat (Djafrie, 1985).

Temper yang dilakukan pada suhu rendah antara 150-230oC akan

menghasilkan penurunan yang tidak berarti. Tetapi bila suhu temper meningkat,

martensit dapat terurai lebih cepat dan sekitar suhu 3150C perubahan fasa menjadi

martensit berlangsung dengan cepat.

2.6 Pendinginan (Quenching)

Quenching merupakan proses pengerjaan logam dengan pendinginan yang

dilakukan secara cepat. Sehingga akan mencegah adanya proses yang terjadi pada

pendinginan lambat seperti pertumbuhan butir. Laju quenching tergantung pada

beberapa faktor dianataranya panas spesifik, panas pada penguapan, viskositas,

konduktifitas termal medium, dan agritas (aliran media pendingin) (Syaefudin,

2001).

Proses pendinginan quenching ini dilakukan pendinginan secara cepat.

Tujuannya untuk mendapatkan struktur martensite.

Proses pendinginan (quenching) dapat dilakukan dengan cara:

17

Pendinginan langsung (Direct Quenching) adalah pendinginan secara

langsung dari media karburasi. Efek yang didapat biasanya adanya

pengelupasan pada benda kerja dan juga permukaan benda kerja yang

getas.

Pendinginan tunggal (Single Quenching) adalah pemanasan dan

pendinginan benda kerja setelah di karburasi dan telah didinginkan

pada suhu kamar. Tujuannya adalah memperbaiki difusisitas dari

atom-atom karbon, dan agar gradien komposisi lebih halus.

Double Quenching adalah proses pendinginan atau pengerasan benda

kerja yang telah di karburasi dan didinginkan pada suhu kamar

kemudian dipanaskan lagi diluar kotak karbon pada suhu kamar lalu

dipanaskan lagi pada temperatur austenit dan baru didinginkan cepat.

Tujuannya adalah untuk mendapat butir struktur yang lebih halus.

2.7 Waktu Penahanan (Holding Time)

Holding time adalah waktu penahanan yang dilakukan dengan cara menahan

benda kerja berada dalam tungku (furnace) guna memperoleh kekerasan yang

diinginkan dari suatu bahan dengan menahan pada suhu pengerasan untuk

memperoleh pemanasan yang homogen. Holding time dilakukan pada saat suhu

dapur mencapai suhu panas yang dikehendaki sehingga memberi kesempatan

penyempurnaan bentuk kristal yang terbentuk pada suhu transformasi.

18

2.8 Media Pendingin

Terdapat beberapa macam media pendingin yang sering digunakan dalam

proses perlakuan panas, diantaranya yaitu :

1. Air

Dalam senyawa kimia air mempunyai rumus kimia H2O dengan titik beku

0oC dan titik didih 100

oC. Air mempunyai ciri-ciri tidak berwarna, tidak

berasa dan juga tidak berbau (Halliday dan Resnick, 1985). Dengan

memiliki sifat yang mudah menyerap panas yang dilewatinya dan panas

yang terserap menjadi cepat dingin, air sering digunakan sebagai media

pendingin. Kemampuan menahan panas yang dimiliki air besarnya 10 kali

dari minyak (Soedjono, 1978).

2. Oli

Oli juga banyak dipakai sebagai media pendingin dalam perlakuan panas.

Viskositas yang dimiliki oli sangat berpengaruh dalam proses pendinginan

sampel. Viskositas yang lebih rendah memiliki kemampuan menyerap

panas lebih baik dibandingkan dengan oli yang memiliki viskositas lebih

tinggi karena penyerapan panas akan lebih lambat (Soedjono,1978).

3. Udara

Pendinginan menggunakan udara digunakan untuk perlakuan panas yang

laju pendinginan berjalan lambat dengan cara bahan dibiarkan berada di

ruangan terbuka. Udara sebagai media pendingin akan memberi

kesempatan logam untuk membentuk kristal dan memungkinkan logam

untuk mengikat unsur-unsur lain dari udara(Soedjono,1978).

19

2.9 Pengujian Kekerasan

Pengujian kekerasan adalah pengujian yang dilakukan untuk mencari

kekerasan dari suatu bahan dan dapat dilakukan pada benda uji yang relatif kecil

tanpa melihat spesifikasi yang dimiliki benda uji. Pengujian yang sering dilakukan

yaitu dengan menekankan benda uji dengan indentor dengan beban bervariasi

kemudian menugukur bekas dari penekanan yang terbentuk untuk mengetahui

tingkat kekerasan bahan tersebut (surdia,2000).

2.9.1 Pengujian Vickers

Pengujian yang banyak digunakan dalam menentukan tingkat kekerasan

bahan adalah dengan metode uji kekerasan Vickers. Uji Vickers dikembangkan di

Inggris sekitar tahun 1925. Dikenal juga dengan Diamond Pyramid Hardness Test

(DPH). Uji kekerasan Vickers menggunakan indentor piramida intan, besar sudut

antar permukaan piramida intan yang saling berhadapan yaitu sekitar 136 derajat.

Terdapat dua rentang kekuatan yang berbeda yang dimiliki alat uji vikckers ini

yaitu micro dengan beban (10g-1000g) dan macro dengan beban (1kg-100kg).

Standart :

ASTM E 384 - Rentang Mikro (10g-1000g)

ASTM E 92 – Rentang Makro (1kg-100kg)

ISO 6507 – Rentang Mikro dan Makro

Cara pengujian Vickers :

20

1. Persiapkan alat dan bahan pengujian

a. Mesin uji kekerasan Vickers (Vickers Hardness Test)

b. Indentor piramida intan (diamond pyramid)

c. Stopwatch

d. Mikroskop pengukur (biasanya satu set dengan alatnya)

2. Indentor ditekankan ke benda uji dengan beban tertentu. (rentang

mikro 10g-1000g dan rentang makro 1kg-100kg).

3. Tunggu hingga 10-20 detik.

4. Lepaskan indentor dari benda uji.

5. Ukur 2 diagonal lekukan persegi (belah ketupat) yang terjadi

menggunakan mikroskop pengukur.

6. Masukkan data kedalam rumus.

Rumus perhitungan pengujian metode Vickers

VHN =

Dimana :

VHN : Vickers Hardness Number

P : Beban yang diberikan (kgf)

d : Panjang diagonal rata-rata hasil indentasi

21

2.10 Pengujian Mikrostruktur

Struktur bahan dalam orde kecil sering disebut struktur mikro. Pengujian

mikro adalah suatu pengujian untuk mengamati struktur perubahan fasa pada

suatu spesimen. Struktur ini tidak dapat dilihat dengan mata telanjang, tetapi dapat

dilihat dengan menggunakan alat pengamat struktur mikro, diantaranya :

mikroskop elektron, mikroskop optis, dan mikroskop sinar X. Penelitian ini

menggunakan mikroskop cahaya, adapun manfaat dari pengamatan struktur mikro

ini adalah untuk :

1. Mempelajari hubungan antara sifat-sifat bahan dari struktur mikronya.

2. Mengetahui jenis-jenis fasa yang terbentuk pada bahan dengan jelas.