Download - 89808219 Heat Treatment
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
BAB IV
HEAT TREATMENT
4.1 PENDAHULUAN
Heat treatment menjadi sangat penting karena dalam aktifitas permesinan saat
ini mengingat fungsi dan tujuan dari adanya heat treatment ini sangat mendukung dari
alur perkembangan logam dalam upaya meningkatkan fungsi dari masing-masing
logam. Proyek pengerjaan logam tentunya memerlukan nilai kekerasan tiap-tiap
logam yang akan digunakan untuk memudahkan dan meningkatkan nilai efisiensi
pabrik itu sendiri. Dengan adanya heat treatment pengerjaan logam untuk pelaksanaan
proses permesinan selanjutnya akan lebih mudah, dapat juga meningkatkan kekuatan
dari logam yang menjadi spesimen, karena dalam proses heat treatment ini terjadi
yang namanya penghilangan tegangan dalam dan meningkatkan tingkat keuletan
logam yang menjadi specimen.
Ada dua hal yang berkaitan langsung dengan perubahan nilai kekerasan suatu
logam, yang pertama adalah menaikkan nilai kekerasan suatu benda yang disebut
dengan hardening. Dan menurunkan nilai kekerasan benda itu sendiri atau yang
disebut dengan softening. Heat treatment merupakan metode untuk melakukan itu
semua, karena dengan metode heat treatment ini, logam yang akan diubah nilai
kekerasannya diperlakukan sesuai dengan tujuannya. Logam yang diharapkan nilai
kekerasan lebih besar akan diperlakukan berbeda dengan logam yang diharapkan
memiliki nilai kekerasan yang rendah.
4.2 TUJUAN
a. Mendapatkan sifat mekanik material yang diinginkan dengan melakukan proses
Heat Treatment
b. Mengetahui pengaruh perlakuan panas terhadap sifat fisik dan sifat mekanik suatu
material.
c. Membandingkan kekerasan suatu material yang mendapat perlakuan panas
dengan yang tidak mendapat perlakuan panas.
d. Untuk mengurangi kebutuhan daya pembentukan dan kebutuhan energi.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
4.3 DASAR TEORI
4.3.1 Pengertian.
Heat treatment adalah proses pemanasan dan pendinginan yang terkontrol
terhadap logam hingga suhu tertentu sesuai dengan tujuan pemakaiannya. Tujuan dari
heat treatment adalah :
1. Mempersiapkan material untuk pengolahan berikutnya.
2. Mempermudah proses machining.
3. Mengurangi kebutuhan daya pembentukan dan kebutuhan energi.
4. Memperbaiki keuletan dan kekuatan material
5. Mengeraskan logam sehingga tahan aus dan kemampuan memotong meningkat.
6. Menghilangkan tegangan dalam.
7. Memperbesar atau memperkecil ukuran butiran agar seragam.
8. Menghasilkan pemukaan yang keras disekeliling inti yang ulet.
Pembentukan sifat-sifat dalam baja tergantung pada kandungan karbon,
temperatur pemanasan, sistem pendinginan, serta bentuk dan ketebalan bahan.
1. Pengaruh unsur karbon
Kekerasan baja ini tergantung dari pada jumlah karbon yang terkandung di dalam
baja, dimana makin tinggi prosentase karbonnya makin keras baja.
2. Pengaruh suhu pemanasan
Baja karbon rendah dipanaskan diatas titik kritis atas (tertinggi). Seluruh
unsur karbon masuk ke dalam larutan padat dan selanjutnya didinginkan. Baja
karbon tinggi biasanya dipanaskan hanya sedikit diatas titik kritis terendah
(bawah). Dalam hal ini, terjadi perubahan perlit menjadi austenit. Pendinginan
yang dilakukan pada suhu itu akan membentuk martensit. Juga sewaktu
kandungan karbon diatas 0,83% tidak terjadi perubahan sementit bebas menjadi
austenit, karena larutannya telah menjadi keras. Sehingga perlu dilakukan
pemanasan pada suhu tinggi untuk mengubahnya dalam bentuk austenit.
Lamanya pemanasan bergantung atas ketebalan bahan tetapi bahan harus tidak
berukuran panjang karena akan menghasilkan struktur yang kasar.
3. Pengaruh pendinginan
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Jika baja didinginkan dengan kecepatan minimum yang disebut dengan
kecepatan pendinginan kritis maka seluruh austenit akan berubah ke dalam
bentuk martensit. Sehingga akan dihasilkan kekerasan baja yang maksimum.
Adapun kecepatan pendinginan kritis adalah bergantung pada komposisi kimia
baja. Untuk pendinginan yang cepat digunakan larutan garam atau soda api yang
dimasukkan ke dalam air. Sementara itu, untuk pendinginan yang sangat lambat
digunakan embusan udara secara cepat melalui batas lapisannya.
Dari penjelasan di atas, secara umum pemanasan pada baja dapat dibuat
skema transformasi dekomposisi austenit seperti pada Gambar 4.1 di bawah ini.
Gambar 4.1 Skema Transformasi Dekomposisi Austenite
(Sumber : William D. Callister. Materials Science And Engineering halaman 225)
Selain karbon, pada besi dan baja terkandung Si, Mn, dan unsur pengotor lain
seperti P, S, dll. Unsur-unsur tersebut tidak berpengaruh besar terhadap diagram fasa
seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4.2 sehingga diagram fasa dapat dipergunakan
tanpa menghiraukan adanya unsur-unsur tersebut. Paduan besi karbon terdapat fasa
karbida yang disebut sementit dan grafit, grafit lebih stabil daripada sementit.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.2 Diagram Fasa Besi-Karbida-Besi (Fe-Fe3C)
Titik penting dalam diagram fasa ini adalah :
A : titik cair besi
A2 : titik transformasi magnetic untuk besi atau ferrit
A3 : titik transfomasi besi ∂ →
ACM : Titik eutektoid selama pendinginan ferrit pada komposisi alfa dan sementit
pada komposisi terbentuk simultan dari austenit. Reaksi eutektoid ini dinamakan
transformasi A1 dan fasa eutektoid ini dinamakan ferrit.
Diagram tersebut bermanfaat untuk memilih suhu yang tepat untuk berbagai
operasi heat treatment dan memperlihatkan pula struktur yang dapat diperoleh setelah
pendinginan perlahan-lahan. Dilihat dari transformasinya, ada 3 macam baja yaitu:
a. Baja dengan titik transformasi A1, berupa ferit dibawah A1
dan austenit pada A3 atau di atas A1.
b. Baja dengan titik transformasi A1 dibawah temperatur kamar,
berupa austenit pada temperatur kamar.
c. Baja dengan daerah austenit yang kecil, berupa ferit sampai
temperatur tinggi pada daerah komposisi tertentu.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
4.3.2 Jenis-jenis heat treatment
Proses heat treatment dapat dikelompokkan dalam 2 (dua)
kelompok besar, yaitu :
1. Hardening
Hardening adalah pemanasan yang dilakukan terhadap logam (spesimen) agar pada
permukaan logam terbentuk kembali austenit kemudian dilakukan pendinginan
cepat untuk mendapatkan struktur logam terkeras yaitu martensit. Material besi dan
baja yang akan digunakan pada suatu produksi diharapkan mempunyai kekuatan
statik dan dinamik, ulet, mudah diolah, tahan korosi dan memiliki sifat
elektromagnet. Sehingga diperlukan suatu perlakuan khusus pada material tersebut
agar dapat memenuhi harapan tersebut, antara lain dengan proses hardening.
Hardening dapat menjadi 2 ( dua ) yaitu :
a. Surface hardening
Suatu komponen harus mempunyai permukaan yang keras dan tahan pakai.
Sifat-sifat yang berbeda dapat digabungkan dalam suatu baja dengan pengerasan
permukaan yang dapat dilakukan dengan cara pemanasan seluruh komponen
atau sebagian pada bagian permukaan komponen (surface hardening). Jenis
hardening berdasarkan bahan yang digunakan yaitu :
1.) Dengan penambahan zat
a.) Karburasi
Karburisasi atau karbonasi adalah proses memanaskan sampai suhu 900-
950oC dalam lingkungan yang memberikan karbon, lalu dibiarkan
beberapa waku lamanya pada suhu tersebut dan kemudian didinginkan.
Tujuan dari pengerjaan panas itu ialah untuk memberi lapisan luar pada
benda kerja yang dapat disepuh keras. Pengerjaan karbon ini digunakan
untuk baja dengan kadar karbon dari 0.1-0.2%. Tebalnya lapisan
karburasi dalam lingkungan yang dapat menghasilkan karbon tergantung
dari waktu karburasi dan suhu. Hubungan antara kandungan karbon pada
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
material dan kekerasan material pada proses karburasi ditunjukkan
dalam Gambar 4.3 di bawah ini.
Gambar 4.3 Hubungan Kandungan Karbon dan Kekerasan Material pada Karburasi
i. Karburasi dengan perantaan zat padat ( pack carburizing )
Dalam proses karburasi seperti yang terlihat pada Gambar
4.4 di bawah ini, ini baja mengalami pemanasan dengan
menggunakan 80% batu bara dan 20% BaCO3 sebagai energi
dalam kotak pemanas dan dipanaskan pada suhu 930°C dalam
kotak pemanas elektrik dengan waktu tertentu tergantung pada
kedalaman yang diinginkan. Temperatur yang tinggi pada alat
tersebut membantu penyerapan karbon pada lapisan luar.
Reaksi yang terjadi:
(i) Penguraian energi untuk memberikan gas CO pada
permukaan baja
BaCO3 → BaO + CO2
CO2 + C → 2CO
(ii) Karbon monoksida bereaksi dengan permukaan baja
2CO + Fe → Fe(c) + CO2
(iii) Karbon berdifusi ke dalam baja
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
(iv) CO2 yang terbentuk dalam tahap (i) bereaksi dengan ‘C’
pada batubara
CO2 + C↔ 2CO
Gambar 4.4 Proses Pack Carburizing
(Sumber: www.info.lu.farmingdale.edu )
Pada umumnya waktu karburisasi bervariasi antara 6 sampai 8 jam
dan kedalamannya antara 1-2 mm. Pada proses ini hasilnya
bergantung pada kualitas batu bara. Pada proses ini kontrol suhu
dan kedalaman lebih kecil daripada karburisasi cair dan gas.
Gambar 4.5 Penyusunan Benda pada Pelaksanaan Karburising
Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa dalam proses karburasi,
jarak antara benda kerja yang akan dikarburasi minimal sejauh 30
cm.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Kelebihan sistem karburasi ini adalah diperlukan biaya
yang kecil dan sangat mudah dari pada teknik surface hardening
yang lain. Sedangkan kekurangannya adalah memakan waktu
yang cukup lama dan merupakan proses hardening yang kotor.
ii. Karburasi dengan perantaraan zat cair (liquid carburizing)
Karburisasi jenis ini menggunakan lelehan sianida (CN)
pada baja berkarbon rendah yang dipanaskan dengan
menggunakan belanga pemanas yang dipanaskan dengan minyak
atau gas. Suhunya kira-kira 815-900°C. Proses yang dilakukan
dengan kontinue dan otomatis akan memberikan hasil akhir yang
baik. Permukaan lelehan ditutup dengan grafit atau batu bara untuk
mengurangi hilangnya radiasi dan dekomposisi sianida yang
berlebihan. Selain sodium dan potassium sianida, lelehan yang
digunakan juga mengandung sodium dan potassium klorida dan
barium klorida yang berperan sebagai aktivator.
Reaksi pada larutan garam sianida;
BaCl2 + 2Na CN → Ba(CN)2 + 2NaCl
Ba(CN)2 + Fe → Fe(c) + BaCN2
Difusi nitrogen berguna untuk oksidasi sianida (CN)
menjadi CNO. Kelebihan karburisasi cair, jangka waktu
pemanasannya pendek dan perambatan panasnya cepat. Proses ini
menghasilkan lapisan karburisasi yang merata, tipis dan jernih
(ketebalannya 0,08mm). Kekurangannya, proses ini memerlukan
pengawasan dan kehati-hatian untuk mencegah peledakan.
iii. Karburasi dengan perantaraan zat gas (gas carburizing).
Metode ini adalah karburisasi yang paling sering
digunakan. Proses ini dilakukan pada tabung kimia, pendingin
tertutup, atau tungku pemanas dengan pendororng kontinyu. Suhu
gas untuk karburisasi sekitar 870-950 °C. Gas tersebut dihasilkan
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
dari cairan (metanol, isopropanol) atau gas hidrokarbon (propana
dan metana) seperti yang terlihat pada Gambar 4.6 di bawah ini.
Gambar 4.6 Proses Gas Carburizing
( Sumber : www.rpdrc.com )
Generator gas endotermik digunakan untuk menghasilkan gas
endotermik. Senyawa propana atau metana akan terpecah oleh
udara pada tabung kimia pada generator endogas untuk
membentuk gas penghubung, dimana titik pengembunannya diatur
pada +4°C dengan rasio gas yang tepat.
Gas tersebut merupakan gas penghantar dalam proses ini. Tungku
pemanas dipenuhi oleh gas tersebut sampai bertahan pada tekanan
positif. Keadaan ini akan mencegah infiltrasi udara dari atmosfer.
Gas ini juga mencegah oksidasi baja selama pemanasan. Selama
karburisasi gas, reaksi yang berlangsung adalah;
(i) C3H8 → 2CH4 + C (pemecahan hidrokarbon)
(ii) CH4 + Fe → Fe(c) +2H2
(iii) CH4 + CO2 → 2CO +2H2
(iv) 2CO + Fe → Fe(c) + CO2
Karburisasi terjadi sebagian besar meliputi konversi CO
menjadi CO2 pada reaksi (iv). Hidrogen bereaksi dengan CO2 dan
meningkatkan konsentrasi CO dengan reaksi:
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
H2 + CO2 → CO + H2O
Oksigen (O2) dihasilkan dari reaksi;
2CO → 2CO + O2
2CO + Fe → Fe(c) + O2
Gas digunakan sebagai bahan perantara yang sesuai untuk
karburasi yang dilakukan terus menerus. Hal itu akan
menghasilkan suatu lapisan yang tebalnya sekitar 1 mm dan
memerlukan waktu sekitar 4 jam. Selama karburasi, peralatan
dimasukkan ke dalam dapur pemanas yang dipanaskan dengan gas
karbon yang sesuai. Kandungan karbon di dalam lapisan
komponen dapat dikontrol dengan mengatur komposisi gas untuk
karbonasi. Pelaksanaan karbonasi yang memerluakan waktu lama
akan menyebabkan terjadi pertumbuahan butir-butir baru, kecuali
kalau baja disepuh dengan perantaraan nikel.
Peralatan yang dikarbonasi dengan perantaraan perlakuan
panas dan menghasilkan butiran-butiran adalah suatu baja yang
akan mempunyai lapisan sekitar 0.83% karbon dan intinya sekitar
0.15% karbon. Secara berangsur-angsur butiran akan berpindah
dari lapisan luar ke arah inti sekitar 0.5 mm. Suhu perlakuan panas
untuk inti akan lebih tinggi daripada suhu untuk lapisan, sehingga
pengerjaan lapisan pada inti dilakukan secara terpisah.
Kelebihan dari gas carburizing yaitu lebih cepat
dibandingkan pack carburizing, hanya membutuhkan sedikit
tenaga kerja dan penanganan, dan lebih praktis daripada pack
carburizing untuk jumlah yang banyak. Kekurangan, alat dan
bahan yang digunakan dalam proses ini lebih mahal.
b.) Karbonitriding
Karbonitriding adalah proses hardening yang merupakan
kombinasi dari gas carburizing dan nitriding seperti yang terlihat pada
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.7 di bawah ini. Karbonitriding disebut juga sianida kering
atau nikarbing, yang adalah suatu proses pengerasan permukaan dimana
baja dipanaskan diatas suhu kritis didalam lingkungan gas dan terjadi
penyerapan karbon dan nitrogen. Dapat digunakan gas amonia atau gas
yang kaya akan karbon. Amonia dan gas alami dialirkan mengenai
material, material yang dihasilkan adalah kombinasi antara besi karbida
(dari karbon) dan besi nitrida (dari nitrogen). Lapisan ini tahan aus dan
mempunyai ketebalan antara 0,08 sampai 0,75 mm. Keuntungan
karbonitriding adalah bahwa kemampuan pengerasan lapisan luar
meningkat bila ditambahkan nitrogen sehingga dapat dimanfaatkan baja
yang relatif murah.
Gambar 4.7 Proses Karbonitriding
(Sumber: www.rpdrc.com )
Kelebihan karbonitriding, karena dengan adanya nitrogen maka struktur
austenit berubah. Perubahan ini menyebabkan penurunan temperatur dan
pendinginan yang lambat. Kekurangannya, prosesnya memakan waktu
yang lama dibandingkan karburasi.
Gambar 4.8 di bawah ini merupakan contoh material yang telah
mengalami proses karbonitriding.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.8 Hasil Karbonitriding
c.) Cyaniding
Cyaniding merupakan proses untuk mengeraskan permukaan
baja dengan penambahan nitrogen dan karbon. Benda yang dikeraskan
dicelupkan ke dalam cairan yang mengandung garam natrium sianida
(NaCN) pada suhu sedikit di atas daerah austenit (800-960°C), dengan
konsentrasi bervariasi antara 25% dan 90%. Sejumlah udara dimasukkan
ke dalamnya sehingga NaCN berreaksi dengan oksigen di udara dan
beroksidasi, reaksinya adalah
2NaCN + O2 → 2NaNCO
4NaNCO + O2 → Na2CO3 + 2NaCN + CO + 2N
2CO → CO2 + C
Dari reaksi diatas sodium cyanide (NaCN) dibakar, menghasilkan
sodium cyanate (NaNCO). Sodium cyanate dinaikkan konsentrasinya
dan terurai yang dalam uraiannya menghasilkan karbon monoksida
(CO). Karbon monoksida tersebut berperan dalam proses pengerasan
baja. Semakin tinggi suhu sianida yang diberikan, semakin besar
persentase karbon yang berdifusi (sampai dengan 0,8-1,2%) ke dalam
permukaan baja bereaksi dengan nitrogen (0,2-0,3%). Kemudian
material didinginkan dengan air atau oli. Setelah proses ini akan
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
dihasilkan kekerasan permukaan sekitar 850 VHN. Proses ini tidak
memakan banyak waktu. Cyaniding terutama diterapkan untuk heat
treatment bagian-bagian yang kecil.
Kelebihannya yaitu biaya yang dihabiskan tidak mahal karena baja
karbon biasa dapat digunakan. Kekurangannya adalah proses ini sangat
berbahaya karena garam sianida sangat beracun dan fatal jika terhirup.
d.) Nitriding
Nitriding didefinisikan sebagai suatu proses pengerasan
permukaan dengan senyawa nitrat. Dalam hal ini baja paduan spesial
dipanaskan untuk waktu yang lama dalam suatu atmosfer dari gas
nitrogen. Hasil dari pengerjaan nitrid adalah menghasilkan suatu
permukaan yang keras. Supaya dihasilkan permukaan yang keras dengan
cara dengan cara ini maka digunakan suatu baja paduan yang
mengandung sedikit unsur kromium dan alumunium sesuai dengan
kekerasan yang akan dihasilkan. Apabila baja karbon biasa yang
digunakan dalam proses ini maka proses nitrid akan membentuk seluruh
struktur dengan pengaruh yang kecil atas sifat-sifatnya. Kandungan
karbon pada baja yang dinitrid adalah sekitar 0.2-0.5% sesuai dengan
sifat-sifat inti yang diperlukan. Dan baja tersebut akan bereaksi secara
langsung terhadap pengerjaan pengerasan. Peralatan yang dinitrid diberi
pengerjaan panas selama tingkat awal daripada pengerjaan mesin, untuk
memperbaiki kekuatan intinya.
Pengerjaan ini terdiri dari proses pengerasan dengan
pendinginan tiba-tiba dalam minyak. Selanjutnya, diikuti dengan
penyepuhan pada suhu sekitar 550-750oC yang tersinggung atas
komposisi dan sifat-sifat baja yang diperlukan seperti yang tergambar
pada Gambar 4.9 di bawah ini
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
.
Gambar 4.9 Proses Nitriding
(Sumber: www.rpdrc.com)
Gambar 4.10 Dapur Nitriding
Gambar 4.10 di atas menggambarkan seperi apa tempat yang dipakai
dalam proses nitriding beserta alur kerjanya.
2.) Tanpa Penambahan zat
a. Flame hardening
Proses ini disebut juga proses pengerasan dalam waktu yang
singkat. Baja dengan kandungan karbon yang sesuai tingginya
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
dipanaskan sampai suhu pengerasan dengan busur nyala gas esitelen.
Dan seterusnya didinginkan secara cepat untuk memperoleh permukaan
yang keras.
Gambar 4.11 Flame Hardening
Dari Gambar 4.11 di atas diperlihatkan 2 metode yang berbeda
dalam proses flame hardening yaitu Progresive Flame Hardening
(gbr.atas) dan Progresive Spin Hardening (gbr.bawah). Namun masih
ada satu metode lagi yaitu Spot Flame Hardening.
Dasar pengerasan nyala adalah sama dengan pengerasan induksi
yaitu pemanasan yang cepat disusul dengan pencelupan permukaan tebal
lapisan yang mengeras tergantung pada kemampuan pengerasan bahan,
karena selama proses pengerasan tidak ada penambahan unsur-unsur
lainnya. Pemanasan di lakukan dengan nyala oksiasitelin yang dibiarkan
memanasi logam sampai suhu kritis. Pada alat dipasangkan juga aliran
pendingin sehingga setelah suhu yang diinginkan tercapai permukaan
langsung disemprot dengan air. Bila dikendalikan dengan baik, bagian-
bagian dalam tidak terpengaruh. Tebal lapisan yang keras tergantung
pada waktu pemanasan dan suhu nyala.
Pada proses ini diterapkan berbagai cara:
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
(1.) Pengerasan stasioner: baik nyala maupun benda yang akan
dikeraskan keduanya berada dalam keadaan diam, pengerasan
bersifat setempat.
(2.) Pengerasan progresif: nyala bergerak menuju ke benda yang diam.
Metode ini berguna untuk mengeraskan bagian yang luas, contohnya
gigi dari roda gigi yang besar.
(3). Pengerasan spinning: Nyala tetap diam sedangkan benda berotasi
Metode ini digunakan untuk pengerasan bagian melingkar.
(4).Pengerasan progresif-spinning: Nyala bergerak pada benda yang
berputar. Metode ini digunakan untuk mengeraskan permukaan
benda melingkar, contohnya rolling.
b. Pengerasan induksi ( induction hardening )
Pengerasan induksi termasuk suatu cara pengerasan permukaan.
Komponen yang akan dikeraskan ditempatkan di dalam suatu gulungan
(koil) induktor dan kemudian dimasukkan arus listrik frekuensi tinggi.
Dapur yang digunakan hampir sama dengan dapur untuk menghasilkan
baja paduan. Tetapi dapur ini dilengkapi dengan suatu silinder air
berlubang yang bersatu dengan kumparan yang berfungsi sebagai unit
pendingin. Permukaan komponen yang akan dikeraskan, dipanaskan
mencapai suhu pengerasan yang berlangsung sangat cepat. Selanjutnya,
didinginkan dengan cepat sewaktu komponen masih tetap di dalam
kumparan. Pengerasan lapisan yang tebalnya mencapai 3 mm dilakukan
dengan pengerjaan setempat (lokal). Hal itu ditunjukkan seperti pada
Gambar 4.12 di bawah ini.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.12 Induction Hardening
Proses pengerasan induksi lebih sesuai untuk baja dengan
kandungan karbon sekitar 0.45%. Dalam cara ini suhu yang dihasilkan
dapat dikontrol dengan pengaturan kunparannya, yaitu dengan mengatur
jarak antara kumparan dengan permukaan komponen yang dikeraskan.
Aplikasi proses induction hardening akhir-akhir ini melalui
penggunaan arus induksi dalam industri mengalami kemajuan pesat,
termasuk penggunaan arus listrik untuk pencairan logam, pengerasan,
dan perlakuan panas lainnya. Seperti pemanasan permukaan untuk
penempaan, pemanasan untuk sinter, brazing dan perlakuan jenis. Arus
bolak-balik berfrekuensi tinggi berasal dari konverter merkuri, osilator
spark atau osilator tabung. Frekuensi pada umumnya tidak melebihi
500.000 Hz. Untuk benda yang tipis digunakan frekuensi yang tinggi,
sedangkan untuk benda yang tebal digunakan frekuensi yang rendah.
Pemanasan induksi memberikan hasil yang cukup baik pada pengerasan
permukaan kurkas dan yang harus tahan aus. Berbeda dengan
pengerasan permukaan biasa, disini susunan kimia baja tidak berubah
karena pemanasan berlangsung sangat cepat dan pencelupan permukaan
tidak berpengaruh pada bagian dalamnya. Pengerasan yang diperoleh
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
melalui pengerasan induksi sama dengan pemanasan biasa dan
tergantung pada kadar karbon.
c. Laser and Electron Beam Hardening
Metoda ini dapat digunakan untuk melaksanakan proses selektif
hardening dari baja yang keras. Proses ini melaksanakan fungsi yang
sama sebagai nyala api pada proses pengerasan atau sebagai kumparan
induksi pada proses pengerasan dengan induksi. Proses ini hanya dapat
diaplikasikan untuk baja yang mempunyai karbon cukup dan komposisi
campuran logam dapat membuat proses pembekuan dapat berjalan
maksimal. Laser atau gudang elektron digunakan untuk menaikkan
temperatur permukaan material. Berkas elektron yang mengeraskan
material memerlukan ruang hampa. Laser ( berkas cahaya) tidak
memerlukan ruang hampa dan proses hardening dapat dilakukan dengan
penggunaan suatu gas. Ukuran noda berkas elektron adalah sekitar 0.010
sampai 0.015 inchi persegi. Laser dapat lebih besar tetapi pada
umumnya tidak ada yang lebih besar dari sekitar 0.150 inchi persegi.
Kedua metode tersebut mempunyai kerugian yaitu:
( 1 ) Peralatan yang digunakan cukup mahal
( 2 ) Proses ini tidak dapat diterapkan pada campuran logam tinggi .
Proses ini hanya terbatas pada baja karbon sederhana dan kualitas
hasilnya masih belum bagus.
http://www.sdsc.edu/tmf/Vis98Notes/SffForSciVis.html
Gambar 4.13 Laser and Electron Beam Hardening
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
b. Quenching
Quenching adalah proses pendinginan setelah mengalami pemanasan.
Media quenching dapat berupa oli, air, air garam, udara dan lain-lain sesuai
dengan material yang diquenching.
Dalam urutan menurun, kapasitas pendinginan dari beberapa media pendingin
adalah : air garam 5; air suling 1; minyak suling 0,3; gas dingin 0,1; dan udara
suling 0,02. Pengadukan juga merupakan faktor yang penting pada tingkat
pendinginan. Semakin baik pengadukan, makin tinggi tingkat pendinginannya.
Media pendingin disimbolkan dengan huruf, seperti W untuk pengerasan air, O
untuk pengerasan oleh minyak, dan A untuk pengerasan oleh udara.
Tingkat pendinginan juga tergantung dari permukaan luas dan ketebalan, serta
luas dan volume dari bagian itu. Makin tinggi rasionya, makin besar tingkat
pendinginannya. Contohnya, plat tebal lebih lambat menjadi dingin daripada
plat tipis dengan luas yang sama. Pertimbangan ini juga sangat penting pada
pendinginan logam dan plastik pada proses pengecoran dan pencetakan.
Gambar 4.14. Diagram Quencing
Tiga tahap pendinginan, yaitu:
a. Vapor-blanket Cooling stage
Tahap pertama, suhu logam sangat tinggi sehingga medium quenching
menguap pada permukaan logam.
b. Vapor-transport Cooling Stage
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Proses ini dimulai ketika logam didinginkan pada suhu uap air dan suhu film
tidak stabil. Permukaan logam basah oleh medium quenching dan titik didih
yang tinggi.Tahapan ini merupakan proses pendinginan yang paling cepat.
c. Liquid Cooling Stage
Proses ini dimulai ketika suhu permukaan logam mencapai titik didih.
Tahapan ini merupakan proses yang paling lambat.
Gambar 4.15 Diagram Proses Quenching Baja Diameter 1/2 inchi
Dengan Berbagai Media Quenching
Gambar 4.15 yang merupakan Diagram Quenching memuat berbagai macam
media pada pusat dari baja berdiameter ½ inchi. Pada sisi kiri kurva adalah
campuran brine 10 % pada 75° F. Dilanjutkan dengan tap water pada suhu 75° F,
gulf super-quench pada 125° F, fused salt pada 400° F, slow oil pada 125° F dan
yang terakhir still air pada 82° F.
Beberapa macam media quenching, yaitu :
a. Quenching media brine ( air + 10 % sodium klorida )
Dari kurva diatas dapat dilihat bahwa media brine memiliki tahap penguapan
sangat pendek yang bertahan sekitar 1 detik dan kemudian menurun dengan
cepat menjadi tahap mendidih dimana tingkat pendiginannya sangat cepat.
Dan akhirnya menuju pada tahapan yang ketiga pada sekitar 10 detik. Pada
umumnya media yang digunakan mengandung 5 - 10 % garam (sodium
klorida) dalam air.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.16 Quenching Media Brine
(Sumber: www.monroeccce.du)
b. Quenching media tap water (air kran)
Dari Gambar setelah kurva media brine terdapat kurva media air kran pada
suhu 75° F yang memiliki tahap penguapan sedikit lebih panjang daripada
brine. Kurva ini kemudian turun pada tahap mendidih setelah kira-kira 3
detik. Tingkat pendinginan sedikit agak cepat, namun tidak secepat tingkat
pendinginan media brine. Tahap ketiga dicapai setelah 15 detik.
Gambar 4.17 Quenching dengan Media Air
c. Quenching media fused / liquid salt
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Pada quenching dengan media fused salt biasanya digunakan garam
(salt) anorganik bertitik lebur rendah yang harus dipanaskan hingga menjadi
cair. Dalam kasus ini cairan garam ini bersuhu 400° F. Perhatikan bahwa
fused salt mempunyai tahap penguapan yang sangat pendek, hampir sama
dengan brine. Namun, tingkat pendinginan selama tahap mendidih tidak
terlalu cepat seperti pada brine atau tap water. Dan media ini mencapai tahap
ketiga pada waktu 10 detik.
d. Quenching media campuran oli dan larutan air (gulf super-quench oil)
Kurva berikutnya berhubungan dengan gulf super-quench oil pada
suhu 125° F. Media ini memiliki tahap penguapan yang relatif panjang, dan
memasuki tahap mendidih setelah 7 detik, tahap ketiga gulf super-quech oil
dicapai setelah 15 detik .
Gambar 4.18 Quenching media campuran oli dan larutan air
(Sumber: www.beautifuliron.com)
e. Quenching media oil (oli)
Pada kurva media oli juga memiliki tahap penguapan yang relatif
panjang pada suhu 125° F, hanya saja media oli ini mencapai tahap mendidih
setelah 13 detik, dan tahap ketiganya dicapai setelah sekitar 22 detik.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.19 Quenching dengan Media Oli
(Sumber: www.coutelcutlery.com)
f. Quenching media udara
Dari media-media qunching diatas media yang paling cepat mendinginkan
menghasilkan kekerasan material yang paling tinggi. Meskipun dalam
pemilihan media quenching tetap harus memperhatikan kadar karbon dalam
material. Material yang panas ditempatkan pada screen, kemudian udara
dingin dengan kecepatan tinggi dihasilkan, dialirkan dari bawah melalui
screen dan material panas seperti pada Gambar 4.20.
Gambar 4.20 Quenching media udara
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Dari proses quenching juga dapat dihasilkan diagram TTT (time, temperature,
transformation), seperti pada gambar 4.21 dan 4.22 di bawah ini:
Gambar 4.21 Diagram TTT Proses Quenching(Sumber: www.rpdrc.com )
Gambar 4.22 Kurva Quenching Dengan Berbagai Media
(Sumber: www.rpdrc.com )
2. SOFTENING
a. Annealing
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Annealing didefenisikan sebagai pemanasan pada suhu yang sesuai,
diikuti dengan pendinginan pada kecepatan yang sesuai. yang bertujuan :
- Menghilangkan tegangan sisa
- Meningkatkan kehalusan, kerapuhan, dan kekasaran
- Menghasilkan mikrostruktur spesifik
Gambar 4.23 Diagram Annealling
(Sumber: www.rpdrc.com )
Dari Gambar 4.23 di atas dapat kita lihat bahwa dalam proses Annealing
terdapat berbagai macam proses disesuaikan dengan kandungan karbon yang
terdapat pada material dan temperature proses.
Tahapan-tahapan perubahan material dapat kita lihat dari diagram fasanya
seperti yang terlihat pada Gambar 4.24 di bawah ini.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.24 Diagram Tahap Annealing
( Sumber : www.info.lu.farmingdale.edu )
Sifat-sifat baja yang didefinisikan di atas dapat diartikan bahwa baja
harus dipanaskan melalui suhu pengkristalan kembali untuk membebaskan
tegangan-tegangan dalam baja. Kemudian mempertahankan pemanasannya
pada suhu tinggi untuk membuat sedikit pertumbuhan butir-butiran dan suatu
struktur lapisan austenit. Dan seterusnya didinginkan secara perlahan-lahan
untuk membuat suatu struktur lapisan perlit, mengindikasi kelunakan, dan
memperbaiki sifat-sifat pengerjaan dingin.
Jenis-jenis annealing:
1.) Annealing sempurna (Full
Anneling )
Proses ini dapat diartikan sebagai pemanasan yang dipertahankan
pada beberapa suhu di atas temperatur Ac3 kemudian menahannya pada
temperatur tersebut selama beberapa waktu (1 jam tiap ketebalan per
inchi) kemudian didinginkan bersamaan dengan dinginnya tungku. Hal itu
dilakukan sampai struktur austenit secara komplet berubah menjadi
struktur perlit dan terakhir didinginkan secara bebas. Agar diperoleh suatu
logam yang bersifat lunak maka suatu bahan perlu didinginkan secara
perlahan-lahan. Contohnya yaitu perubahan austenit menjadi perlit.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Pendinginan tersebut melalui suhu kritis terendah yang sesuai sampai
pemanasan baja mencapai perendaman cairan garam (biasanya sekitar
650o C). Selanjutnya baja dikeluarkan dari dalam rendaman air garam dan
didinginkan secara bebas di udara.
(William D. Callister. Materials Science And Engineering. Halaman 226)
Siklus Annealing sempurna dapat kita lihat seperti yang terlihat
pada gambar 4.25 dibawah ini.
Gambar 4.25 Siklus Annealing Sempurna
2.) Spherodizing
Merupakan proses annealing yang digunakan untuk baja karbon
tinggi contohnya bantalan peluru. Tujuan dilakukan spherodizing adalah
meningkatkan ketangguhan baja rapuh. Langkah spherodizing adalah
memanaskan bahan hingga temperatur tepat di bawah garis ferrite-austenit
(garis di bawah garis austenit-sementit). Metode spherodizing
menghasilkan struktur sementit yang berbentuk bulat bola (spheroids)
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.26 di bawah ini.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.26 Struktur mikro Spheroidizoid
Dalam proses ini baja dipanaskan pada suhu sekitar 650o C. Suhu
ini cukup tinggi untuk membuat pengkristalan kembali dan struktur yang
seragam. Baja setelah dipanaskan didinginkan secara bebas di dalam
udara. Apabila proses ini digunakan untuk jenis baja karbon tinggi akan
menyebabkan sementit diperkirakan berbentuk bulat.Sehingga baja itu
mudah untuk dibentuk dan dikerjakan mesin perkakas. Sewaktu baja
dikerjakan dengan proses annealing dengan cara dipanaskan pada suhu
tinggi dalam periode yang cukup lama, berlangsung proses oksidasi. Hal
tersebut menyebabkan terjadi pengelupasan pada bagian lapisan luar.
Struktur ini meningkatkan kemampuan mekanis dalam proses
pemotongan. Spherodizing juga meningkatkan ketahanan terhadap
goresan. Struktur yang terbentuk adalah spherodite seperti pada gambar
4.26 diatas.
3.) Stress Relief Anneling
Tegangan sisa dapat meningkat dalam potongan logam sebagai
respon dari:
a.) Proses plastik deformasi seperti machining (permesinan) dan grinding
(penggerindaan).
b.) Pendinginan yang tidak seragam pada potongan logam.
c.) Suatu fase transformasi yang disebabkan oleh pendinginan sehingga
fase produk memiliki kerapatan yang berbeda.
Bila tegangan sisa tersebut tidak dihilangkan maka dapat
mengakibatkan gangguan atau distorsi. Cara untuk menghilangkan
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
tegangan sisa tersebut adalah dengan melakukan proses stress relief
anneling, karena proses ini tidak mengurangi kekuatan material secara
signifikan. Proses ini digunakan pada situasi dimana pengawasan
dimensional secara ketat diperlukan dalam proses pengelasan, dalam
proses penempaan, proses pengecoran dan lain-lain.
4.) Soft Anneling
Merupakan proses pelunakan dengan menggunakan proses
pengerasan regangan yang dilakukan dengan prosedur pemanasan yang
wajar. Ditinjau dari segi produksi, proses ini lebih cepat dibandingkan
dengan paduan dan makin besar deformasi maka makin cepat proses ini
berlangsung. Pemanasan dilakukan pada suhu 15o F. Tujuan dari soft
annealing adalah untuk menghilangkan tegangan akibat regangan akibat
dari proses penarikan.
5.) Anil
Dilakukan pada material gelas untuk menghilangkan tegangan-
tegangan sisa dan menghindarkan terjadinya retakan panas (benda mula
dan benda akhir tidak berubah kekerasannya). Prosedur pelaksanaannya
berubah dengan komposisi gelas karena suhu pemanasan harus mendekati
suhu transisi gelas agar memungkinkan penurunan tegangan tanpa
melampaui titik regangan dimana viskositas = 10 13,5 Pa. Pendinginan yang
lambat ini mencegah terjadinya tegangan termal baru. Dibawah suhu titik
regangan dimana ada peningkatan viskositas sebanyak 30 kali,
pendinginan dapat berlangsung dengan cepat karena tidak mungkin terjadi
tegangan sisa yang baru. Pada proses ini tidak ada perubahan struktur
mikro. Grafik annealing berdasarkan suhu dapat kita lihat seperti pada
Gambar 4.27 di bawah ini.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.27 Klasifikasi annealing berdasarkan suhu pada annealing
Untuk full annealing, baja dipanaskan di atas suhu kritis(A3)
maksimum dan kemudian didinginkan secara lambat. Untuk partial
annealing, baja dipanaskan diantara suhu kritis maksimum (A3 or Acm) dan
suhu kritis minimum (A1). Sedangkan pada subcritial annealing, baja
dipanaskan di bawah suhu kritis (A1), dapat dilihat pada Gambar 4.24 di atas.
b. Normalizing
Proses ini seperti yang terlihat dari pada Gambar 4.28, dapat
diartikan sebagai pemanasan dan mempertahankan pemanasan pada suhu
yang sesuai diatas batas perubahan, diikuti pendinginan secara bebas di dalam
udara luar supaya terjadi perubahan ukuran butir-butiran. Pendinginan yang
bebas akan menghasilkan struktur yang lebih halus daripada struktur yang
dihasilkan dengan annealing. Pengerjaan mesin juga akan menghasilkan
permukaan pengerjaan yang lebih baik.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.28 Proses Normalizing
(Sumber: www.rpdrc.com )
Hal tersebut membuat struktur lebih seragam dan juga untuk
memperbaiki sifat-sifat mekanik baja tersebut. Pada proses ini baja
dipanaskan untuk membentuk struktur austenit, direndam dalam keadaan
panas dan seterusnya didinginkan secara bebas di udara
c. Tempering
Baja biasanya dipanaskan kembali pada suhu kritis terendah setelah
dilakukan pengerasan untuk memperbaiki kekuatan dan kekenyalannya. Akan
tetapi hal itu mengurangi daya regang dan kekerasannya, sehingga membuat
baja lebih sesuai untuk kebutuhan untuk membuat peralatan. Proses
pemanasan kembali disebut penyepuhan. Proses tersebut menyebabkan
martensit berubah menjadi troostit dan sorbit sesuai dengan suhu
penyepuhannya. Troostit dan sorbit tersebar halus dalam bentuk karbid pada
lapisan ferrit. Bentuk strukturnya tidak seperti austenit tetapi berlapis-lapis.
Suhu penyepuhan tergantung pada sifat-sifat baja yang diperlukan,
biasanya sekitar 180oC-650oC, dan lamanya pemanasan bergantung pada
tebalnya bahan. Pemanasan biasanya dilakukan di dalam dapur sirkulasi
udara dan seterusnya direndam dalam minyak atau timbal (timah hitam).
Dengan demikian, suhu pemanasanya dapat dikontrol secara tepat. Alat-alat
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
biasanya disepuh pada suhu rendah. Penetapan suhu dengan cara melihat
warna pada selaput oksida yang dihasilkan dengan pemanasan.
1.) Austemper
Proses pencelupan tertunda seperti Gambar 4.29 di bawah ini
disebut austemper. Austenit mengalami transformasi isotermal dan
berubah menjadi bainite yang keras. Benda atau bagian harus dicelup
dengan cepat sampai mencapai suhu yang tepat, tanpa memotong ujung
kurva transformasi. Baja dibiarkan diatas garis Ms akan tetapi dibawah
430oC ( diquench dengan air garam ). Bila dibiarkan cukup lama akan
diperoleh struktur bainite. Dibawah mikroskop struktur bainite mirip
dengan martensite, akan tetapi bainite lebih ulet dibandingkan dengan
martensite temper. Proses ini diterapkan untuk benda yang kecil dengan
kemampuan kekerasan yang baik.
Gambar 4.29 Diagram Austemper
Keuntungan austemper yaitu untuk meningkatkan keuletan dan
daya tahan impack dari beberapa baja dan mengurangi distorsi dari
material yang diquenching. Sedang kekurangannya yaitu membutuhkan
air garam khusus dan proses ini hanya dapat digunakan pada baja tertentu.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
2.) MartemperTujuan utama martemper adalah untuk menekan distorsi,
terjadinya retak atau timbulnya tegangan dalam akibat pencelupan dalam
minyak atau air. Struktur yang terjadi sama dengan martensit temper dan
biasanya disusul temper lagi.
Dari Gambar 4.30 di bawah ini dapat kita lihat proses
Martemper. Baja didinginkan dengan cepat dari daerah austenite sampai
suhu diatas garis Ms. Baja dibiarkan cukup lama sehingga suhu merata,
artinya bagian dalam dan luar telah mencapai suhu yang sama. Setelah itu
baja biasanya didinginkan diudara sampai mencapai suhu ruang dan
terbentuklah martensite. Baja dipanaskan kembali; suhu tergantung pada
kadar karbon dan pada unsur paduan, untuk baja karbon dengan C sama
dengan 0,4 %, suhu adalah 370oC.
Gambar 4.30 Diagram Martemper
Beberapa macam proses tempering
1. Tempering suhu rendah (150°C - 500° C)
Untuk mengurangi tegangan kerut dan kerapuhan dari baja. Digunakan untuk
alat kerja yang tak mengalami beban berat.
2. Tempering suhu menengah (300°C - 500°C)
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Untuk menambah keuletan dan kekerasan sedikit berkurang. Digunakan untuk
alat kerja yang mengalami beban berat
3. Tempering suhu tinggi (500°C - 650°C)
Untuk memberikan keuletan yang besar tetapi kekerasannya rendah.
Digunakan untuk roda gigi, poros, batang penggerak, dan lain-lain
Gambar 4.31 Grafik Tempering
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.32 proses pada tempering
Penjelasan untuk gambar 4. 32 dapat dilihat pada tabel berikut ini.
Tabel 4.1
Proses tarnsformasi untuk baja
Proses Tujuan Prosedur Fasa
Anil PelunakanPendinginan lambat dari
daerah γ stabilα + karbida
Celup PengerasanCelup yang lebih cepat
daripada CRmMartensit
Celup
TerputusPengerasan tanpa retak
Celup disusul dengan
pendinginan lambat dari
Ms ke Mf
Martensit
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Austemper
Pengerasan tanpa
pembentukan martensit
rapuh
Celup disusul dengan
transformasi isotermal
diatas Ms
α + karbida
Temper
Peningkatan ketangguhan
(biasanya dengan
pelunakan minimal)
Pemanasan ulang dari
martensitα + karbida
Urutan kekerasan yang kita dapatkan pada benda kerja :
Lunak : - udara
- udara tiupan
- minyak : mineral
tumbuhan
hewan
- air
- air yang mengalir
- Na 2 CO 3
- Larutan NaCl (5 – 10 %)
Keras : - Larutan NaOH (5 – 10%)
4.3.3 Aplikasi Heat Treatment
Laser beam hardening seperti layaknya teknologi hybrid pada kombinasi
laser,plasma, dan sumber induksi yang tersedia pada CCL untuk memperbaiki dan
melapisi komponen,cetakan,dan peralatan. Salut, paduan atau disperse dari paduan logam,
material yang keras, dan keramik dapat menghasilkan lapisan dan struktur 3D.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.33 Laser Beam Hardening
CARA/METODE
Laser adalah singkatan untuk pancaran radiasi inframerah suatu berkas cahaya.
Berkas cahaya infaramerah tidak terlihat mata, cahaya ini memiliki panjang gelombang
pada fasa bergetar dan diarahkan untuk suatu tingkat derajat tertentu.
Jika radiasi diarahkan pada permukaan logam dan diserap secara proporsional
akan dirubah menjadi panas. Laser hardening disebabkan oleh self-quenching yang
melibatkan perubahan temperature diantara lingkungan sekitarnya dan material
didekatnya, dimana tidak ada medium pendingin yang dibutuhkan.
Laser beam difokuskan pada permukaaan benda kerja yaitu batang pemandu dan
komponen pembentuk.
Cara atau metode yang digunakan secara prosedur:
1. Heating(pemanasan); pemanasan local sampai dengan temperatur austenit,
dengan menggerakkan laser sepanjang material sekaligus melakukan
pembuatan alur dan membaca amplitudo dn pemendaran laser. Jadi
pemanasan dikatakan hanya terjadi sepanjang alur tersebut saja.
2. Halting(penahan temperatur); penghentian pemanasan agar terjadi difuasi
temperatur secara merata ke kedalam yang diinginkan.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
3. Cooling(pendinginan); self-quenching yang berkaitan dengan gradient
temperatur tinggi dari material yang digunakan.
HASIL
Proses pengerasan material dengan laser beam hardening ini memberikan
berbagai keuntungan. Hasil yang diperoleh dari material yang mengalami perlakuan laser
beam hardening adalah :
· Pengurangan penyimpangan berhubungan dengan beban panas rendah
( energi parsial masuk)
· komponen besar Dan kompleks dapat dikeraskan dengan mudah,
Contoh : di dalam rongga
· Fleksibilitas tinggi
· Mempunyai tingkat pengerasan yang lebih tepat, derajat pengerasan yang
tinggi, disamarkan butir halus.
• pakaian/pengausan terkemuka
• Kekuatan lelah lebih tinggi
• Keuletan (ductility) tidak mudah hilang saat kekerasan permukaannya
tinggi.
• penyimpangan dimensional lebih kecil
• Pembekuan permukaan tunggal atau tepi
• Dapat mengendalikan permukaan temperatur
• Dapat melakukan proses Quenching dengan sendirinya
• Dapat diaplikasikan pada beberapa material yang dapat dikeraskan.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
4.4. PERALATAN PERCOBAAN
1. Sebuah perangkat Furnace Chamber HOFFMAN Type KL.
Gambar 4.34. Gambar Furnace Chamber HOFFMANN type KL
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
2
1
3 5
7 4
6
9
9
12
10 11
Keterangan :
1. Display
adalah layar yang yang digunakan untuk menampilkan keterangan suhu,
kecepatan pemanasan, waktu penahanan, maupun kecepatan pendinginan.
2. Unit
Bagian yang menunjukkan satuan-satuan dari angka-angka yang ditampilkan
pada bagian display.
3. Program Number
Program number merupakan untuk tiap program yang ada dalam mesin
tersebut.
4. Heating Program
Diagram pemanasan dimana pada diagram tersebut terlihat adanya kenaikan
suhu dan penahanan suhu.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
A Mengontrol waktu tunggu yang telah disimpan samapi memulai proses
pemanasan.
B, D, F Mesin pemanas memanasi dg kecepatan yang telah disimpan, dapat
dipilih dari 4oC – 700oC.
C, E, G, I Suhu tidak merubah waktu tunggu.
H Mesin pemanas menurunkan suhu dengan kecepatan normal
5. Relais
Indikator untuk mengontrol sirkulasi udara luar mesin, nilai magnetik, dan
penghubungnya.
6. Program Button
Adalah tombol untuk memilih-milih program yamg dinginkan, yang
selanjutnya akan ditampilkan pada layar program number (3).
7. Segment Button
Tombol yang digunakan untuk memindahkan tahapan-tahapan suhu
yang dapat dilihat pada diagram pemanasan.
8. Up/down button
Tombol untuk menaikkan atau menurunkan suhu, kecepatan pemanasan
seperti yang ditampilkan pada display (1).
9. Key Button
Adalah tombol untuk mengunci bila kita menginginkan program tersebut
menjadi salah satu program dalam mesin
10. Comsumption button
Tombol ini tidak dipergunakan dalam uji jominy dan kurang jelas fungsinya.
11. Relais button
Untuk mengontrol sirkulasi udara luar mesin, nilai magnetik, dan
penghubungnya.
12. Start stop button
Tombol untuk memulai jalannya program dan menghentikannya
relais button
Spesifikasi alat Chamber Hoffman :
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
• Tipe K-1
• Tahun pembuatan 1991
• Temperatur alat 20°-850°C
• Waktu mulai penundaan 0-9999 menit
• Ramp end, Skip, 4-700°C/h
• Dweel 0-9999 menit
• Pendinginan skip 4-700°C
• End 0-9999 menit ditahan
2. Rockwell Hardness Tester HR 150A
Gambar 4.35 Rockwell Hardness Tester Model HR-150A
2. Mesin Polish
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.36 Mesin Polish
4. Media Pendingin
o Air
o Udara
o Oli
5. Material Uji
o Baja ST – 40
o Baja ST – 60
o Besi Cor
4.5. METODE PERCOBAAN
4.5.1 Metode Percobaan
Metode yang digunakan untuk menguji kekerasannya adalah metode
Rockwell dan proses heat treatmentnya menggunakan sebuah perangkat Furnace
Chamber Hoffman. Langkah – langkahnya adalah sebagai berikut :
1. Mengukur kekerasan masing – masing spesimen dengan standar
Rockwell.
2. Memasukkan spesimen ke dalam Furnace Chamber Hoffman sampai
temperature 900°C.
3. Mendinginkan masing-masing spesimen dengan media pendingin.
4. Melakukan polishing seperti pada uji mikrografi dan mengamati
struktur mikronya.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
5. Mengulangi uji kekerasan pada spesimen yang telah di heat treatment.
6. Mencatat hasilnya.
7. Membandingkan hasilnya untuk spesimen yang sama dengan media
pendingin yang berbeda.
4.5.2 Diagram Alir Pengoperasian Chamber HOFMANN Type KL
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Mulai
Menyiapkan material yang akan diheat -tretman(Baja ST -40 dan Baja ST -60 )
Memasukkan material ke dalam Chambeer hoffman
Menghidupkan Chamber Hoffman
Membuat program untuk poroses heat -treatment
Memasukkan program yang digunakan dengan memperkirakan waktu ,
kecepatan bakar dan waktu penahanan
Mengecek Program
Menjalankan program dengan menekan tombol start
Menunggu sampai waktu burning selesai
Menekan tombol stop untuk menghentikan pemanasan
Mengeluarkan material dari chamber hofmann
Selesai
Yes
No
4.6 DATA DAN ANALISA
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
4.6.1. Data Hasil Percobaan
Setelah melakukan percobaan didapatkan data :
a. Material Non Perlakuan
No Baja ST-40 Baja ST-60 Besi Cor
1 38 39 40.5
2 38.25 40 40.5
3 39.5 39 40.5
Rata-rata 38.6 39.3 40.5
b. Material perlakuan panas dengan pendinginan udara
No Baja ST-40 Baja ST-60 Besi Cor
1 26.5 37 39
2 28.5 34 39.5
3 26.5 36 39.5
Rata-rata 27.2 35.7 39.3
c. Material perlakuan panas dengan pendinginan air
No Baja ST-40 Baja ST-60 Besi Cor
1 38.5 46.5 50
2 38.5 45.5 50
3 37.5 47 51.5
Rata-rata 38.2 46.3 50.5
d. Material perlakuan panas dengan pendinginan oli
No Baja ST-40 Baja ST-60 Besi Cor
1 27 47.5 54
2 27 48 54
3 26.5 46.5 53.3
Rata-rata 26.8 47.3 53.8
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
4.6.2. Analisa Data
Setelah dilakukan percobaan pada baja ST-40, baja ST-60 dan besi cor non perlakuan dan
perlakuan panas dengan pendinginan air, udara dan oli. Dan didapatkan hasil perhitungan
kekerasan material uji, maka dapat dibuat beberapa analisa, sebagai berikut
1. Analisis berdasarkan teori
a. Pendinginan air
Perlakuan panas dengan pendinginan air merupakan proses hardening dengan
cara proses quenching. Quenching adalah suatu proses perlakuan panas
terhadap suatu material dengan cara dipanaskan terlebih dulu sampai suhu
austenit (900oC). Kemudian dilakukan proses pendinginan cepat yaitu dalam
hal ini dengan media air. Proses pendinginan ini berlangsung cepat
mengakibatkan terbentuknya martensit yang keras. Martensit mempunyai
struktur kristal yang bersifat tidak stabil,berbentuk seperti jarum, dan bersifat
sangat keras dan rapuh. Struktur kristal dari martensit bukan BCC (Body
Centered Cubic) melainkan BCT (Body Centered Tetragonal).
Gambar 4.37 Struktur Kristal BCT ( Body Centered Tetragonal )
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Struktur ikatan martensit tersebut dikarenakan kehadiran dari karbon yang
terjebak ditengah-tengah struktur kristal. Karena pendinginan yang cepat,
maka atom-atom logam tidak mengalami transformasi secara difusi. Dengan
pendinginan yang sangat cepat maka tidak akan ada waktu bagi austenit untuk
berubah maupun menjadi ferrit. Sedangkan pada pendinginan udara yang
merupakan jenis proses quenching, prosesnya berlangsung sangat lambat
sehingga austenit berubah menjadi perlit maupun ferrit yang lunak.
b. Pendinginan udara
Sedangkan untuk perlakuan panas dengan pendinginan udara merupakan
proses softening yaitu proses normalizing. Normalizing adalah proses di mana
material dipanaskan dulu sampai suhu austenit kemudian dilakukan
pendinginan dengan medium udara secara perlahan. Proses ini terjadi pada
suhu 55-650C diatas daerah austenit murni. Pendinginan ini mencegah
timbulnya segregasi praeutektoid sehingga struktur mikro yang terbentuk
adalah perlit halus dan tidak ada ferit praeutektoid dalam jumlah banyak.
Dengan demikian akan dihasilkan material yang kekerasannya lebih kecil dari
sebelumnya.
Dari penjelasan di atas jelaslah bahwa kekerasan material dengan perlakuan
panas dengan pendinginan air lebih besar daripada perlakuan panas dengan
pendinginan udara.
c. pendinginan oli
Pada media pendinginan oli juga memiliki tahap penguapan yang relatif
panjang pada suhu 125° F, hanya saja media oli ini mencapai tahap mendidih
setelah 13 detik, dan tahap ketiganya dicapai setelah sekitar 22 detik
1. Baja ST-40 merupakan baja karbon rendah dengan kadar C + 0,3 %. Pada
diagram fasa Fe – C dibawah, letak ST 40 pada garis warna merah. Sehingga
perubahan fase selama proses heat treatment dapat dilihat pada diagram
tersebut.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
2. Baja ST- 60 merupakan baja karbon sedang dengan kandungan C antara 0,3
– 0,65 % pada diagram fasa dibawah letaknya antara garis merah dan biru
sehingga perubahan fase pada waktu heat treatment dapat dilihat pada
diagram fase Fe – C dibawah.
Gambar 4.38 Letak Baja ST-40 dan ST-60 dalam Diagram fasa Fe – C
(Sumber : Callister, Materials Science and Engineering 4th ,hal 270)
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Gambar 4.39 Representasi struktur mikro baja ST-40 dan ST-60 dalam
proses heat treatment
(Sumber: Callister, Materials Science and Engineering 4th ,hal 275)
3. Besi cor sebenarnya merupakan paduan eutetik dari besi dan karbon. Jadi,
suhu cairnya relatif rendah (~ 1200 °C). Hal ini menguntungkan oleh
karena mudah dicairkan, pemakaian bahan bakar lebih irit dan dapur
peleburan lebih sederhana. Logam cair mudah dicor karena dapat mengisi
cetakan yang rumit dengan mudah. Karena itu, besi cor merupakan bahan
yang murah dan serba guna ditinjau dari segi desain produk.Dari diagram
Fe3C dapat diketahui bahwa pada 4,3% (berat)karbon, suhu ausetetik
1148oC, besi cor berada di daerah eutentik dan mengandung 2,5%-4%
Sebetulnya besi cor lebih kompleks dari paduan eutektik sederhana. Besi
cor biasanya mengandung silikon sekitar 1% - 3 %. Hal ini diakibatkan
oleh karena silikon memang tertinggal dalam besi selama proses produksi,
dan diperlukan usaha khusus untuk menurunkannya. Akan tetapi yang
penting adalah peran silikon dalam produk akhir.
Gambar 3.40 Diagram fase Fe3C
(Sumber: Ilmu dan Tekhnologi Bahan, Lawrence Van Vlac, 1984, hal 294)
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
2. Analisis berdasarkan pengujian
Berdasarkan data pengujian :
a. Urutan nilai kekerasan (HR) pada baja ST – 60 adalah sebagai berikut :
Baja ST – 60 non perlakuan >pendinginan air> pendinginan
udara>pendinginan oli
b. Urutan nilai kekerasan (HR) pada baja ST – 40 adalah sebagai berikut :
Baja ST – 40 pendinginan oli>pendinginan air>non perlakuan> pendinginan
udara
c. Dan urutan nilai kekerasan (HR) pada besi cor adalah sebagai berikut :
Besi cor pendinginan oli>pendinginan air>non perlakuan> pendinginan
udara
3. Penyimpangan
Ternyata dari hasil diatas terdapat penyimpangan, dimana :
a. Baja ST – 40 non perlakuan lebih keras daripada baja ST – 40 pendinginan
air maupun pendinginan oli. Yang seharusnya urutan nilai kekerasan pada baja
ST-40 adalah sebagai berikut : Baja ST-40 pendinginan air >pendinginan
oli> non perlakuan >pendinginan udara
b. Baja ST-60 pendinginan oli lebih keras dari pada baja ST-60 pendinginan
air. Yang seharusnya urutan nilai kekerasan pada baja ST-60 adalah sebagai
berikut : Baja ST-60 pendinginan air >pendinginan oli> non perlakuan
>pendinginan udara
c. Besi cor pendinginan oli lebih keras dari pada besi cor pendinginan air.
Yang seharusnya urutan nilai kekerasan pada besi cor adalah sebagai berikut :
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
Besi cor pendinginan air >pendinginan oli> non perlakuan >pendinginan
udara
• Penyimpangan ini disebabkan oleh faktor-faktor sebagai berikut :
Dalam persiapan untuk uji keras (seperti mengamplas) terjadi banyak
perlakuan lain seperti membubut, menggerinda dan mengikir. Selain itu
benda uji pernah terjatuh sehingga terdapat tegangan sisa pada material.
Jarak penetrasi terlalu dekat
Waktu penetrasi kurang lama
Penggerakkan tuas yang kurang tepat.
4.7 KESIMPULAN DAN SARAN
4.7.1 Kesimpulan
1) Heat treatment dapat menentukan kekerasan suatu material.
2) Pada pendinginan dengan menggunakan media air, akan
terbentuk martensit yang menyebabkan material dengan perlakuan ini
menjadi lebih keras dibanding dengan material non perlakuan maupun
pendinginan udara.
3) Pendinginan yang cepat akan meningkatkan kekerasan,
sedangkan pendinginan yang lambat akan mengurangi kekerasan.
4) Heat treatment adalah proses pendinginan dan pemanasan yang
terkontrol terhadap logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-
sifat fisik dan mekanik logam tersebut.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Praktikum Struktur dan Sifat MaterialKelompok 16
4.7.2 Saran
Adapun saran yang dapat kami berikan dalam percobaan ini adalah :
1. Waktu dan temperature setiap material supaya diperhatikan selama
proses Heat Treatment.
2. Pada saat proses pendinginan setelah heat treatment, supaya
diperhatikan temperature setiap perlakuan pada material tersebut.
3. Sebelum digunakan, alat harus dikalibrasi terlebih dahulu agar hasil
sesuai dengan standar.
4. Perhatikan juga proses pengukuran dan kehalusan permukaan benda
saat dipolish.
5. Praktikan seharusnya sungguh–sungguh dalam pelaksanaan praktikum,
teliti dalam pengamatan dan cermat dalam pengukuran maupun
perhitungan.
Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro