8

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Baja

Baja adalah besi karbon campuran logam yang dapat berisi konsentrasi

dari element campuran lainnya, ada ribuan campuran logam lainnya yang

mempunyai perlakuan bahan dan komposisi berbeda. Sifat mekanis adalah

sensitif kepada isi dari pada karbon, yang mana secara normal kurang dari

1,0%C. Sebagian dari baja umum digolongkan menurut konsentrasi karbon,

yakni ke dalam rendah, medium dan jenis karbon tinggi.

Baja merupakan bahan dasar vital untuk industri. Semua segmen

kehidupan, mulai dari peralatan dapur, transportasi, generator pembangkit

listrik, sampai kerangka gedung dan jembatan menggunakan baja. Besi baja

menduduki peringkat pertama di antara barang tambang logam dan produknya

melingkupi hampir 90 % dari barang berbahan logam.

2.2 Proses Pembuatan Baja

Dewasa ini, besi kasar diproduksi dengan menggunakan dapur bijih besi

(blast furnace) yang berisi kokas pada lapisan paling bawah, kemudian batu

kapur dan bijih besi. Kokas terbakar dan menghasilkan gas CO yang naik ke

atas sambil mereduksi oksida besi. Besi yang telah tereduksi melebur dan

terkumpul dibawah tanur menjadi besi kasar yang biasanya mengandung

9

Karbon (C), Mangan (Mn), silicon (Si), nikel (Ni), fosfor (P), belerang (S).

Kemudian leburan besi dipindahkan ke tungku lain (converter) dan diembuskan

gas oksigen untuk mengurangi kandungan karbon.

Untuk menghilangkan kembali kandungan oksigen dalam baja cair,

ditambahkan Al, Si, Mn. Proses ini disebut dioksidasi. Setelah dioksidasi, baja

cair dialirkan dalam mesin cetakan kontinu berupa slab atau dicor dalam

cetakan berupa ingot. Slab dan ingot itu diproses dengan penempaan panas,

rolling panas, penempaan dingin, perlakuan panas, pengerasan permukaan dan

lain-lain untuk dibentuk menjadi sebuah produk atau kerangka dasar dari sebuah

produk.

Baja merupakan paduan besi (Fe) dengan karbon (C), dimana kandungan

karbon tidak lebih dari 2%.

Baja banyak digunakan karena baja mempunyai sifat mekanis lebih baik

dari pada besi, sifat baja antara lain :

Tangguh dan ulet

Mudah ditempa

Mudah diproses

Sifatnya dapat diubah dengan mengubah karbon

Sifatnya dapat diubah dengan perlakuan panas

Kadar karbon lebih rendah dibanding besi

Banyak di pakai untuk berbagai bahan peralatan.

10

Walaupun baja lebih sering digunakan, namun baja mempunyai

kelemahan yaitu ketahanan terhadap korosinya rendah. Baja dapat ( dua unsur

atau lebih digabung sehingga dihasilkan sifat lain). Hasil pemaduannya yaitu:

Larutan padat / solid solufion (dapat memperbaiki sifat fisik / kimia)

Senyawa ( lebih keras dari larutan padat, dapat memperbaiki sifat

mekanik )

2.3 Klasifikasi Baja

2.3.1 Berdasarkan Prosentase Karbon

Berdasarkan tinggi rendahnya prosentase karbon di dalam baja, baja

karbon diklasifikasikan sebagai berikut:

A. Baja Karbon Rendah (low carbon steel)

Baja karbon rendah mengandung karbon antara 0,10 s/d 0,30 %. Baja

karbon ini dalam perdagangan dibuat dalam plat baja, baja strip dan baja

batangan atau profil. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandung dalam baja,

maka baja karbon rendah dapat digunakan atau dijadikan baja-baja sebagai

berikut:

1. Baja karbon rendah yang mengandumg 0,04 % - 0,10% C. untuk

dijadikan baja – baja plat atau strip.

2. Baja karbon rendah yang mengandung 0,05% C digunakan untuk

keperluan badan-badan kendaraan.

11

3. Baja karbon rendah yang mengandung 0,15% - 0,30% C digunakan

untuk konstruksi jembatan, bangunan, membuat baut atau dijadikan

baja konstruksi.

B. Baja Karbon Menengah (medium carbon steel)

Baja karbon menengah mengandung karbon antara 0,30% - 0,60% C.

Baja karbon menengah ini banyak digunakan untuk keperluan alat-alat

perkakas bagian mesin. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandung dalam

baja maka baja karbon ini dapat digunakan untuk berbagai keperluan seperti

untuk keperluan industri kendaraan, roda gigi, pegas dan sebagainya.

C. Baja Karbon Tinggi (high carbon steel)

Baja karbon tinggi mengandung kadar karbon antara 0,60% - 1,7% C

dan setiap satu ton baja karbon tinggi mengandung karbon antara 70 – 130 kg.

Baja ini mempunyai tegangan tarik paling tinggi dan banyak digunakan untuk

material tools. Salah satu aplikasi dari baja ini adalah dalam pembuatan kawat

baja dan kabel baja. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandung didalam

baja maka baja karbon ini banyak digunakan dalam pembuatan pegas, alat-alat

perkakas seperti: palu, gergaji atau pahat potong. Selain itu baja jenis ini

banyak digunakan untuk keperluan industri lain seperti pembuatan kikir, pisau

cukur, mata gergaji dan lain sebagainya.

12

2.3.2 Berdasarkan Komposisi

Dalam prakteknya baja terdiri dari beberapa macam yaitu:

A. Baja Karbon ( Carbon Steel )

Terdiri atas beberapa unsur, yang paling utama adalah karbon ( C ),

unsur yang lainya yaitu Si ( dari batu tahan api), Mn, S dan P ( dari kokas

untuk Carbon Enrichment, S dan P Maksimum 0,05% )

Beberapa macam baja karbon, yaitu:

Baja karbon rendah

Baja karbon medium

Baja karbon tinggi

Sebagian kelompok baja didesain untuk laku panas dalam daerah

austenit, disusul dengan pendinginan dan dekomposisi austenit secara

langsung atau tak langsung membentuk ferrit dan karbida. Bila baja hanya

mengandung besi dan karbon, paduannya disebut baja karbon.

B. Baja Paduan ( Alloyed Steel )

Baja paduan adalah campuran antara baja karbon dengan unsur-unsur

lain yang akan mempengaruhi sifat-sifat baja misalnya sifat kekerasan, liat,

kecepatan membeku, titik cair, dan sebagainya yang bertujuan memperbaiki

kualitas dan kemampuannya. Penambahan unsur-unsur lain dalam baja karbon

13

dapat dilakukan dengan satu unsur atau lebih, tergantung dari karakteristik

atau sifat khusus yang dikehendaki.

Unsur-unsur paduan untuk baja ini dibagi dalam dua golongan yaitu :

a. Unsur yang membuat baja menjadi kuat dan ulet, dengan

menguraikannya ke dalam ferrite (misalnya Ni, Mn, sedikit Cr dan

Mo). Unsur ini terutama digunakan untuk pembuatan baja konstruksi.

b. Unsur yang bereaksi dengan karbon dalam baja dan membentuk

karbida yang lebih keras dari sementit (misalnya unsur Cr, W, Mo, dan

V) unsur ini terutama digunakan untuk pembuatan baja perkakas.

Baja Paduan Rendah (Low Alloyed Steel)

Baja paduan rendah adalah salah satu klasifikasi dari baja paduan

(alloy steel) yaitu : low alloy steel, medium alloy, dan high alloy steel.

Klasifikasi ini dibedakan menurut unsur paduannya. Baja paduan rendah (low

alloy steel) tergolong jenis baja karbon yang memiliki tambahan unsur paduan

seperti nikel, chromium dan molybdenum. Total unsur paduannya mencapai

2,07% - 2,5%.

Untuk kebanyakan baja paduan rendah (low alloy steel) fungsi utama

dari elemen paduannya adalah untuk menambah kekerasan yang diinginkan

untuk meningkatkan kemampuan mekanik dan keuletannya setelah dilakukan

proses perlakuan panas. Di beberapa kasus, bagaimana juga tambahan unsur

14

paduan digunakan untuk mengurangi efek degradasi karena lingkungan

terhadap kondisi pemakaian.

Baja paduan rendah (low alloy steel) dapat diklasifikasikan lagi, yaitu :

Menurut komposisi kimia, seperti : nikel steel, nikel-chromium steels,

molybdenum steels, chromium-molybdenum steels.

Menurut proses perlakuan panas, seperti : quenched and tempered

(QT), normalized and tempered (NT), annealed (A) dan sebagainya.

2.4 Baja ST 40

Baja ST 40 termasuk baja karbon rendah dengan kandungan karbon

kurang dari 0,3%. ST 40 ini menunjukkan bahwa baja ini dengan kekuatan

tarik ≤ 40 kg / mm². (diawali dengan ST dan diikuti bilangan yang

menunjukan kekuatan tarik minimumnya dalam kg/mm²).

Baja ST 40 ini secara teori mempunyai nilai kekerasan yang lebih

rendah dibandingkan dengan besi cor, dengan adanya perlit dan ferit karena

perlit yang ada lebih banyak dari pada ferit.

Aplikasi baja ST 40 antara lain :

Digunakan untuk kawat, paku, wire mesh, peralatan automotif dan

sebagai bahan baku welded fabrication ( kisi – kisi jendela atau pintu

dan jeruji)

Aplikasi khusus seperti untuk kawat elektroda berlapis untuk

keperluan pengelasan.

15

2.5 Pengaruh Unsur Paduan Pada Baja

Sifat baja sangat tergantung pada unsur-unsur yang terkandung

didalamnya. Unsur-unsur paduan ditambahkan untuk mengurangi sifat yang

tidak diinginkan pada baja karbon dan memperbaiki atau menambah sifat-sifat

lain yang dikehendaki. Pengaruh dari beberapa unsur paduan terhadap sifat

baja paduan dikemukakan dibawah ini:

a. Karbon ( C )

Pada baja-baja perkakas, persentase karbon antara 0,1 - 0,6 %. Karbon

juga merupakan unsur penting yang mempengaruhi harga kekerasan dalam

pembentukan fasa martensit. Selain itu kenaikkan kandungan karbon akan

berpengaruh pada kekuatan tarik (tensile strength), menaikkan keuletan

(ductility) dan sifat mampu las (weldability) akan menurun dengan naiknya

kandungan karbon.

b. Mangan (Mn)

Semua baja mengandung mangan karena sangat diperlukan dalam

proses pembuatan baja. Kandungan mangan kurang lebih 0,6 % masih belum

dikatakan paduan dan tidak mempegaruhi sifat baja. Dengan bertambahnya

kandungan mangan suhu kritis seimbang. Baja dengan 12 % Mn adalah

austenit karena itu suhu kritisnya dibawah suhu kamar akibatnya baja tidak

dapat diperkeras. Unsur ini dapat berfungsi sebagai deoksidasi dari baja dan

dapat mengikat sulfur dengan membentuk senyawa MnS yang titik cairnya

lebih tinggi dari titik cair baja. Dengan demikian akan dapat mencegah

16

pembentukkan Fe, S, yang titik cairnya lebih rendah dari titik cair baja.

Akibatnya kegetasan pada suhu tinggi dapat dihindari, disamping itu

menguatkan fasa ferit.

c. Silikon (Si)

Silikon berfungsi sebagai deoksidasi, silikon juga dapat menaikkan

hardenability dalam jumlah sedikit, tetapi dalam jumlah yang banyak akan

menurunkan keuletan. Biasanya unsur-unsur kimia lainnya seperti mangan,

molybdenum dan chromium akan muncul dengan adanya silikon. Kombinasi

silikon dengan unsur-unsur tersebut akan menambah kekuatan dan

ketangguhan dari baja.

d. Chromium (Cr)

Chromium ditemukan dalam jumlah yang banyak pada baja-baja

perkakas dan merupakan elemen penting setelah karbon. Chromium

merupakan salah satu unsur-unsur pembentuk karbida dan dapat

meningkatkan ketahanan korosi dengan membentuk lapisan oksida di

permukaan logam.

e. Nikel (Ni)

Nikel mempunyai pengaruh yang sama seperti mangan yaitu

menurunkan suhu kritis dan kecepatan pendinginan kritis, memperbaiki

kekuatan tarik, tahan korosi. Menaikkan ketangguhan atau ketahanan terhadap

beban benturan (impact)

17

f. Vanadium (V)

Vanadium dalam baja-baja perkakas berperan sebagai salah satu unsur

pembentuk karbida. Vanadium juga merupakan unsur penyetabil martensit.

Pada saat proses temper, karbida vanadium berpresipitat di batas butir ferit.

Hal ini akan menaikan harga kekerasan. Biasanya terjadi pada temperatur

temper 500 - 600°C. Vanadium dapat menurunkan hardenability karena

karbida-karbida yang terbentuk dapat menghambat pengintian dan

pertumbuhan butir austenit. Tetapi pada temperatur tinggi, dimana karbida

vanadium larut, unsur ini dapat meningkatkan hardenability.

g. Molybdenum (Mo)

Unsur ini dapat menguatkan fasa ferit dan menaikkan kekuatan baja

tanpa kehilangan keuletan. Molybdenum juga dapat berfungsi sebagai

penyetabil karbida, sehingga mencegah pembentukkan grafit pada pemanasan

yang lama. Karena itu penambahan Mo kedalam baja dapat menaikkan

kekuatan dan ketahanan terhadap creep pada suhu tinggi.

h. Tungsten (W)

Tungsten juga merupakan salah satu unsur pembentuk karbida

kompleks pada baja-baja perkakas. Karbida kompleks ini terbentuk dengan

adanya pendinginan yang sangat lambat. Karbida ini bersifat meningkatkan

kekerasan dan kekuatannya.

18

i. Sulfur (S)

Sulfur dapat membuat baja menjadi getas pada temperatur tinggi, oleh

karena itu dapat merugikan baja yang digunakan pada suhu tinggi. Umumnya

kadar sulfur harus dikontrol serendah-rendahnnya, yaitu kurang dari 0,05 %.

j. Phospor (P)

Phospor dalam jumlah besar dalam baja dapat menaikkan kekuatan

dan kekerasan, tetapi juga menurunkan keuletan dan ketangguhan impak.

Pada baja-baja konstruksi kandungan phosphor dibatasi dengan kandungan

maksimum yang biasanya tidak lebih dari 0,05%.

2.6 Perlakuan Panas (Heat Treatment)

Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan

logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat fisik logam tersebut.

Baja dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan memotong

meningkat, atau baja dapat dilunakkan untuk dapat memudahkan permesinan

lebih lanjut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat

dihilangkan, besar butir diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan

atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet.

Maksud perlakuan panas tersebut secara garis besar menyangkut:

1. Meningkatkan kekerasan dan keuletan.

2. Menghilangkan tegangan dalam

3. Melunakkan Baja.

19

4. Menormalkan keadaan baja biasa dari akibat pengaruh-pengaruh

pengerjaan dan perlakuan panas sebelumnya.

5. Menghaluskan butir-butir kristal atau kombinasi dari maksud-maksud

tersebut diatas

Proses perlakuan panas ada beberapa macam, yaitu :

1. Softening (pelunakan) : adalah usaha untuk menurunkan sifat mekanik

agar menjadi lunak dengan cara mendinginkan material yang sudah

dipanaskan didalam tungku (annealing) atau mendinginkan dalam

udara terbuka (normalizing).

Contoh : annealing, normalizing, tempering.

2. Hardening (pengerasan) : adalah usaha untuk meningkatkan sifat

material terutama kekerasan dengan cara celup cepat (quenching)

material yang sudah dipanaskan ke dalam suatu media quenching

berupa air, air garam, maupun oli. Contoh : surface hardening dan

quenching.

3. Carburizing ( Pengerasan permukaan Luar) : adalah cara pengerasan

permukaan luar dari suatu material baja atau besi kadar karbon rendah

agar menjadi keras pada lapisan luar atau memiliki kadar karbon tinggi

pada lapisan luarnya. Biasanya suhu pada proses karburasi adalah

17000F. setelah proses pendinginan maka pada permukaan baja dapat

dilihat dengan mikroskop bahwa terdapat bagian – bagian

hypereutectoid, zona yang terdiri dari perlit dan jaringan sementit yang

20

putih, diikuti zona euktektoid, hanya terdiri dari perlit dan terakhir

adalah zona hypeutektoid, yang terdiri dari perlit dan ferrit, dimana

jumlah ferrit meninggkat hingga pusat dicapai.

Contoh : Karburasi Padat ( pack carburizing ),Karburasi Gas ( gac

carburizing dan Karburasi Cair ( liquid carburizing )

Di dalam laporan ini penulis hanya membahas tentang Pack

carburizing ( Karburasi Padat ).

Untuk memungkinkan perlakuan panas yang tepat, susunan kimia baja

harus diketahui karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon dapat

mengakibatkan perubahan sifat-sifat fisik.

Elemen pokok dari beberapa perlakuan panas adalah siklus pemanasan

(Heating Cycle), temperatur penahanan (Holding temperatur), waktu dan

siklus pendinginan (Cooling cycle). Waktu pendinginan akan mempengaruhi

terjadinya perubahan struktur mikro dalam baja. Berikut merupakan diagram

waktu pendinginan.

Gambar 2.1 Diagram

Proses Pendinginan Fasa

Austenit 9

21

Diagram diatas menggambarkan tahapan – tahapan transformasi untuk

menghasilkan berbagai variasi struktur mikro yang terbentuk. Disini

diasumsikan bahwa perlit, bainit, dan martensit terbentuk dari perlakuan

pendinginan yang berlanjut. Dan martensit serta martensit temper digunakan

untuk teknik penguatan dan perlakuan panas. Pada baja semua proses dasar

pengerjaan panas berhubungan dengan transformasi atau penguraian austenite.

Maka sifat dan kenyataan yang diperoleh pada hasil transformasi memperluas

aneka ragam guna, sifat fisik, dan sifat mekanik logam.

Sedangkan laju pendinginan memegang peranan yang sangat penting

dalam transformasi austenite ke perlit maupun martensit. Pengerjaan panas

efektif hanya pada paduan tertentu, karena itu hanya tergantung dari satu

unsur elemen yang larut dengan yang lain, di dalam keadaan padat dengan

jumlah yang berbeda pada kondisi yang berbeda pula.

2.6.1 Diagram Fasa Besi Karbon (Fe-C)

Diagram fasa Fe-C atau biasa disebut diagram kesetimbangan besi

karbon merupakan diagram yang menjadi parameter untuk mengetahui segala

jenis fasa yang terjadi didalam baja, serta untuk mengetahui faktor-faktor apa

saja yang terjadi pada paduan baja dengan segala perlakuannya.

22

Gambar 2.2 Diagram Kesetimbangan Fe-C 10

Dari diagram fasa yang dituntujukkan pada gambar 2.2 terlihat bahwa

suhu sekitar 723°C merupakan suhu transformasi austenit menjadi fasa perlit

(yang merupakan gabungan fasa ferit dan sementit). Transformasi fasa ini

dikenal sebagai reaksi eutectoid dan merupakan dasar proses perlakuan panas

dari baja. Sedangkan daerah fasa yang prosentase larutan karbon hingga 2 %

yang terjadi di temperatur 1.147°C merupakan daerah besi gamma (γ) atau

disebut austenit. Pada kondisi ini biasanya austenit bersifat stabil, lunak, ulet,

mudah dibentuk, tidak ferro magnetis dan memiliki struktur kristal Face

Centered Cubic (FCC).

23

Besi murni pada suhu dibawah 910°C mempunyai struktur kristal

Body Centered Cubic (BCC). Besi BCC dapat melarutkan karbon dalam

jumlah sangat rendah, yaitu sekitar 0,02 % maksimum pada suhu 723°C.

Larutan pada intensitas dari karbon didalam besi ini disebut juga besi alpha

(α) atau fasa ferit. Pada suhu diantara 910°C sampai 1.390°C, atom-atom besi

menyusun diri menjadi bentuk kristal Face Centred Cubic (FCC) yang juga

disebut besi gamma (γ) atau fasa austenit. Besi gamma ini dapat melarutkan

karbon dalam jumlah besar yaitu sekitar 2,06 % maksimum pada suhu sekitar

1.147°C. Penambahan karbon ke dalam besi FCC ditransformasikan kedalam

struktur BCC dari 910°C menjadi 723°C pada kadar karbon sekitar 0,8 %.

Diantara temperatur 1.390°C dan suhu cair 1.534°C, besi gamma berubah

menjadi susunan BCC yang disebut besi delta (δ).

Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan didalam diagram Fe – Fe3C

yaitu, perubahan fasa ferit atau besi alpha (α), austenit atau besi gamma (γ),

sementit atau karbida besi, perlit dan sementit akan diuraikan dibawah ini :

1. Ferrite atau besi alpha (α)

Merupakan modifikasi struktur besi murni pada suhu ruang, dimana

ferit menjadi lunak dan ulet karena ferit memiliki struktur BCC, maka ruang

antara atom-atomnya adalah kecil dan padat sehingga atom karbon yang dapat

tertampung hanya sedikit sekali.

24

2. Austenit atau besi gamma (γ)

Merupakan modifikasi dari besi murni dengan struktur FCC yang

memiliki jarak atom lebih besar dibandingkan dengan ferit. Meski demikian

rongga-rongga pada struktur FCC hampir tidak dapat menampung atom

karbon dan penyisipan atom karbon akan mengakibatkan tegangan dalam

struktur sehingga tidak semua rongga dapat terisi, dengan kata lain daya

larutnya jadi terbatas.

3. Karbida Besi atau Sementit

Adalah paduan Besi karbon, dimana pada kondisi ini karbon melebihi

batas larutan sehingga membentuk fasa kedua atau karbida besi yang memiliki

komposisi Fe3C. Hal ini tidak berarti bila karbida besi membentuk molekul

Fe3C, akan tetapi kisi kristal yang membentuk atom besi dan karbon

mempunyai perbandingan 3 : 1. Karbida pada ferit akan meningkatkan

kekerasan pada baja sifat dasar sementit adalah sangat keras.

4. Perlit

Merupakan campuran khusus yang terjadi atas dua fasa yang terbentuk

austenisasi, dengan komposisi eutektoid bertransformasi menjadi ferit dan

karbida. Ini dikarenakan ferit dan karbida terbentuk secara bersamaan dan

keluarnya saling bercampur. Apabila laju pendinginan dilakukan secara

perlahan-lahan maka atom karbon dapat berdifusi lebih lama dan dapat

menempuh jarak lebih jauh, sehingga di peroleh bentuk perlit besar. Dan

25

apabila laju pendinginan lebih di percepat lagi maka difusi akan terbatas pada

jarak yang dekat sehingga akhirnya menghasilkan lapisan tipis lebih banyak.

5. Martensit

Adalah suatu fasa yang terjadi karena pendinginan yang sangat cepat

sekali,dan terjadi pada suhu dibawah eutektoid tetapi masih diatas suhu

kamar. Karena struktur austenit FCC tidak stabil maka akan berubah menjadi

struktur BCT secara serentak. Pada reaksi ini tidak terjadi difusi tetapi terjadi

pengerasan (dislokasi). Semua atom bergerak serentak dan perubahan ini

langsung dengan sangat cepat dimana semua atom yang tinggal tetap berada

pada larutan padat karena terperangkap dalam kisi sehingga sukar menjadi

slip, maka martensit akan menjadi kuat dan keras tetapi sifat getas dan rapuh

menjadi tinggi.Martensit dapat terjadi bila austenit didinginkan dengan cepat

sekali (dicelup) hingga temperatur dibawah pembentukkan bainit.

Martensit terbentuk karena transformasi tanpa difusi sehingga atom-

atom karbon seluruhnya terperangkap dalam larutan super jenuh. Keadaan ini

yang menimbulkan distorsi pada struktur kristal martensit dan membentuk

BCT. Tingkat distorsi yang terjadi sangat tergantung pada kadar karbon.

Karena itu martensit merupakan fasa yang sangat keras namun getas.

2.6.2 Diagram TTT (Time Temperature Transformation)

Untuk mendapatkan sifat-sifat bahan yang lebih baik sesuai dengan

karakter yang diinginkan dapat dilakukan melalui pemanasan dan

26

pendinginan. Tujuannya adalah mengubah struktur mikro sehingga bahan

dikeraskan, dimudakan atau dilunakan.

Pemanasan bahan dilakukan diatas garis transformasi kira-kira pada

7700C, sehingga perlit berubah menjadi austenit yang homogen karena

terdapat cukup karbon. Pada suhu yang lebih tinggi ferrit menjadi austenit

karena atom karbon difusi ke dalam ferrit tersebut. Untuk pengerasan baja,

pendinginan dilakukan dengan cepat melalui pencelupan kedalam air, minyak

atau bahan pendingin lainnya sehingga atom-atom karbon yang telah larut

dalam austenit tidak sempat membentuk sementit dan ferrit akibatnya austenit

menjadi sangat keras yang disebut martensit.

Pada baja setelah terjadi austenit dan ferrit kadar karbonya akan

menjadi makin tinggi sesuai dengan penurunan suhu dan akan membentuk

hipoeutektoid. Pada saat pemanasan maupun pendinginan difusi atom karbon

memerlukan waktu yang cukup. Laju difusi pada saat pemanasan ditentukan

oleh unsure-unsur paduanya dan pada saat pendinginan cepat austenit yang

berbutir kasar akan mempunyai banyak martensit.

Fase kristal dan besarnya butir yang terjadi akan membentuk sifat

baja. Apabila ferrit dan sementit didalam perlit berbutir besar, maka baja

tersebut makin lunak sebagai akibat pendinginan lambat. Sebaliknya baja

menjadi semakin keras apabila memiliki perlit berbutir halus yang diperoleh

pada pendinginan cepat. Baja dengan unsure paduan aluminium, vanadium,

titanium dan zirkonim akan cenderung memiliki kristal berbutir halus. Untuk

27

memahami macam-macam fase dan struktur kristal yang terjadi pada saat

pendinginan dapat diamati dari diagram TTT .

Fasa austenit stabil berada di atas suhu 7700C. Pada suhu yang lebih

rendah akan terbentuk martensit dan mulai suhu tersebut martensit sudah tidak

tergantung pada kecepatan pendinginan. Struktur bainit akan terbentuk setelah

terbentuknya ferrit dan sementit. Jadi campuran antara ferrit dan sementit

adalah bainit seperti pada perlit. Perbedaan antara bainit dengan perlit adalah

bentuknya halus sedangkan perlit kasar.

Diagram TTT dipengaruhi oleh kadar karbon dalam baja, makin besar

kadar karbonya maka diagramnya akan semakin bergeser kekanan, demikian

pula dengan unsure paduan lainya. Apabila baja dipanaskan sampai

terbentuknya austenit, pendinginan akan berlangsung terus menerus tidak

isotermal biarpun dilakukan dengan berbagai media pendingin.

Untuk menentukan laju reaksi perubahan fasa yang terjadi dapat

diperoleh dari diagram TTT (Time Temperature Transformation). Diagram

TTT untuk baja karbon dengan C kurang dari 0,8% (hipoeutectoid) ditunjukan

dalam gambar 2.3 , sedangkan diagram TTT untuk baja C sama dengan 0,8%

(eutectoid) diberikan dalam gambar 2.4.

28

Gambar 2.3 Diagram TTT untuk baja Hipoeutectoid (C < 0,8%) 1

Gambar 2.4 Diagram TTT untuk baja eutectoid (C = 0,8%) 1

Dari gambar diatas menunjukkan bentuk hidung (nose) sebagai

batasan waktu minimum dimana sebelum waktu tersebut bertransformasi

austenit ke perlit tidak akan terjadi. Posisi hidung dari diagram TTT dapat

29

bergeser menurut kadar karbon. Posisi hidung bergeser makin kekanan yang

berarti baja karbon itu makin mudah untuk membentuk bainit/martensit atau

makin mudah untuk dikeraskan. Sedangkan Ms merupakan temperatur awal

mulai terbentuknya fasa martensit dan Mf merupakan temperatur akhir dimana

martensit masih bisa terbentuk.

Untuk mendapatkan hubungan antara kecepatan pendinginan dan

struktur mikro yang terbentuk biasanya dilakukan dengan menggabungkan

diagram kecepatan pendinginan kedalam diagram TTT yang dikenal dengan

diagram CCT (Continous Cooling Transformation) seperti yang terlihat dalam

gambar 2.5.

Gambar 2.5 Diagram CCT (Continous Cooling Transformation) 1

30

Pada contoh gambar diagram diatas menjelaskan bahwa bila kecepatan

pendinginan naik berarti bahwa waktu pendinginan dari suhu austenit turun,

struktur akhir yang terjadi berubah dari campuran ferit–perlit ke campuran

ferit–perlit–bainit–martensit, ferit–bainit–martensit, kemudian bainit–

martensit dan akhirnya pada kecepatan yang tinggi sekali struktur yang terjadi

adalah martensit.

Gambar 2.6 Kurva Pendinginan pada Diagram TTT 1

Dari diagram pendinginan diatas dapat dilihat bahwa dengan

pendinginan cepat (kurva 6) akan menghasilkan struktur martensite karena

31

garis pendinginan lebih cepat daripada kurva 7 yang merupakan laju

pendinginan kritis (critical cooling rate) yang nantinya akan tetap terbentuk

fase austenite (unstable). Sedangkan pada kurva 6 lebih cepat daripada kurva

7, sehingga terbentuk struktur martensite yang keras , tetapi bersifat rapuh

karena tegangan dalam yang besar.

Jadi dapat disimpulkan bahwa dengan proses heatreatment pada baja

karbon akan meningkatkan kekerasanya. Dengan meningkatnya kekerasan,

maka efeknya terhadap kekuatan adalah sebagai berikut :

Kekuatan impact (impact strength) akan turun karena dengan

meningkatnya kekerasan, maka tegangan dalamnya akan meningkat.

Karena pada pengujian impact beban yang bekerja adalah beban geser

dalam satu arah, maka tegangan dalam akan mengurangi kekuatan impact.

Kekuatan tarik (tensile sterngth) akan meningkat. Hal ini disebabkan

karena pada pengujian tarik beban yang bekerja adalah secara aksial yang

berlawanan dengan arah dari tegangan dalam, sehingga dengan naiknya

kekerasan akan meningkatkan kekuatan tarik dari suatu material.

2.6.3 Hardening

Hardening adalah perlakuan panas terhadap baja dengan sasaran

meningkatkan kekerasan alami baja. Perlakuan panas menuntut pemanasan

benda kerja menuju suhu pengerasan didaerah atau di atas daerah kritis dan

pendinginan berikutnya secara cepat dengan kecepatan pendinginan kritis.

32

Akibat penyejukan dingin dari daerah suhu pengerasan ini dicapailah suatu

keadaan paksa bagi struktur baja yang membentuk kekerasan. Oleh karena itu

maka proses pengerasan ini di sebut juga pengerasan kejut atau pencelupan

langsung kekerasan yang tercapai pada kecepatan pendinginan kritis

(martensit) ini di iringi kerapuhan yang besar dan tegangan pengejutan.

Pada setiap operasi perlakuan panas, laju pemanasan merupakan faktor

yang penting. Panas merambat dari luar ke dalam dengan kecepatan tertentu

bila pemanasan terlalu cepat, bagian luar akan jauh lebih panas dari bagian

dalam oleh karena itu kekerasan di bagian dalam benda akan lebih rendah dari

pada di bagian luar,dan ada nilai batas tertentu. Namun air garam atau air akan

menurunkan suhu permukaan dengan cepat, yang diikuti dengan penurunan

suhu di dalam benda tersebut sehingga di peroleh lapisan keras dengan

ketebalan tertentu.

2.6.4 Quenching

Quenching adalah proses pendinginan setelah mengalami pemanasan.

Media quenching dapat berupa oli, air, air garam, dan lain-lain sesuai dengan

material yang diquenching. Dimana kondisi sangat mempengaruhi tingkat

kekerasan. Pada quenching proses yang paling cepat akan menghasilkan

kekerasan tertinggi.

33

Jika suatu benda kerja diquench ke dalam medium quenching, lapisan

cairan disekeliling benda kerja akan segera terpanasi sehingga mencapai titik

didihnya dan berubah menjadi uap. Berikut adalah 3 tahap pendinginan :

Gambar 2.7 Diagram Tahap Pendinginan

1. Tahap A (Vapor – Blanket Stage)

Pada tahap ini benda kerja akan segera dikelilingi oleh lapisan uap

yang terbentuk dari cairan pendingin yang menyentuh permukaan benda

Uap yang terbentuk menghalangi cairan pendingin menyentuh permukaan

benda kerja. Sebelum terbentuk lapisan uap, permukaan benda kerja

mengalami pendinginan yang sangat intensif. Dengan adanya lapisan uap,

akan menurunkan laju pendinginan karena lapisan terbentuk dan akan

berfungsi sebagai isolator.

Pendinginan dalam hal ini terjadi efek radiasi melalui lapisan uap

lama-kelamaan akan hilang oleh cairan pendingin yang mengelilinginya.

34

Kecepatan menghilangkan lapisan uap makin besar jika viskositas cairan

makin rendah. Jika benda kerja didinginkan lebih lanjut, panas yang

dikeluarkan oleh benda kerja tidak cukup untuk tetap menghasilkan

lapisan uap, dengan demikian tahap B dimulai.

2. Tahap B (Vapor – Blanket Cooling Stage)

Pada tahap ini cairan pendingin dapat menyentuh permukaan benda

kerja sehingga terbentuk gelembung – gelembung udara dan

menyingkirkan lapisan uap sehingga laju pendinginan menjadi bertambah

besar.

3. Tahap C (Liquid Cooling Stage)

Tahap C dimulai jika pendidihan cairan pendingin sudah berlalu

sehingga cairan pendingin tersebut pada tahap ini sudah mulai

bersentuhan dengan seluruh permukaan benda kerja. Pada tahap ini pula

pendinginan berlangsung secara konveksi karena itu laju pendinginan

menjadi rendah pada saat temperature benda kerja turun. Untuk mencapai

struktur martensit yang keras dari baja karbon dan baja paduan, harus

diciptakan kondisi sedemikian sehingga kecepatan pendinginan yang

terjadi melampaui kecepatan pendinginan kritis dari benda kerja yang

diquench, sehingga transformasi ke perlit atau bainit dapat dicegah.

35

2.6.5 Pendinginan dan Media Pendingin

Seperti pemanasan, pendinginan juga bekerja tidak merata pada

keseluruhan penampang benda kerja (dari luar kedalam).

Untuk proses quenching kita melakukan pendinginan secara cepat

dengan menggunakan media Oli. Tujuanya adalah untuk mendapatkan

struktur martensite, semakin banyak unsur karbon, maka struktur martensite

yang terbentuk juga akan semakin banyak. Karena martensite terbentuk dari

fase Austenite yang didinginkan secara cepat. Hal ini disebabkan karena atom

karbon tidak sempat berdifusi keluar dan terjebak dalam struktur kristal dan

membentuk struktur tetagonal yang ruang kosong antar atomnya kecil,

sehingga kekerasanya meningkat.

Untuk mendinginkan bahan di kenal berbagai macam bahan, dimana

untuk memperoleh pendinginan yang merata maka bahan pendinginan

tersebut hampir semuanya di sirkulasi, contohnya yaitu :

1. Air

Air memberi pendinginan yang sangat cepat. Untuk memperbesar daya

pendinginan air, maka kedalam air tersebut dilarutkan garam dapur dari 5

sampai 10 %.

2. Minyak / Oli

Minyak / oli memberi pendinginan yang cepat, oleh karena untuk

keperluan ini minyak harus memenuhi berbagai macam persyaratan.

36

3. Udara

Udara memberi pendinginan yang perlahan-lahan. Udara tersebut ada

yang disirkulasi dan ada pula yang tidak disirkulasi.

4. Garam

Garam memberi pendinginan yang cepat dan merata. Garam tersebut

terutama digunakan untuk proses Hardening.

2.6.6 Penahanan Suhu (holding time)

Holding time dilakukan untuk mendapatkan kekerasan maksimum dari

suatu bahan pada proses quenching dengan menahan pada temperatur

pengerasan untuk memperoleh pemanasan yang homogen sehingga struktur

austenitnya homogen atau terjadi kelarutan karbida ke dalam austenit dan

difusi karbon dan unsur paduannya. Pedoman untuk menentukan holding time

dari berbagai jenis baja:

Baja Konstruksi dari Baja Karbon dan Baja Paduan Rendah Yang

mengandung karbida yang mudah larut, diperlukan holding time yang

singkat, 5 - 15 menit setelah mencapai temperatur pemanasannya

dianggap sudah memadai.

Baja Konstruksi dari Baja Paduan Menengah Dianjurkan

menggunakan holding time 15 -25 menit, tidak tergantung ukuran

benda kerja.

37

Low Alloy Tool Steel Memerlukan holding time yang tepat, agar

kekerasan yang diinginkan dapat tercapai. Dianjurkan menggunakan

0,5 menit permilimeter tebal benda, atau 10 sampai 30 menit.

High Alloy Chrome Steel Membutuhkan holding time yang paling

panjang di antara semua baja perkakas, juga tergantung pada

temperatur pemanasannya. Juga diperlukan kombinasi temperatur dan

holding time yang tepat. Biasanya dianjurkan menggunakan 0,5 menit

permilimeter tebal benda dengan minimum 10 menit, maksimum 1

jam.

2.7 Teori dasar Pengujian Kekerasan

Yang dimaksud dengan kekerasan adalah suatu sifat dari bahan-bahan

logam yang sangat penting karena banyak sifat-sifat lain yang berhubungan

dengan kekerasannya. Pada umumnya ada tiga cara penentuan kekerasan

bahan yaitu:

1. Cara Goresan

Cara ini sering dilakukan dengan menggoreskan bahan logam yang

lebih keras kepada bahan yang lebih lunak. Mohs telah membuat skala yang

terdiri dari 1 s/d 10 standar mineral yang disusun menurut kemampuannya

dari bahan yang terkeras, yaitu intan dengan skala 10 sampai bahan yang

38

terlunakkan yaitu Talk dengan angka 1. Logam-logam yang keras pada

umumnya ada pada skala 4-8.

2. Cara Dinamik

Cara ini adalah dengan cara menjatuhkan bola baja pada permukaan

logam, tinggi pantulan bola menyatukan energi benturan sebagai ukuran

kekerasan logam, dengan cara ini dinamakan cara Shore Scleroscope.

3. Cara Penekanan

Pengukuran kekerasan dengan cara ini dilakukan dengan menggukan

indentor yang ditekan pada benda uji dengan beban besar tertentu.

Penekanan tersebut akan menyebabkan logam mengalami deformasi plasstis.

Apabila penekanan oleh indentor diterusken, deformasi pada benda uji akan

terus berlangsung. Kemampuan benda uji menahan tekanan indentor inilah

yang diartikan sebagai kekerasan dari material, beban yang diberikan dalam

uji kekerasan adalah konstan. Oleh karena itu nilai kekerasan dari benda uji

akan tergantung pada luas permukaan bekas benda uji yang mengalami

penekanan. Makin luas bekas penekanan tersebut, maka makin rendah sifat

kekerasan dari benda uji atau benda uji tersebut bersifat lunak.

Metode Rockwell

Dalam metode ini penetrator ditekan dalam benda uji. Harga

kekerasan didapat dari perbedaan kedalaman dari beban mayor dan minor.

Beban minor adalah beban pertama yang diberikan identer kepada

specimen pada saat mencapai permukaan specimen juga berfungsi sebagai

39

landasan untuk beban mayor. Sedangkan beban mayor adalah beban yang

diberikan pada benda uji sampai mencapai kedalaman tertentu pada

specimen dari identer. Jadi nilai kekerasan didasarkan pada kedalaman

bekas penekanan.

Metode ini sangat cepat dan cocok untuk pengujian massal. Karena

hasilnya dapat secara langsung dibaca pada jarum penunjuk, maka metode

ini sangat efektif untuk pengetesan massal.

Uji kekerasan ini banyak digunakan disebabkan oleh sifat-sifatnya

yang cepat dalam pengerjaannya, mampu membedakan kekerasan pada

baja yang diperkeras, ukuran penekanan relative kecil, sehingga bagian

yang mendapatkan perlakuan panas dapat diuji kekerasannya tanpa

menimbulkan kekerasan. Uji ini menggunakan kedalaman lekukan pada

beban yang konstan sebagai ukuran kekerasan.

Mula-mula diberikan beban kecil sebesar 10 kgf untuk

menempatkan benda uji. Hal ini untuk memperkecil kecenderungan

terjadinya penumbukan keatas atau penurunan yang disebabkan oleh

identer. Kemudian diberikan beban yang besar sebagai beban utama ,

secara otomatis kedalaman bekas penekanan akan terekam pada “gauge”

penunjuk yang menyatakan angka kekerasannya.

Pengujian kekerasan Rockwell didasarkan pada kedalaman

masuknya penekan benda uji, makin keras benda yang akan diuji makin

dangkal masuknya penekan tersebut. Sebaliknya semakin dalam

40

masuknya penekan tersebut berarti benda uji makin lunak. Cara Rockwell

disukai karena dapat dengan cepat mengetahui harga kekerasan suatu

material tanpa menghitung seperti cara brinell dan Vickers. Nilai

kekerasan dapat langsung dibaca setelah beban utama dihilangkan, dimana

beban awal masih menekan benda tersebut.

Uji kekerasan Rockwell mempunyai kemampuan ulang

(reproduciable), namun perlu diperhatikan :

Penekan dan landasan harus bersih dan terpasang dengan baik.

Permukaan yang diuji harus bersih, kering, halus, dan bebas

dari pengotor.

Permukaan harus datar dan tegak lurus terhadap penekan.

Menguji permukaan silinder memberikan hasil pembacaan

yang rendah. Pengukuran pada permukaan silinder

memerlukan koreksi dimana data-data koreksinya secara

teoritis dan empiris telah dipublikasikan.

Kecepatan pembebanan harus sama dengan waktu pemberian

beban, baik untuk pengujian pertama maupun selanjutnya.

Tebal benda uji harus sedemikian rupa sehingga tidak terjadi

gembung pada permukaan dibaliknya. Dianjurkan agar tebal

benda uji minimal 10 kali kedalaman bekas penekanan. Pusat

dari penekanan tidak boleh kurang dari 2,5 kali garis tengah

41

penekanan dari tiap sisi benda uji tersebut dan dari segala

macam penekan lainnya.

Tabel 2.1 Skala Kekerasan Rockwell

Skala Beban Mayor

(kg)

Tipe Identor Tipe material uji

A 60 Intan kerucut Sangat keras, tungsten, karbida

B 100 1/16” bola baja Kekerasan sedang, kuningan,

perunggu

C 150 Intan kerucut Baja keras, paduan yang

dikeraskan, baja hasil perlakuan

D 100 1/8” bola baja Paduan alumunium,magnesium

yang diannealing

Gambar 2.8 Rockwell Hardness Tester HR-150

42

Kelebihan :

Cepat dan lebih sederhana

Mampu untuk membedakan perbedaan kekerasan kecil pada baja yang

diperkeras

Ukuran lekukan kecil, sehingga bagian yang mendapat perlakuan

panas yang lengkap dapat diuji kekerasan tanpa menimbulkan

kerusakan.

Kekurangan :

Skala kekerasan pengukuran yaitu kombinasi antara penetrator yang

digunakan dan beban penekanan yang diijinkan untuk setiap material

berbeda-beda, sehingga harus disesuaikan.

Dengan bekas tekanan yang kecil maka kekerasan rata-rata tidak dapat

ditentukan untuk bahan yang tidak homogeny.

Dengan pembesaran dalamnya bekas tekanan yang kecil terdapat

kesalahan pengukuran yang besar.

2.8 Struktur Mikro

Struktur mikro yang dihasilkan akan mempengaruhi sifat mekanis

logam, karena pengaruh sifat dari fasa-fasa yang terbentuk. Sifat mekanis

logam seperti : kekerasan dan kekuatan tarik tidak dapat ditentukan dari sifat

masing-masing fasa. Karena fasa tersebut saling berinteraksi satu sama lain,

maka fasa yang lebih kuat akan menghambat slip dan mengalami pergeseran

43

dalam matriks yang lebih lemah. Hal ini dipengaruhi oleh efek kuantitas fasa,

efek ukuran fasa, pengaruh bentuk dan distribusi fasa.

Struktur ferit dan perlit dalam baja karbon seperti yang ditunjukkan

dalam diagram fasa Fe-Fe3C merupakan fasa-fasa yang seimbang, yang

dicapai melalui proses pendinginan perlahan-lahan. Struktur ferit mempunyai

kekuatan dan keuletan yang cukup menengahkan struktur perlit mempunyai

sifat keras dan kurang ulet. Perbedaan sifat mekanis tersebut dikarenakan

kadar karbon dalam fasa ferit lebih rendah jika dibandingkan kadar karbon

dalam fasa perlit. Dalam baja karbon kedua struktur ferit dan pelit biasanya

terjadi bersama-sama, dalam hal ini sifat mekanis baja karbon akan ditentukan

oleh volume fraksi dari masing-masing fasa.

Kadar karbon dalam martensit mencapai keadaan super jenuh sehingga

kekerasan sangat tinggi dibandingkan dengan struktur perlit. Kekerasan yang

sangat tinggi ini menyebabkan struktur martensit ini menjadi kurang ulet dan

bahkan cenderung bersifat getas. Kekerasan dan kekuatan yang tinggi dari

martensit disebabkan karena struktur martensit bertindak sebagai penghalang

yang sangat kuat terhadap pergerakan dislokasi.

Disamping karena pengaruh jenis fasa yang terbentuk, sifat mekanis

logam juga dipengaruhi oleh struktur mikronya, seperti : ukuran butir, bentuk

dan distribusi butiran.

44

2.9 Batas Butiran

Baja dengan butiran yang kasar memiliki sifat kurang tangguh dan

kecenderungan untuk distorsi, namun baja jenis ini lebih mudah untuk

permesinan dan memiliki kemampuan pengerasan yang lebih baik. Baja yang

berbutir halus disamping lebih halus juga lebih ulet dan kurang peka terhadap

distorsi atau retak sewaktu perlakuan panas. Besar butir dapat dikendalikan

melalui komposisi pada waktu proses pembuatan akan tetapi setelah baja jadi,

pengendalian dilakukan melalui perlakuan panas.

Jika logam dipanaskan sampai temperatur sekitar 723°C, tidak akan

terjadi perubahan fasa maupun perubahan pada ukuran butiran. Diatas garis

A1 akan terjadi proses rekristalisasi atau terbentuknya butiran baru. Butiran

baru tersebut terbentuk karena transformasi fasa membentuk fasa baru yaitu

fasa austenit. Pada saat garis A3 proses rekristalisasi berhenti, hasil akhirnya

adalah fasa austenit dan fasa ferit dengan ukuran butiran yang minimum, lihat

gambar 2.15. Jika pemanasan diteruskan diatas garis A3 maka akan terjadi

pertumbuhan butiran, ukuran butiran austenit ini akan menentukan besar

butiran setelah pendinginan.

45

Gambar 2.9 Skema perubahan struktur mikro

selama pemanasan pada baja 7