Bab
II. LANDASAN TEORI
Roda gigi adalah salah satu komponen kendaraan bermotor
yang
membutuhkan permukaan keras namun dengan bagian tengah yang tetap ulet (bahan
yang tidak mudah patah, mempunyai tegangan tarik yang tinggi). Sehingga upaya yang dapat dilakukan adalah pengerasan permukaan diantaranya dengan melakukan karburising.
2.1 Karburasi pada baja
Tujuan karburasi adalah meningkatkan konsentrasi karbon dilapisan permukaan dari
produk baja untuk mendapatkan permukaan tahan aus yang lebih keras. Cara ini biasanya dilakukan dengan menahan dalam gas yang terdiri dari campuran CH4 dan atau CO pada temperature austenisasi dengan mengontrol proporsi dan konsentrasi
karbon pada permukaanbaja dalam keadaan setimbang dengan campuran gas dapat ditentukan pada jumlah konsentrasi yang sesuai. Pada waktu yang bersamaan karbon
berdifusi secara kontinu dari permukaan ke baja.
Profil konsentrasi benda uji yang dapat dicapai setelah perbedaan waktu yang ditentukan. Penjelasan analitik untuk profil
ini dapat dicapai dengan
hukum Fick II dengan menggunakan kondisi batas : Cs ( pada
-):
Cs
X:
penyelesaian
0 ) = Cs dan
Cs (
, konsentrasi karbon original baja. Specimen diasumsikan sebagai pajang
infrnit pada kenyataartya koefisien difusi karbon diaustenit meningkat dengan meningkatnya konsentrasi, tetapi larutan yang diinginkan dapat dicapai dengan
mengambil nilai rata-rata dan menjadi persamaan yang sederhana:
Cs - ( Cs-Co )
/\ IYI
' | -:2
erf
C:
lDimana
:
\z'lD' )
- rata
C
Konsentrasi karbon rata
Cs
Konsentrasi karbon di permukaan
Co
Konsentrasi karbon di bagian terdalam
X
tebal penetrasi karbon
D
Koefisien difusi karbon
T
waktu difusi karbon
Dari persamaan diatas nilai yang lebih akurat didapat dari buku standar Matemetika. Diketahui bahwa erf (0.5) adalah 0.5
,
sehingga tebal dimana konsentrasi karbon
r'+
ditengah-tengah antara Cs dan C6 dinyatakan dengan |
\.2J4
*
l= O.t sehingga tebal
)
bagian yang terkaburasi adalah 4 Dt . Perlu diingat bahwa kedalaman dari garis iso konsentrasi adalah berbanding lurus dengan
"l-Dt
. Sehingga untuk mencapai dua kali
peningkatan penetrasi membutuhkan empat kali waktu penetrasi.
2.2Paclr Carburising
Proses
ini
sederhana
dan merupakan metode awal untuk
melakukan
karburising dengan cara meletakkan komponen yang akan diproses ke dalam wadah yang terbuat dari logam dengan c.rmpuran bahan karburasi yang terdiri dari serbuk
batu bara dan l|Yo barium karbonat yang membungkus sekeliling komponen. Wadah
ini kemudian dipanaskan pada temperature konstan
(8500 C
- 9500C) untuk beberapa
waktu guna memastikan temperature yang dipakai dan untuk memastikan bahwa karbon terdifusi ke permukaan komponen pada kedalaman tertentu
Adapun sumber karbon dapat berasal dari batu bar4 wang batok kelapa atau arang
kuyo, pada penelitian ini digunakan arang aktif daxi batok kelapa sebagai sumber karbonnya. Setelah dilakukan pack carburising langkah berikutnya adalah perlakuan panas yang
terdiri
dadr
autenisasi dantempering serta quenching.
Sedangkan perlakuan panas yang dilahrkan pada proses pack carburizing adalah proses austempering dengan tahapan proses sebagai berikut;
1.
Austenisasi. Komponen coran dipanaskan pada temperature diantara 8500 C dan 9500C selama 15 menit sampai
2iant.
Austenit (besi atau gamma fase) adalah solusi non-magnetik logam padat dari
besi dan elemen paduan. Di dataran-baja karbon, austenit ada di atas suhu eutektoid kritis 1000 K (sekitar 727
" C); paduan lainnya dari baja memiliki
temperatur eutektoid berbeda. Hal ini dinamai Sir William Chandler Roberts-
Austen (1343-1902). Dalam rangka untuk setiap transformasi berlangsung mikro logam harus ditambah strukfur austenit. Batas-batas wilayah yang tepat dari fase austenit tergantung pada kimia dari panas paduan dirawat. Namun, o suhu austenitizing biasanya antara 790 dan 915 C (1455-1680
'
F). Jumlah
waktu yang dihabiskan pada suhu ini akan bervariasi dengan paduan dan spesifik proses untuk bagian melalui-mergeras hasil terbaik dicapai bila austenitization cukup panjang untuk menghasilkan logam mikro austenit penuh (masih akan hadir dalam besi cor
yang konsisten. Dalam baja
grafi| dengan
ini hanya dapat
kandungan karbon
berlangsung beberapa menit
setelah suhu austenitizing telah mencapai seluruh bagian bagian, tetapi dalam
besi cor dibutuhkan lagi. Hal ini karena karbon harus berdifusi keluar dari
grafit sampai mencapai konsentrasi kesetimbangan ditentukan oleh suhu dan diagram fase. Langkah ini dapat dilakukan dalam berbagai jenis tungku, dalam garam mandi suhu tinggi. melalui api langsung atau pemanasan induksi. Banyak paten ada untuk metode te$entu dan variasi. Austenitizatian berafii untuk memanaskan besi. besi berbasis logam, atau baja sampai suhu di
mana ia perubahan struktur kristal dari ferit untuk austenit. Sebuah awal austenitization lengkap dapat meninggalkan karbida larut daiam matriks.
Untuk beberapa besi, besi berbasis logam, dan baja, kehadiran karbida mungkin terjadi atau hadir selama langkah austenitization. Istilah umum
digunakan untuk ini
adalah
dua
fase
austenitizatron
(http:/len.r.vikipedia.ore/\.viki/AI"rstenite-)
2.
Austempering. Setelah austenisasi komponen coran di celup dalam bak garam pada temperature dalam range 4500 C
-
2500C selama setengah sampai 3 jam.
Kemudian diikuti pendinginan sampai temperature ruangan. Austempering adalah perlakuan panas isotermal yang diterapkan untuk logam besi, besi baja dan terutama ulet. Dalam baja itu menghasilkan mikro rendah
bainit sedangkan pada besi cor itu menghasilkan struktur acicular ferit dan karbon tinggi, stabil austenit dikenal sebagai ausferrite. Hal
ini
terutama
digunakan untuk meningkatkan sifat mekanik. Austempering didefinisikan
oleh proses dan mikrostruktur ya:rg dihasilkan. Parameter proses yang khas austempering diterapkan pada bahan yang
tidak cocok tidak
akan
mengakibatkan pembentukan bainit atau ausferrite dan thusly produk akhir tidak akan dipanggil austempered. Kedua mikro juga dapat dihasilkan melalui metode lain. Misalnya, mereka mungkin diproduksi sebagai-cast atau udara
didinginkan dengan konten paduan yang tepat. Bahan-bahan ini juga tidak disebut sebagai austempered. Austempering baja pertama kali dirintis oleh
Edgar C. Bain dan Edmund S. Davenport pada tahun 1930 yang bekerja untuk
United States Steel Corporation pada waktu itu. Bainit harus telah hadir di baja lama sebelum tanggal penemu:m diakui, tetapi tidak teridentifikasi karena
teknik metalogtafi terbatas yang tersedia dan campufan mikro yang dibentuk oleh praktek-praktek perlakuan panas waktu. Keadaan kebetulan terinspirasi
Bain untuk mempelajari transformasi fase isotermal. Austenit dan fase suhu yang lebih tinggi dari baja yang menjadi lebih dan lebih dipahami dan itu sudah diketahui bahwa austenit dapat dipertahankan pada suhu kamar.
Melalui kontak di Perusahaan Steel dan American Wire Bain menyadari translbnnasi isotermal yang digunakan dalam industri dan
dia
mulai
memahami percobaan baru. Penelitian lebih ianjut ke dalam transformasi isorermal baja adalah hasil dari Bain dan penemuan Davenpofi dari mikro n'agregat acicular, etsa gelap." Mikro ini baru yang terdiri dari sebuah
ditemukan untuk menjadi "lebih keras untuk kekerasan yang sama dari martensit mafah". Eksploitasi komersial dari baja bainitik tidak menjadi
umum dalam semalam. Panas mengobati praktek utnum pada wakfu ifu menampilkan metode pendinginan terus menerus dan tidak mampu. dalam
praktek, sepenuhnya memproduksi mikro bainitik. Kisaran paduan yang tersedia yang dihasilkan baik mikro campuran atau jumlah berlebihan martensil. Munculnya baja karbon rendah yang mengandung boron dan molibdenum daiam baja 1958 bainitik sepenuhnya diizinkan untuk diproduksi
dengan pendinginan terus menerus. Penggunaan komersial baia bainitik sehingga muncul sebagai hasil dari pengembangan panas baru mengobati metode, mereka yang melibatkan langkah memegang benda kerja pada suhu
tetap untuk periode waktu yang cukup untuk memungkinkan transformasi
rnenjadi kolektif dikenal sebagai austempering. Salah satu penggunaan pertama dari baja austempered berada di baut senapan selama Perang Dunia
II. Kekuatan dampak tinggi mungkin di hardnesses tinggi, dan bagian ukuran yang relatif kecil dari komponen yang terbuat baja austempered ideal untuk 10
aplikasi ini. Selama dekade berikutnya austempering merevolusi industrl seml
diikuti oleh klip dan klem. Komponen-komponen ini. yang biasanya tipis, membentuk bagian tidali memerlukan paduan mahal dan umumnya memiliki sifat elastis lebih baik daripada rekan mereka marah martensit. baja akhirnya
jalan ke industri otomotif di mana salah satu menggunakan pefiama adalilt dalam komponen kritis untuk keselamatan. Mayoritas kurung kursi mobil dan komponen sabuk terbuat dari baja austempered karena kekuatan dan daktilitas tinggi. Properti ini
austempered membuat
memungkinkan untuk menyerap energi secara signifikan lebih selama crash
tanpa risiko kegagalan rapuh. Saat ini, baja austempered juga digunakan dalam bantalan, mesin pemotong pisau, gigi transmisi, piring gelombang. dan tines aerasi rumput" Pada paruh kedua abad kedua puluh proses austempering
mulai komersial diterapkan untuk besi cor. Austempered Ulet Besi (.ADI) pertama kali dikomersialisasikan pada awal tahun 1970 dan sejak itu telah menjadi industri besar (http:i/en.i.r,'ikipedia.qrq/\.viki/Austempering) Temperature transformasi isothermal lebih rendah jika dibandingkan dengan pearlite
tetapi lebih tinggi dari temperature " martensit start ". Perlakuan panas menghasilkan
tipe mikrostruktur bainit yang berbeda, tergantung pada temperature dan waktu perlakuan(treatrnent). Skema diagram siklus perlakuan panas austempering terlihat pada gambar 2 dibawah ini.
11
r@ (-}
ut E.
P
itrl.EtltltilTE
srDo --f*JlrHE{t'*g
rd or
p < It
txlo
e |T a
{g
CL
E+tF ,-
l-=
TL'
z(xl
Gambar2.l Skema diagram siklus perlakuan panas austempering
2.3 Laju pendinginan selama pencelupan Pengurangan temperatur yang cepat dari temperatur austenisasi ke temperatur
austempering tercapai jika komponen ditempatkan dalam medium austempering. Laju
pendinginan selama tahap
ini
sangat penting karena menentukan mikrostruktur
matriks dari baja yang akan di austemper. Pencelupan lambat akan menghasilkan
pearlite;
ini
biasa terjadi pada benda coran yang besar dimana bagian tengah
mempunyai laju pendinginan yang lebih lambat dibandingkan pada bagian luarnya.
Mangan sering dipakai untuk mengurangi laju pembentukan perlite
selama
pendinginan dan membiarkan pembuatan benda coftm yang besar. Derajat dimana
t2
bainit dapat dicapai selama laku panas iso thermal untuk menghindari pearlite atau mertensit dikenal sbagai pengerasan bainit pada paduan.
2.4 Karbon
Aktif
Karbon aktif adalah istilah umum untuk material karbon yang kebanyakan berasal dari batu bara. Material
ini mempunyai
penampang perrrukaan yang luas.
Hanya satu gram karbon aktif punya daerah permukaan mendekati 500 m2 , terutama ditentukan oleh penyerapan gas nitrogen dan termasuk jumlah prioritas yang banyak.
Aktivasi dilakukan khusus untuk aplikasi yang membutuhkan permukaan yang luas, selanjutnya perlakuan kimiawi dilakukan untuk mengatasi sifat penyerapan material.
Berikut ini adalah bentuk fisik dari karbon aktif.
Gambar 2.2. Arangkarbon
13
aklif
Adapun cara untuk memproduksi karbon aktif adalah sebagai berikut:
1. Reaktifasi :
proses dalam precursor dikembangkan menjadi karbon aktif
menggunakan gas. Proses ini biasanya dilalcukan dengan menggunakan salah satu atau kombinasi proses tersebut:
a.
Karbonisasi
:
ada\ah proses dimana material dengan kandungan
karbon di pyrolisis pada temperature 600
tanpa udara.
(
-
9000C, dalam lingkungan
biasanya dalam atmosfer inert dengan gas seperti
nitrogen atau argon )
b. Aktifasi /
Oksidasi
:
proses dimana bahan baku atau material
terkarbonisasi diekspose kelingkungan oksidasi
(
karbon dioksida,
oksigen, atau uap air ) pada temperature diatas 2500C bisanya berkisar antara 600-1200oC
Aktifasi kimiawi : adalah metode lain yang digunakan untuk mempersiapkan aktivasi karbon. Yang melibatkan pengisian dengan bahan kimia diantaranya asam seperti asam phosphoric, atau bisa seperti potassium hidroksida NaOH
atau garam seperti ZnCL Yang diikuti oleh proses karbonisasi
pada
temperatur berkisar antara 4500-9000C. hal ini dipercaya karena karbonisasi dan langkah aktifitas mempercepat aktifasi kimiawi secara simultan. Tehnik seperti
ini dapat menemui
masalah pada kasus-lkasus tertentu seperti residu
Zn mungkin terdapat pada hasil akhirnya. Bagai manapun aktifitas kimiawi lebih dipilih dari pada aktifitas fisika karena mempunyai temperature proses
l4
yang lebih rendah dan waktu yang lebih pendek yang dibutuh lkan untuk mengaktifasi karbon.
Material yang digunakan dapat berupa beberapa material yan gmengandung
karbon seperti batok kelapa, kuyu, batu bara. Karbon aktif jenuh dapat terre generasi oleh pemanasan.
2.5 Sifat Karbon
Aktif
Satu gram aktif mungkin mempunyai luas permukaan lebih dari 400
m2
dengan 1500m2 yang siap diaktivasi. Sebagai perbandingan, lapangan tenis kira-kira
250nf . karbon aerogel yang lebih mahal mempunyai permukaan yang lebih luas dan digunakan dalam aplikasi khusus. Dibawah mikroskop struktur karbon aktif seperti
pita kertas yanhg kecil yang bergumpal bersama, tercampur dengan cirmpuran kayu.
Ada banyak jumlah kaitan dan bentangan yang luas dimana pemukaan bahan rata seperti grafit berposisi pararel satu sama lainya, dipisahkan oleh sekian nano meter. Rongga yang sangat kecil ini menyediakan kondisi untuk terjadinya absorbsi, karena
bahan penyerapdapat berinteraksi sengan banyak permukaan secara simultan. Uji
daya penyerapan biasanya dilakukan dengan gas nitrogen pada temperatur 77K dibawah tekanan tinggi. Namun seiring dengan waktu istilah kartu aktif sesuai dengan produk yang ekivalen dengan penyerapan air dari uap air pada 1000C dan tekanan 1/l 0000 atmostfer. Secara
fisik, karbon aktif mengikat material dengan gaya van der walls khususnya
gaya London dipersion.
15
Karbon aktif tidak terikat dengan baik untuk zat kimia tertentu, termasuk
lithium, acohol, glikol, amoniak, asam dan basa kuat, logam dan hampir semua material inorganic seperti natrium, besi, timah, arsenic, fllour, dan asam borak. Karbon aktif mernyerap iodine dengan baik dan pada prakteknya angka iodine, mg/g
( ASTM D28 standart
metode test
)
digunakan sebagai indikasi daerah permukaan
total. Karbon aktif juga dapat digunakan sebagai substrate untuk aplikasi dari beberapa reaksi kimia untuk meningkatkan kapasitas penyerapan bahan inorganic dan
organic yang bermadsalah seperti asam sulfide, ammoni4 formaldehyde, raksa.
2.6 Diagram Fe-Fe3C
Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon, suatu jenis logam paduan besi (Fe) dan
karbon (C). Karbon larut
di
dalam besi dalam bentuk larutan padat
(PENGETAHUAN BAHAN 2008 Rahmat Saptono - Departemen Metalurgi dan Material FTUI 2008 37 solution) hingga 0,05Voberatpada temperatur ruang. Baja dengan atom karbon terlarut hingga jumlah tersebut memiliki alpha fenite pada temperature ruang. Pada kadar karbon lebih dari O,ASyo akan terbentuk endapan
karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe3C) yang
dikenal sebagai cementite atau carbide. Selain larutan padat alpha-ferrite yang dalam kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase
penting lainnya, yaitu delta-fenite dan gamma-austenite. Logam Fe bersifat polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada temperatur berbeda. Pada Fe murnio misalnya, alpha-fenite akan berubah menjadi gamma-austenite saat dipanaskan melewati temperature 910oC. Pada temperatur yang lebih
tinggi,
mendekati 1400oC gamma-austenite akan kembali berubah menjadi delta-ferrite.
16
(Alpha dan Delta) Ferrite dalam hal ini memiliki struklur kristal BCC sedangkan (Gamma) Austenite memiliki strukfur kristal FCC
i
Gambar 2.3 Diagram Kesetimbangan Fasa Fe-Fe:C
Gambar 2.3 menunjukan digram kesetimbangan besi-karbon sebagai dasar dari bahan besi-baja dengan komposisi unsur C,0,25oA Si, 0,3-1,5o,/o
Mq P dan S.
Pada paduan besi karbon terdapat fasa karbida yang disebut sementito grafit
dan grafit lebih stabil dari sementit yang mempunyai kadar
I7
C:
6,67Yo. Perubahan
struktur pada perlakuan panas, yaitu baja berupa ferit pada temperatur kamar ( eutectoid ) dapat diproses menjadi berbagai struktur dengan jalan perlakuan panas. 2.6.1 Ferrite Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (body centered
cubic). Ferrite dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperature ruang, yaitu alpha-ferrite atau pada temperatur tinggi, yaitu delta-ferrite. Secara umum fase ini bersifat lunak (soft), ulet (ductile), dan magnetic (magnetic) hingga temperatur tertentu, yaitu Tcurie. Kelarutan karbon di dalam fase ini relatif lebih
kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam fase larutan padat lain di dalam baja, yaitu fase Austenite. Pada temperatur ru.ulg, kelarutan karbon di dalam alpha-ferrite hanyalah sekitar 0,A5yo. Berbagai jenis baja dan besi tuang dibuat dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Baja lembaran berkadar karbon rendah dengan fase tunggal fenite misalnya, banyak diproduksi untuk proses pembentukan logam lembaran. Dowasa
ini bahkan telah dikembangkan
baja
berkadar karbon ultra rendah untuk karakteristik mampu bentuk yang lebih baik.
Kenaikan kadar karbon secara umum akan meningkatkan sifat-sifat mekanik ferrite sebagaimana telah dibahas sebelumnya. Untuk paduan baja dengan fase
tunggal ferrite, factor lain yang berpengaruh signifikan terhadap sifat-sifat mekanik adalah ukuran butir.
2.6.2 Austenite Fase Austenite memiliki struktur atom FCC (Face Centered Cubic). Dalam keadaan setimbang fase Austenite ditemukan pada temperatur tinggi. Fase ini
bersifat non magnetik dan ulet (ductile) pada temperatur tinggi. Kelarutan atom
karbon di dalam larutan padat Austenite lebih besar jika dibandingkan dengan kelarutan atom karbon pada fase Ferrite. Secara geometri, dapat dihitung perbandingan besarnya ruang intertisi di dalam fase Austenite (atau kristal FCC)
dan fase Ferrite (atau kristal BCC). Perbedaan
ini
dapat digunakan untuk
menjelaskan fenomena transformasi fase pada saat pendinginan
18
Austenite yang berlangsung secara cepat. Selain pada temperatur tinggi, Austenite pada sistem Ferrous dapat pula direkayasa agar stabil pada temperatur ruang. Elemen-elemen seperti Mangan dan Nickel misalnya dapat menurunkan laju transformasi dari gamma-austenite menjadi alpha-ferrite. Dalam jumlah tertentu elemen-elemen tersebut akan menyebabkan Austenite stabil pada temperatur ruang. Contoh baja paduan dengan fase Austenite pada temperatur ruang misalnya adalah Baja Hadfield(tZ%Mangan) dan Baja Stainless 18-8 (8oloNi).
2.6.3 Cementite
Cementite atau carbide dalam sistem paduan berbasis besi adalah stoichiometric inter-metallic compund Fe3C yang keras (hard) dan getas (brittle).
Nama cementite berasal dan kata caementum yang berarti stone chip atau lempengan batu. Cementite sebenarnya dapat terurai menjadi bentuk yang lebih
stabil yaitu Fe dan C sehingga sering disebut sebagai fase metastabil. Namun, untuk keperluan praktis, fase ini dapat dianggap sebagai fase stabil. Cementite sangat penting perannya
di dalam membentuk
sifat-sifat mekanik akhir baja.
Cementite dapat berada di dalam sistem besi baja dalam berbagai bentuk seperti:
bentuk bola (sphere), bentuk lembaran (berselang seling dengan alpha-fenite), atau partikel-partikel carbide kecil. Bentuk, ukuran, dan distribusi karbon dapat
direkayasa melalui siklus pemanasan dan pendinginan. Jarak rata-rata antar karbida" dikenal sebagai lintasan Ferrite rata-rata (Fenite Mean Path), adalah parameter penting yang dapat meqjelaskan variasi sifat-sifat besi baja. Variasi
sifat luluh baja diketahui berbanding lurus dengan logaritmik lintasan ferrite ratarata.
2.6.4 Reaksi-reaksi Invarian dan Konstituen Mikro Penting Secara keseluruhan ada tiga reaksi penting di dalam diagram Kesetimbangan Fase Fe-Fe3C, yaitu: Reaksi Peritectic, Reaksi Eutectic, dan Reaksi Eutectoid sebagaimana terlihat
di dalam diagram kesetimbangan. Untuk sistem Besi Baj4
reaksi Eutectoid adalah reaksi yang sangat penting karena dengan mengontrol
t9
Reaksi Eutectoid kita dapat memperoleh berbagai konstituen
mikro
atau micro
constituent yang diinginkan untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu. Berdasarkan kadar karbonnya,baja dapat pula diklasifikasikan menjadi
(l) baja eutectoid, (2)
baja hypoeutectoid, dan (3) baja hypereutectoid
lmportant Rx in Fe-FerC $ystem
!/w,c T/ \re,c Eulectuicl
Gambar 2.4 Reaksi-reaksi Invarian di dalam Sistem Fe-Fe3C
Sistem penam&m yang telah dikenal luas adalah sistem AISI-SAE yang menggunakan 4-5 Angka. Dua angka pertama menunjukkan elemen-elemen paduan utama (Major Alloying Elements) dan Dua atau Tiga angka sisanya
menunjukkan prosentase karbonnya. Baja dengan nama AISI-SAE 1080 misalny4 adalah jenis baja karbon (plain carbon steel) dengan kadar karbon 0.8%. Contoh dari baja jenis ini adalah baja kawat piano. Kawat piano memiliki
20
struktur pearlite seluruhnya dan kekuatannya yang tinggi terutama diperoleh dari
Designation
'
4-5 Digit AlSl and SAE $ystem
XX XXX Major Alloying
tlcrtilnts
.
'
HundreCth % nf Cerban in Stasl
Examples: Al$t-SAE 1080 (Plain Carbon, 0.80%C)
Gambar 2.5 Sistem Penamaan 4-5 Angka AISI-SAE
2.7 Baja Karbon Baja karbon adalah paduan besi baja dengan elemen utama Fe dan C. Baja karbon memiliki kadar C hingga I.2Yo dengan Mn 0.30%-4.95%. Baja dengan kadar karbon sangat rendah memiliki kekuatan yang relatif rendah tetapi memiliki keuletan
yang relatif tinggi. Baja jenis ini umumnya digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran. Dengan meningkatnya kadar karbon maka baja karbon menjadi semakin kuat tetapi berkurang keuletannya. Beberapa jenis baja karbon, klasifikasi dan aplikasinya berdasarkan AISI-SAE dapat dilihat pada Tabel 1-1. Umumnya baja
karbon (Plain Carbon Steel) diklasifrkasikan menjadi (1) Baja karbon rendah (Low
2l
Carbon Steel), (2) Baja karbon menengah (Medium Carbon Steel), dan (3) Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel) berdasarkan prosentase karbonnya. Baja AISI-SAE 1020-1040, dengan kadar karbon 0,4yo-A,4yo, diklasifikasikan sebagai baja karbon menengah. Baja
jenis ini digunakan secara luas sebagai bahan
poros (shaft) dan roda gigi (gear). Baja dengan kadar karbon di atas 0,60yo umumnya
dikategorikan sebagai baja karbon tinggi. Aplikasi dari baja karbon tinggi misalnya
untuk pembuatan cetakan-cetakan logam (dies, punch, block), kawat-kawat baja ftawat pegas, kawat musik, kawat kekuatan tinggi), dan alat-alat potong (cutter, shear blade).
Tabel 2.1 Beberapa jenis baja karbon berdasarkan klasifikasi AISI-SAE
trch tutifr
Alor Ghil$d fF&f$ ffiedtoc nrffibrt *i*
Coildlsr
t$
fr
hfd
*mil
n
'J'lJC,04!l!'ln
ltt.dl6d 4dl tjs-4ld ?[ IJ {*t-{dlsj 4t-36 ?r$-40fi ltjt
tru0
3?ilC.06sh
Asrs,€d
t0d0
trlS
rBr0
C,0S
t'h
ffYlfirsJ is $r{d
trfiodei IffnalEa'
rftc
3fl]C. CIS
M*
fu rosad Annedbd
lo.rEEc' r080
l&]
C, C
S
ilh
Is rokd AH€dhO
f#Ypg€s' rff95
0q5 C.
C
{ Mo
4r rod€c
Arla&d i$rfla.sfl' 'Qu€fcned 3'u
tF'dflw€l
3!5 C {+{S'f
d., 5t q0 t: ild t{l 0r lfir ti[ &9 109 r4 st l6J
dtl F-1 611 tll dfr il{ 6?f, 'ri ssl otd 1ls4 ft6 $s r?6s
{s S: 00 5r a+ 7i} y tl] $5 5i t4l $i 5s lld
ilk t/+-;!l*
eif.-
h,t
it4l
wd .ftsedlrm tF$lOC
ttf.D
ts
'3n*1$r'.{e
crd nob ord $t8rfi. 0*1cD'€f€dftrc€ntrt
139-f0:
r0d,
F
}il
J6
?St
30
5l9s ttacle $.d rfuc-Juo r6c'lob. SEft gefi!
{i,l
J)
Shdb.
$
affi
tli
5e3
tff
't8: ,r0l
ti n
t6;
t1
ist
It
l:rl
?5
?$i
It
**,
$rrE **s,
rgr.igrlrits t'.bng.
lqrq d*.rc*wd
utdsg
Irtxc wrs. hs'€ct pir1:.
cc{
to.grnB rrss
UffLr
0et, pnchet. tsrx,
nitflg
{f,,$lr.
sl:
+
lri'
IJ
{dtsr $fiblod*i"
lrd
tS
tgrEk'r{ro
dQfi-
l
Gambar Tabel 2.1 Beberapa jenis baja karbon berdasarkan klasifikasi AISI-SAE
22
Baja karbon rendah atau sangat rendah, seperti telah dijelaskan sebelumny4 banyak digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran, misalnya untuk badan
dan rangka kendaraan serta komponen-komponen otomotif lainnya, Baja jenis ini
dibuat dan diaplikasikan dengan mengeksploitasi sifat-sifat fenite. Ferrite adalatt salah satu fasa penting di dalam baja yang bersifat lunak dan ulet. Baja karbon rendah
umurnnya memiliki kadar karbon di bawah komposisi eutectoid dan memiliki struktur
mikro hampir seluruhnya ferrite. Pada lembaran baja kadar karbon sangat rendah atau ultra rendah, jumlah atom karbon-nya bahkan masih berada dalam batas kelarutannya pada larutan padat sehingga struktur mikronya adalah ferrite seluruhnya (Gambar
2.6). Hingga batas kelarutannya di dalam larutan padat ferrite, penambahan karbon berpengaruh terhadap sifat-sifat mekanik lembaran (lihat Gambar 2.7).
Fully Fe'ritic ULL
Gambar 2.6 Struktur Mikro Baja Karbon Ultra Rendah. Seluruhnya Ferrite
23
E{fer:.-
r:'Carlxrt'
Gambar 2.7 Pengaruh Karbon terhadap Sifat Mekanik Baja dengan Karbon Sangat Rendah Pada kadar karbon lebih
tinggi akan mulai terbentuk endapan cementite atau
fase pearlite pada batas butimya sebagaimana terlihat pada Gambar 2.8
Gambar 2.8 Struktur Mikro Baja Karbon Rendah
Telah dijelaskan sebelumnya bahwa sifat cementite atau carbide yang keras
dan getas berperan penting di dalam meningkatkan sifat-sifat mekanik baja. Salah satu parameter penting yang menunjukkan hal tersebut, sebagaimana telah dijelaskan jarak antar sebelumnya adalah a mean ferrite path. A mean ferrite path menunjukkan cementite, baik pada pearlite maupun sphreodite. Jarak antar carbide di dalam pearlite secara khusus dikenal sebagai interlamellar spacing atau spasi antar lamel atau lembaran.
loF
ol
mrn
6orrr:o
uii----------t----
1.':il:.'|r;lirl
!J11:!llalllll.i'i:i.1.:-i:ti\'ti:i:rI 'ritl;lir.il:ll.'t n..r:ll
lJi.'rl.rr,,r,r,rr,.".r,,..rJi
-1.*l'rrl li:i,.r,'..:rr:ll'rt!
pntr, *lg1lrurE
lr-
l*i
nr.il'lili-.,1:t1:ti.'S:ii;'l!'"lli',U!"it'l!';:l I r: ilr( r.l t I il\i)t':li':r'rit ''liri l'z'lJ.l 11'-;1; \rr'l;1
r'r\!i
i':
1i'
Gambar 2.9 Pengaruh Mean Ferrite Path terhadap Tegangan Luluh
Selain kadar karbon, sifat-sifat mekanik baja karbon rendah dengan fase tunggal ferrite (fenitic low carbon steel) ditentukan pula oleh dimensi atau ukuran
butir-butir fenite. Secara umum diketahui bahwa baja dengan ukuran butir lebih kecil
25
akan memiliki kekuatan yang lebih tinggi pada suhu kamar. Hubungan tersebut secara kuantitatif dikenal sebagai Persamaan Hall-Petch. Gambar 3-9 menunjukkan
hubungan antara akar kuadrat diameter butir ferrite pada baja karbon rendah dengan fase
ferrite.
g- :{7,,=F.{f .l
Persamaan Hall-Petch
r-.
i
:
,l
ini sangat penting dalam rnenjelaskan hubungan antara struktur
mikro dan sifat-sifat baja. Hubungan ini dimanfaatkan di dalam pemrosesan baja,
yaitu dengan mengatur atau mengendalikan ukuran butir untuk meningkatkan kekuatan baja. Penguatan baja dengan cara
ini dilakukan melalui proses
thermomekanika (thermomechanical process), proses perlakuan panas (heat treatment), dan pemberian paduan mikro (micro alloying).
'{
i:-;;
i:r !-1
-:
;
-
4i::
I
i ,: ! L
J!-..r.l
?,)', ;,* ,:-
e-
i' r
'
,:
Y$ in MPa
Grain Dia. in mm
Gambar 2.10 Pengaruh Ukuran Butir terhadap Tegangan Luluh
26
Untuk aplikasi proses pembentukan logam lembaran, sifat-sifat ferrite yang ulet sangat penting. Diketahui bahwa keuletan adalah salah satu sifat intrinsik yang penting. Namun, di samping o4elongasi maksimum yang menggambarkan keuletan baja karbon, terdapat parameter penting lain yang lebih menggambarkan karakteristik
mampu bentuk logam lembaran adalah nilai n (koefisien pengerasan regangan) dan
nilai r (rasio regangan plastis). Nilai n
secara umum menggambarkan kemampuan
lembaran baja untuk mendistribusikan regangan secara merata.
Pada pengujian tarik dapat dilihat dari besamya regangan uniform yang mampu dicapai oleh logam. Nilai r secara umum menggambarkan ketahanan logam lembaran terhadap penipisan. Dalam hal ini, terhadap hubungan yang cukup kuat antara nilai
r
dan LDR atau batas rasio penarikan logam lembaran. Nilai r tenrtama
berhubungan dengan tekstur kristalografi pada baja, yaitu adanya orientasi kristal yang lebih disukai (preferred orientation).
Di samping itu, dilaporkan pula terdapat
hubungan antara Lankford Value atau nilai r dengan ukuran besar butir.
2.8 Proses Perlakuan Panas Baja Karbon Telah dijelaskan sebelumnya bahwa reaksi eutectoid sangat penting di dalam mengendalikan struktur mikro baja. Dengan mengendalikan reaksi eutectoid, dapat
diperoleh
3 konstituen mikro penting yaitu: (1) pearlite, (2) bainite, dan (3)
(tempered) martensite
27
3lmportant Micro-constifuen*s Ternpered
Pearlib
Martensib Bainite
Lamellar mixture of fenite & cernentite Non Lamellar rnixture of ferrite & cementite
A mixLrre of very fine femte in cementite
Gambar 2.11 Tiga Konstituen Mikro Penting dari Baja Karbon.
Pearlite adalah suatu campuran lamellar dari ferrite dan cementite. Konstituen ini terbentuk dari dekomposisi Austenite melalui reaksi eutectoid pada keadaan setimbang, di mana lapisan ferrite dan cementite terbentuk secara bergantian untuk menjaga keadaan kesetimbangan komposisi eutectoid. Pearlite memiliki struktur yang
lebih keras daripada ferrite, yang terutama disebabkan oleh adanya fase cementite atau carbide dalam benhrk lamel-lamel.
Perlit adalah dua-bertahap, pipih (atau berlapis) struktur terdiri dari bolak lapisan alpha-ferritecementite {12%) yang terjadi di beberapa baja dan besi cor. lni bentuk oleh reaksi eutektoid sebagai austenit perlahan didinginkan di baraah 727 " C.
Komposisi eutektoid austenit adalah sekitar 0,87o karbon [1]; baja dengan kandungan karbon kurang akan berisi proporsi yang sesuai dari kristalit ferit relatif mumi yang
28
tidak berpartisipasi dalam reaksi eutektoid dan tidak dapat berubah menjadi perlit. (S8% berat) dan munculnya perlit bax'ah mikroskop menyerupai ibu dari mutiara
fiuga struktur pipih), dari mana ia mengambii namanya. Sebuah struktur yang mirip dengan lameile jauh letrih kecil daripada panjang gelombang cahaya tampak tidak
memiliki penampilan ini pearlescent. Disebut bainit, itu disiapkan oleh pendinginan yang lebih cepat. Tidak seperti perlit, yang melibatkan pembentukan difusi semua atom, bainit fumbuh dengan mekanisme transfoffiasi displacive.
Pearl ite M icro$tructure
Micrastructure of pearlite formed from austenite of eutectoid co m pae ition.
in l0B0 steel,
tn this lamellar structure. the lighter regions are ferrite. and the darker regions are carbide-
Magnification: ?50SX.
Gambar 2.12 Struktur Mikro dari Pearlite
29
Gambar di atas menunjukkan struktur mikro pearlite dalam perbesaran lebih
tinggi. Daerah yang lebih terang pada gambar adalah ferrite sedangkan daerah yang lebih gelap pada gambar adalah carbide atau cementite. Salah satu contoh baja karbon yang memiliki struktur ini adalah kawat piano atau baja AISI 1080 menurut standar
SAE-AISI. Baja kawat piano dengan kadar karbon
0,80/o dengan
struktur pearlite
seluruhnya memiliki kekuatan tarik (Tensile Strength) sekitar 4,2 GPa. Bandingkan dengan kekuatan tarik Baja Karbon Rendah (0,05%C) dengan struktur mikro Ferrite seluruhnya yang kekuatan tariknya hanya 0,2 GPa.
Konstituen mikro lain yang dapat diperoleh dengan mengendalikan reaksi eutectoid adalah Bainite. Bainite adalah suatu campuran non-lamellar dari ferrite dan cementite
yang terbentuk pada dekomposisi Austenite melalui reaksi eutectoid. Berbeda dengan
pearlite yang terbentuk pada laju transformasi atau pendinginan sedang strukturnya
adalah acicular, terdiri atas ferrite lewat jenuh dengan partikel-partikel carbide terdispersi secara diskontinu. Dispersi dari bainite tergantung pada temperatur pembentukannya.
Martensite adalah mikro konstituen yang terbentuk tanpa melalui proses difusi. Martensit, dinamai Adoif metalurgi Jerman Martens (1850-1914). adaiah setiap
struktur kristal yang dibentuk oleh transformasi displacive, karena bertentangan dengan transtbrmasi
difusifjauh lebih lambat. lni termasuk kelas mineral keras yang
terjadi sebagai reng-atau pelat berbentuk butiran kristal. Bila dilihat dalam lintasbagian. lenticular {lensa berbentuk) butir kristal muncul acicular (berbentuk jarum).
yang adalah bagaimana mereka kadang-kadang salah digambarkan. "Martensit" paiing sering mengacu pada konstituen sangat keras dari baja (paduan besi dan
karbon) penting dalam beberapa baja perkakas. Martensit
ini
dibentuk oleh
pendinginan cepat (quenching) dari austenit atom karbon vang perangkap yang tidak
memiliki waktu untuk berdifusi keluar dari struktur kristal. Martensit tidak ditampilkan dalam diagram fasa kesetimbangan dari sistem besi-karbon karena merupakan fase metastabil, produk kinetik dari pendingiaan cepat baja mengandung 30
karbon yang cukup. Karena proses kimia (pencapaian keseimbangan) pada suhu yang
lebih tinggi mempercepat, martensit mudah dihancurkan oleh penerapan Proses
ini
panas.
disebut temper. Dalam beberapa paduan, efeknya berkurang dengan
menambahkan elemen seperti tungsten yang mengganggu nukleasi sementit. tetapi.
lebih sering daripada tidak, fenomena ini dimanfaatkan sebagai gantinya. Karena pendinginan bisa sulit untuk mengontrol, baja banyak yang dipadamkan untuk menghasilkan hal meluap-luap martensit, kemudian marah untuk secara bertahap mengurangi konsentrasi sampai struktur yang tepat untuk aplikasi yang dimaksud tercapai. Terlalu banyak daun martensit baja rapuh, terlalu sedikit daun lembut.
Konstituen ini terbentuk saat Austenite didinginkan secara sangat cepat, misalnya
melalui proses quenching pada medium ak. Transformasi berlangsung pada kecepatan sangat cepat, mendekati orde kecepatan suar4 sehingga tidak memungkinkan terjadi proses difusi karbon. Transformasi martensite diklasifikasikan sebagai proses transformasi tanpa difusi yang tidak tergantung waktu (diffusionless time-independent transformation). Martensite yang terbentuk berbentuk seperti jarum
yang bersifat sangat keras (hard) dan getas (brittle). Fase martensite adalah fase metastabil yang akan membentuk fase yang lebih stabil apabila diberikan perlakuan panas. Martensite yang keras dan getas diduga terjadi karena proses transformasi secaf,a mekanik (geser) akibat adanya atom karbon yang terperangkap pada struktur
kristal pada saat terjadi transformasi polimorf dari FCC ke BCC. Hal ini dapat dipahami dengan membandingkan batas kelarutan atom karbon di dalam FCC dan BCC serta ruang intertisi maksimum pada kedua struktur kristal tersebut. Akibatnya terjadi distorsi kisi kristal BCC menjadi BCT atau body centered tetragonal. Distorsi
kisi akibat transformasi pada proses pendinginan
secara cepat tersebut berbanding
lurus dengan jumlah atom karbon terlarut sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 2.14.
31
FeC
atont
.\t lstt'1il[r1
Ft't't'itr".
Nlirrlr:nsitc.
l.lota the interstitial posilbn of the carbon atoms
Largest Interstitial Hole
0.104 nm (FCC)
Carbon Atam Diameter 0.154 nm
0.072 nm (BCC)
Gambar 2.13 Atom Karbon di dalam Austenite, Ferrite, dan Martensite
I
an,
T
I
i
r. !
I
t j
-tt{l rt
I I
I l
.:
-*r fa
L i
I :nt r+_ _e
carrtn-ut
ilt l c
0 0.20 0.40
J
{l:
, **'*a
:;.rF-:*-.
{lulr} er
(turr)
0,286 0.288
0.286 0.285S
{i.zll
0.2si6
I
*'
o ao-
:
:#r,l-;; ;,,
,,,
(iti ('!tBa.
t{!
tl
l:
r.
.
the incretre in dirnension cwith increming Carbon cqntsfll; this effs€t causes ths Lsft cefi sf Martsnsib trr be ]n thish+€;f a rii€hguar prern,
Gambar 2.14 Distorsi Kisi pada Transformasi Martensite
tZr
Meskipun memiliki kekerasan yang sangat tinggi, Martensite tidak memiliki
arti penting di dalam aplikasi
rekayasa. Untuk kebanyakan aplikasi rekayasa
martensite perlu di-temper atau dipanaskan kembali pada temperature tertentu untuk
mengurangi kegetasan (brittleness) dan meningkatkan ketangguhannya (toughness) ke tingkat yang dapat diterima tanpa terlalu banyak menurunkan kekerasannya.
2,9
B$a (Besi) Stainless Logam stainless steel telah sering kita dengar atau pergunakan sehari-hari.
Sifat stainless yang tahan karat pun telah banyak yang mengetahuinya. Tetapi mungkin tidak semua tahu bahwa stainless steel adalah hasil dari 'kesalahan' yang membawa 'berkah'. Penulis mendengar 'cerita'
ini dari salah
seorang Professor di
Sheffreld. Sheffield adalah tempat pertama kali ditemukannya logam Stainless. Saat
itu Harry (1913), salah seorang peneliti di Sheffield,
sedang berkutat dengan
penelitiannya untuk mengatasi masalah erosi pada senapan laras panjang. Kesalahannya 'mencampur' dan 'mengolah' paduan temyata kemudian membawa
'berkah'. Suatu hari ia merasa heran karena di bak sampahnya terdapat logam yang tetap bersih dan berkilap, sementara logam-logam lainnya telah mulai berkarat.
Kemudian diketahuinya bahwa logam
itu adalah salah satu paduan
yang
pernah 'dibuangnya' saat melakukan penelitian. Kelak diketahui bahwa besi dengan
kadar Chromium 13% akan membentuk lapisan film oksida yang bersifat protektif yang akan melindungi logam dari korosi. Paduan Fe-Cr adalah jenis logam Stainless
paling sederhana yang berstruktur dasar ferrite. Hal ini dapat kita pahami dengan mempelajari diagram kesetimbangan fase Fe-Cr yang diperlihatkan pada Gambar 315. Chromium adalah unsur penstabil ferrrite. Chromium dengan struktur BCC (sama
dengan Fenite) akan memperluas daerah fase alpha dan mempersempit daerah fase gamma. Akibatnya terbentuk loop Austenite yang membatasi daerah FCC dan BCC.
Dari Gambar 3-15 dapat dilihat bahwa pada paduan Fe-Cr dengan kandungan Cr di
an JJ
atas l2Vo tidak terjadi transformasi fase Austenite ke Ferrite. Dari temperatur ruang
hingga ke titik leburnya Fasenya adalah fenite.
Akibatnya, tidak dimungkinkan pula terjadi transformasi martensitik. Sementara ini dapat ditarik kesimpulan bahwa besi (tanpa karbon) stainless dengan kadar di atas Cr 12% selalu berstruktur fenite. Ferritic Stainless Steel dapat memiliki kadar Cr hingga 307o. Jika pada kadar karbon rendah (Gambar 3-17) Femite stabil di semua rentang temperatur maka pada kadar karbon yang lebih tinggi dapat ditemukan
daerah fase Austenite. Penambahan kadar karbon sebesar 0,60lo misalnya, akan
memodifikasi diagram fasa sehingga paduan akan memiliki fase Austenite pada temperatur tinggi. Pada kondisi
ini, baja dapat
di-quench untuk menghasilkan
Martensite. Secara umum, semakin tinggi kadar Cr semakin tahan besi terhadap korosi. Hal ini disebabkan karena terbentuknya lapisan film oksida pada permukaan.
Di sisi lain kekurangan kadar Chromium akan menyebabkan
berkurangnya jumlah
lapisan film oksida protektif.
Dalam hal ini, kadar karbon di dalam stainless perlu dijaga dalam keadaan rendah. Jika tidak, maka akan terbentuk karbida Chrom sehingga Chrom tidak dapat
ke permukaan membentuk oksida film protektif. Penambahan karena
Ni memiliki struktur FCC yang memiliki
Ni sangat penting
batas kelarutan karbon yang lebih
besar sehingga mengurangi peluang terjadi pembentukan karbida Chromium yang akan mengurangi kadar Chromium dan oleh karenanya jumlah lapisan
protektif pada permukaan.
34
film oksida
lron-Chromium Phase Diagram lter Frr(dl < nrc&t* ,li tot 4,1
{{\|
Gambar 2.15 Diagram Fasa Besi Chromium
-
.
:-lt_IEr'l
%.*
:
i'* \r (.i
E "'!,*,-L ,t'\',
;
n'\,,
-' - : '-=,*'r... ltr'' f. .rt.... l jL: \,. t rrrl:.( -., \,,r(:j:r_ -l,=_, _-i-*_ '"
i lt . .
I
,t{ri
tf
t*--'*-.
\
t'"
..
LI
a
rr
-i-
Il*{-r
..,.,.
rv *- \l-( -:
r II r(-
tr\'t' ir.:-l':t l:{-*r'rr'rtt r';rr l:rrr'l {ii
}
Gambar 2.16 Pengaruh Penambahan Karbon terhadap Luas Daerah Fase Austenite pada Paduan Stainless Fe-Cr
35
Contoh paduan Stainless Steel dengan penambahan Telah dijelaskan pula sebelunnya bahwa
Ni
Ni
adalah Stainless Stee18-8.
yang memiliki struktur FCC adalah
elemen penstabil FCC atau Austenite pada paduan besi. Keberadaan
l/l
akan
mengurangi kecenderungan besi FCC untuk bertransformasi menjadi BCC. Pada kadar karbon tertentu (< 0,03%C) fase Austenite bahkan akan stabil pada temperatur ruang.
I -E{ii t %
rl
-
ri
ri+
i:l:":
+ ;.----]--'-,!l :
I Itlttt!"
:'
,
.ru.-
-
|
cl t Ft ,-.--
1.
;: - {.
:-.*-
--'
.**"f
,,f
,t^-
/
:l I
3{Ht
";t
1'
{l
+ tihr*:lr
{}
I
il"r
il.a
nt elrrhir.f
r:
:
{r--1
t},1
lVcir:lrl l'!f !i !.r'!l r.;r;hrrr'l
{ht Gambar 2.17 Pengaruh Penambahan Kadar Karbon terhadap Daerah Fase Austenite pada Paduan Baja Stainless Fe-Cr-Ni
Sejauh ini telah kita kenal dua jenis paduan Stainless Steel yang penting, yaitu
paduan Stainless Steel dengan kandungan dengan kandungan
Ni tinggi.
Ni
rendah dan paduan Stainless Steel
Telah kita kenal pula tiga jenis paduan Stainless
berdasarkan struktur kristalnya, yaitu: logam Stainless Feritik (Fenitic Stainless Steel), logam Stainless Martensitik (Martensitic Stainless Steel), dan logam Stainless
Steel Austenitik (Austenitic Stainless Steel). Selain berdasarkan kedua hal di atas, 36
paduan stainless dapat pula dikelompokkan berdasarkan mekanisme penguatannya. Termasuk ke dalam golongan ini adalah PH Stainless Steel, yaitu paduan Stainless
Steel yang dikuatkan melalui mekanisme Precipitation Hardening y"ng meliputi Solutionizing, Quenching, dan Aging.
2.10 Besi Tuang Besi tuang adalah paduan berbasis besi dengan kadar karbon tinggi, yaifu}Yo4YoC dengan kadar Si 0,5o -3To. Besi fuang memiliki aplikasi
di bidang
rekayasa
yang cukup luas terutama karena kemampuannya untuk langsung dibentuk menjadi bentuk akhir (net shape) atau mendekati bentuk akhir (near net shape) melalui proses
solidifikasi (solidification) atau pengecoran (casting). Besi tuang mudah untuk dicor karena beberapa hal. Pertama besi tuang mudah dilebur dan memiliki fluiditas yang
sangat baik pada keadaan cairnya. Kedua" ketika dituang besi tidak membentuk lapisan film pada permukaannya. Selain itu, besi tuang tidak mengalami penyusutan volume (shrinkage) yang terlalu tinggi pada saat solidifikasi.
'It:
-
Gambar 2.18 Diagram Fase Fe-Fe3c menunjukkan Daerah Besi Tuang
a4 JI
Kemampuan besi tuang untuk dapat dicetak menjadi bentuk yang diinginkan terutama berhubungan dengan adanya reaksi Eutectic pada diagram kesetimbangan Fe-Fe3C pada rentang kandungan karbon tersebut. Pada reaksi tersebut titik lebur paduan besi turun hingga sekitar 1130oC dengan rentang temperatur liquidus dan solidus yang sangat kecil, atau membeku seperti logam mumi dengan satujitit beku. Di samping itu, reaksi eutectic penting pula di dalam merekayasu dan mengendalikan sifat-sifat besi tuang yang sangat tergantung pada karakteristik lionstituenkonstituennya. Dekomposisi Autenite, seperti halnya padabaja, dapat dikendalikan sehingga
dihasilkan matriks Ferrite, Pearlite, Bainite, atau Martensite. Solidifikasi dan dekomposisi Austenite dapat diatur agar menghasilkan grafit (C) atau karbida (Cementite). Dengan menambahkan modifier dan innoculant bentuk grafit dapat pula direkayasa menjadi berbentuk bola (sphereoidar graphite), t
Tabel 2.2 Jenis-jenis Besi ruang, struktur Mikro, proses pembuatan. dan
Karakteristik Umumnya.
38
Nama
Skema Struktur Mikro
Proses Pembuatan
K*l,rbu {Grey t-ast It ofi,i
rdiberi I't8t'nrt
Gr
yartg relatif tir]qqi {1-
ierp lrd n -serpil'l.t tl panjdilq (flakesJ Memiiiki k*ku.rtari
3%)
ntentprontosik"ln
penrbentukarr grafit.
lr;iik pada
Kecep.itan
kekerasannya. Menriliki ketalianan
pembekuan sanqat
pentinq
L;niuk
nlenq.ltur
{qreyi
cr.rfit yanc terberrtuk
k.lr-ena
ibiasarrya
pnt.ih"lr'lIyn kelabLr,
hinqqa Laju
jumlall
l*nrbat :edano).
iclidfikasi
herp*rdn pula di dalanr nrenerrhrkan
rn.rt|ik5 Effl Tuan0 Futih (white
fast lron)
Lr*r'bentuk
i
keuletln rendil'1. Memiliki nrirtlpu nleSilt y$t'tct
diperlukalr
untLrk
kelabir
berutitrng
Umum
afit
Birs.rnya
nrenriliki kadar krrboar f ,54ok, -lurnlah silikon BeFi Tuanq
Karakteristik
yanq
clan
au", {we.tt /FI'/sf.#?aeJ y.*'ul
baik, tahan tel-hddap aa/lina pad.r pelumas;ri terbeta: sert.r merniliki kenrarnpu.rn untuk nrermhan iletardn
terlrelttuk.
{futilpittl .f.,t},r{ity)
Struktur karbida
s.rnqat baik. Memiiki struktur
rliperr:rleh denqrn
rnenjaqd kandun0an k.t rborr (2, 5- :. t to", ;
karbida {renentite} di dalanr n'l.itfiks pearlite.
i'diberi n.tma pulih
clin -.iilikon ((1,5-
Ker.ls, geta!, dan
1,50*) p.rda kad.rr' rendalr r1.rn
tidak dapat di-
karena patohannya
ker:ep.ttan
pembekuan yanrt
beluarna
lh]qqi pid.1 proses
putih.
roliclifik.rsi.
nresin. l"'lenliliki ketahanan terhedap ke*usan (wear tesistdfi{e} d.ln ablasi i*nil.lt bdik.
k-;i
K-,:l*ri grefit
T*-ang Flempu
Belran baku i'ang digunaken e*aNar
Tempa
b**i i::ang putil'*, Fa'la*ual, trara! i;ntrk n"rengha*ilkan l--*sil:lanq marylru tenrpa t*idi:iat-asi Eraiiti*a:i den p*ndinginan, F*nr**ntuker: glafii iilahrikan peia t-emFeratur.t giatas temperature er,'fer-ttEil Ka:"bi*a
{Malie-ahle
iest Ir,m].
'* d+ -.'-r-l + F'; - ttl
+t td t l r#.. :'} +'+ r .. ?
aisa{'r
b*ie
b*r'eenh,k r.rlat lidak tel.atr,r, hlenriiixi kekuatan,
keuletal, lier, ketanggulran l*:ilr lxik. l"r*.riiliki fi;rrktrn' urif*y'nt.
alr
n'erjadi Eefit {tenrp*r'*C cnllrnni ian a,,rct*rit*.
klarj,rlriya aEut*l rte .:ia*at iidek':rrrcori gi ni*njadi €"ufe., p:.-":;f,te, atau ,til,?'f*n--,J|*,
F*ri Tuang
Kendungan kerL,*n
Ulet etau Ncsular (FuctiF-
{3,0-*,0%} dar iilikann'ga {1,[i*
?,S%) xnra dengar b.:si tuang.
trr'ar,
Hr*ular"
[a:t ilm], t naria n1erlgEcrl
pada sifat
dar b*'rtuk grafit-nta,
hi r
K;rcurEa:: s',rlfur {5i
'F*
iian fiorfnr'{F} ungai: r'*rdah rh'a-xira 1[r
=c _ ;*
r* T*** h ,t*
kali lebin rerdah cari
f
Par'tik*i-pe'ti<*i grafii :ert:ritrk b*la 1fuerr:iril lr{r:niiii ci l,lfat-sifu t :sAng ffir'Epif lamf; d*rrgan il;.r#r.r$fu r:rsf rl,c,.L f*eniltki men'ipLi nusin :angat h;ik car
Lr*:itirang kelabu,
kel.alraner e."ri
Na*r;le i+ert'entuk b*ie ierberrt"rk paca pr'rc€i rolidikari
baik. |.1*riillki rifat-iifat yang
karena aandungan
ikek,ratan,
b*ie;an i5rli,:r') dar +xrig*rl diteknn iq* tingkat yer:g :,lngel:
ketargguhan,
r'*nclah d*ngar
kenrampr,kerareni.
nrir"lp derrga* baja
keul*lafl, fi-t!-?i'npL l:*,rfuk F€r]asr dar
nr*nan*el'rken l,lagrr*$,-ni iMg] b*belepa *aet
*hel BeriTi:arg Grafit Hon:pcx
fil'r,'rg:rrt'*l dlsp,trre ,tn+,.l
r "a -*L. &" d r(_.
i": \,
{q-
,
f r.-vI \- r.-
,*t*'+ -tl
.
I
t'* I'* ;': b ot'* (,, t l Fy -1 ,; ,'., - -:ri'+l* '
u
n'r L1*:r Jarro
E 11.
&'efit:erbeafuk pr*nri-$/ar nt*:n l;ki i
rtrukfur'anta:a
Eryrien;al dura.,lr rlrr;,
Tabel 2.3 Kategori Baja Karbon dan Aplikasinya ( callister, 2005 )
Jenis dan kelas
Baja lunak khusus Baja karbon rendah
Baja sangat
lunak Baja lunak Baja setengah
lunak Baja karbon sedang
Baja setengah keras
Baja Baja karbon tinggi
keras
Bqia sangat keras
Kadar karbon %
Kekuatan
Kekuatan
luluh MPa
tarik MPa
0,08
18-18
32-36
40-34
Pelat tipis
0,090,12
2A-29
36-42
40-30
Batang kawat
0,120,20
22-30
38-48
36-24
Konstruksi umum
0,200,30
24-36
44-55
32-22
Ksnstruksi umum
0,300,40
30-40
50-60
30-t7
0,400,50
34-46
58-70
24-t4
0,500,80
36-47
65-100
20-l I
Perpanj angan
Penggunaan
%
Alat-alat mesin
Perkakas, rel, pegas, dan kawat radio
Ada tiga kategori
mengenahi baja karbon yarLg dikandung clalam baja
dimungkinkan mengandung sampai 2,03yo namun jarang sekali melebihi 1,3 sld 1,4 %6,
ketiga kategori adalah
:
r
Baja karbon rendah mengandung0,3
c
Baja karbon sedang mengandung 0,3 s/d A,6 Vo C
r
Baja karbon tinggi mengandung lebih besar A,67
2.ll
Yo
C
Vo
C
TransformnsiBajaHypereutectoid Transformasi baja hypoeutectoid (baja yang berisi lebih dari 0,9ok karbon)
pada baja jenis ini terdapat kondisi transformasi yang solid yaitu: transformasi besi
gama ke besi alfa dan dekomposisi Austenit, Garis
A:
pada diagram fasa siihu
dimana transformasi austenit ke ferrit di mulai, dibawah garis
ini fenit dipisah dari
austenit, titik-titik membuat garis A3 ditunjukan oleh pendinginan dan pemanasan,
Garis Arp,3 menirnjukan variasi solibilitas karbon pada austenit dengirn suhu dakim pendinginan berkaitan dengan suhu dimana pemisahan sementid dari austenit.
Baja kandungan karbon 0,025 s/d 0,8
o/o
mengandung beragam jumlah ferrit
dan pearlit seria proporsinya tergantung pada kandungan karbon, transformasi baja karbon lebih kecil dari 0,025
Yo
C, alloy ini mulai transformasikan ke u pada titik A1
dan transformasi selesai pada
titik AcM tidak ada perubahan
Akomposisi vertikal memotong garis PQ kelebihan
42
C
struktur. Pada
yang ditolak memisah men
A1,2,3
jatli Fe:C, oleh mikco struktur menjadi sfigat domiiian
dengan CI dimaria
jumlah Fe:C kecil, apabila angka pendinginan lebih tinggi angka equilibrium maka
tidak cukup waktu yang tersedia bagi sementid untuk memisahkan diri sehingga mikro struktur I00 % fenit. Ferrit menjadi jenuh karena karbon lebih besar dari kondisi menurut garis solws pada diagram equilibrium.
Ketika alloy didinginkan dari Tteoo'C ke Ttzz"C maka tidak terjadi perubahan fasa namun sedikit diberikan
Tlz:'C sementid ( Fe:C ) mulai memisahkan
diri pada Tlzs"C posisi 1 adalah ; s dan kandungan sementid 0,67 yo C pada suhu eutectoid komposisi austenit 0,8 Yo C. Pada pendinginan lanjut seluruh austenit berubah menjadi pearlit oleh karena mikro struktur final mengandung peadit dan proeutectoid sementid.
Transformasi baja Eutectoid Pada pendinginan eutectoid (baja yang berisi 0,9% karbon
(titik eutektik
metastabil); baja karbon dengan 0,9Yo karbon adalah mumi pearlite) di titik S suhu 723"C semua austenit akan berubah menjadi 100 % pearlit oleh karena struktur mikro pada suhu nrangan akan menur{ukan lapisan-lapisan yang berubah dari ferrit dan sementid disebut peadit.
43
