BAB II TINJAUAN TEORITIS
2.1.
Baja
Baja merupakan logam paduan yang terdiri dari besi an karbon dimana unsure campuran lainnya seperti belerang (S), posfor (P), silikon (Si), dan mangan (Mn) yang jumlahnya dibatasi. Komponen mesin yang terbuat dari baja banyak yang harus dikeraskan supaya tahan aus dan kemampuan memotong meningkat atau baja yang dapat dilunakan untuk permesinan lebih lanjut. Menurut Vlack (1992) mengingat pentingnya peran karbon dalam baja, dimana dalam berbagai cara identifikasi baja dicantumkan kadar karbonnya. Digunakan penomoran empat digit, dua digit terakhir menyatakan kadar karbonnya dalam perseratusan persen. Dua digit pertama menunjukan elemen paduan
yang ditambahkan pada besi dan karbon.
Kandungan karbon dalam baja sekitar 0,1 – 1,7 %, sedangkan unsur lain dibatasi persentasenya. Persentase dari unsur-unsur tersebut sangat mempengaruhi sifat dasar logam baja yang dihasilkan.Produk baja sangat banyak digunakan dalam bidang teknik maupun industri, hal ini meliputi 95% dari produk logam baja. Untuk penggunaan tertentu baja merupakan satu-satunya logam yang meliputi persyaratan teknis maupun ekonomi. Sebelum baja digunakan, perlu diketahui komposisi dari unsur-unsur baja tersebut agar tidak terjadi kesalahan dalam penggunaanya. Ada beberapa cara mengklarifikasi baja yaitu : 1. Menurut cara pembuatannya: baja Bessemer, baja slemen martin, baja listrik dan sebagainya. 2. Menurut pemakainya: baja perkaka, baja mesin, baja konstruksi, baja pegas, baja tahan karat, baja ketel dan sebagainya. 3. Menurut kekuatan/sifat mekanisme: baja kekuatan lunak, dan baja kekuataan tinggi. 4. Menurut struktur mikronya: baja eutoktid, baja hipoeutektoid, baja hipereutektoid, bajaaustenit, baja ferit, baja martensit dan sebagainya. 5. Menurut komposisi kimianya; baja karbon dan baja paduan. 6. Menurut proses laku panasnya: baja keras air, baja keras minyak. Biasanya klasifikasi baja yang sering digunakan tidak hanya berpegang pada salah satu cara tetapi merupakan pada salah satu cara kerja tetapi merupakan gabungan dari beberapa cara diatas. Berdasarkan kadar karbon yang dikandung baja dapat dibedakan atas dua kelompok besar yaitu baja karbon dan baja paduan.
2.1.1. Baja Karbon Menurut komposisi kimianya baja dapat dibagi dua kelompok besar yaitu baja karbon dan baja paduan. Baja karbon bukan berarti baja yang sama sekali tidak mengandung unsur lain, selain besi dan karbon.Unsur-unsur ini biasanya merupakan ikatan yang berasal dari proses pembuatan besi / baja seperti mangan, silikon dan beberapa unsure pengotoran seperti belerang, posfor, oksigen, nitrogen dan lain-lain yang biasanya ditekan sampai kadar yang sangat kecil. Baja dengan kadar mangan kurang dari 0,8% silikon kurang dari 0,5% dan unsur lain sangat sedikit, dapat dianggap sebagai baja karbon. Mangan dan silikon sengaja ditambahkan dalam proses pembuatan baja sebagai deoxider untuk mengurangi pengaruh buruk dari beberapa unsur pengotoran. Baja karbon diproduksi dalam bentuk balok, profil, lembaran dan kawat. Baja karbon dapat digolongakan menjadi tiga bagian berdasarkan jumlah kandungan karbon yang terdapat didalam baja tersebut, penggolongan yang dimaksud adalah sebagai berikut :
1.
Baja Karbon Rendah (Low carbon steeli) Baja ini disebut baja ringan (mild steel) atau baja perkakas, baja karbon rendah bukan baja karbon yang keras, karena kandungan karbonnya rendah kurang dari 0,3%. Baja ini mempunyai sifat seperti lunak, mudah dibentuk, dilas dan dikerjakan dengan mesin sehingga dapat dijadikan mur, baut, batang tarik dan perkakas silinder.
2.
Baja Karbon Menengah (Medium Carbon Steel) Baja karbon menengah mengandung karbon 0,3 – 0,6% dan kandungan karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan dengan pengerjaan panas (heat treatment) yang sesuai. Baja karbon menengah digunakan untuk sejumlah peralatan mesin seperti roda gigi otomotif, batang torak, rantai, pegas, dan lain-lain.
3.
Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel) Baja karbon tinggi mengandung karbon 0,6 – 1,5%, misalnya bor dan batang dasar. Ini digunakan untuk peralatan mesin-mesin berat, batang pengontrol dan lain-lain (Amanto, 1999). Pada tabel 2.1 dibawah ini merupakan contoh untuk baja karbon dan sifat mekaniknya
serta pemakaiannya.
Tabel 2.1 Pengklasifikasian Baja Karbon dan Pemakaiannya Jenis dan kelas
Kadar
Kekuatan
Kekuatan
Perpanja
Kekerasan
karbon
luluh
tarik
ngan (%)
Brienell
(%)
(kg/mm2)
(Kg/mm2)
Baja lunak khusus
0,08
18-28
32-36
40-30
95-100
Baja sangat lunak
0,08-0,12
20-29
36-42
40-30
80-120
Baja lunak
0,12-0,20
22-30
38-48
36-24
100-130
Baja setengah lunak
0,20-0,30
24-36
44-55
32-22
112-145
0,40-0,60
30-40
50-60
30-17
140-170
Baja keras
0,70-0,80
34-46
58-70
26-14
160-200
Baja sangat keras
0,80-1,50
36-47
65-100
20-11
180-245
(HB)
Baja karbon rendah
Baja karbon sedang Baja setengah keras
Baja karbon tinggi
(Sumber : Wiryosunarto dan Okumura,2004)
Baja yang memiliki kadar karbon rendah memiliki kekuatan rendah tetapi memiliki keuletan yang tinggi. Semakin banyak kandungan karbon, maka kekerasan (Hardness), kekuatan luluh (Yield Strength), dam kekuatan tarik maksimum (Ultimate Tensile Strength) baja semakin meningkat, tetapi keuletan semakin menurun. Tabel 2.2. Pengklasifikasian Bahan Baja Karbon dan Penggunaannya Nama
Sifat
Penggunaannya
Tembaga
Lunak dan liat
Pengolahan pengubahan bentuk
Kekuatan tarik ± 200 N/mm2 pada cincin-paking. suhu lebih rendah.
Teknik pendinginan Pencegahan korosi Bahan penghantar listrik
Timah
Lunak
Pencegahan korosi, kaleng
Lapisan tahan korosi Titik-lumer rendah (232° C) Timbel
Seng
Lunak dan empuk
Pencegahan korosi
Lapisan tahan korosi
Pipa saluran air, penutup atap,
Titik lumer rendah (327° C)
alat-alat kimia.
Rapuh dibawah 100°C dan diatas Pencegahan korosi , penutup atap 150°C
dan sebagainya
Lapisan tahan korosi Perak
Lunak
Pencegahan korosi
Tahan korosi (logam mulia)
Teknik kimia
Tahan kimia
Kawat lumer dan kontak
Daya antar listrik baik Cadmium
Lapisan tahan korosi
Pencegahan korosi
Menurunkan titik lumer paduan
Unsure paduan antara lain dalam timah pateri dan dalam paduan bismuth lumer rendah
Alumunium
Magnesium
Lunak dan liat
Bangunan
kapal
Kekuatan tarik ± 100 N/mm2
sebagainya
Tahan kimia
Pencegahan korosi
Lunak
Bangunan
Lapisan tahan korosi
sebagainya
kapal
udara
dan
udara
dan
Titik nyala rendah (± 800°C) Nikel
Khrom
Keras tetapi liat
Gelang paking
Lapisan tahan korosi
Pencegahan korosi
Keras dan rapuh
Pencegahan korosi
Lapisan tahan korosi Molibden
wolfram
Kerasa tetapi liat
Kawat penunjang dalam lampu
Pada suhu tinggi bergaya pegas
pijar listrik
Keras
Kawat pijar dalam lampu pijar
Titik lumer tinggi (3400°C) (sumber : Beumer Ing,1994)
2.1.2. Baja Paduan Baja paduan dihasilkan dengan biaya yang lebih mahal dari pada baja karbon karena bertambah biaya untuk penambahan yang khusus yang dilakukan dalam industri atau pabrik. Baja paduan adalah baju yang dicampur dengan satu atau lebih unsure campuran seperti nikel, kromium, molibden, panadium, mangan, dan wolfram yang berguna untuk memperoleh sifat-sifat baja yang dikehendaki (kuat, keras, liat), tetapi unsur karbon tidak dianggap sebagai salah satu campuran. Suatu kombinasi antara dua atau lebih unsur campuran, misalnya baja dicampur dengan unsur kromium dan molibden, akan menghasilkan baja yang mempunyai sifat keras yang baik dan sifat kenyal (sifat logam ini membuat baja dapat dibentuk dengan cara dipalu, digiling dan ditarik tanpa mengalami retak-retak). Jika campuran dengan kronium dan molibden, akan menghasilkan baja yang mempunyai sifat keras yang baik dan sifat kenyal yang memuaskan serta tahan terhadap panas. Baja paduan digunakan karena keterbatasan baja karbon sewaktu dibutuhkan sifat – sifat yang spesial dari baja, keterbatasan dari pada baja karbon adalah reaksinya terhadap pengerjaan panas dan kondisinya. Sifat – sifat yang diperoleh dengan pencampuran termasuk sifat – sifat kelistrikan, magnetis dan koefisien spesifik dari pemuaian panas yang berhubungan dengan pemotongan logam (Amanto, 1999). Penambahan sejumlah elemen paduan terhadap baja karbon akan memperbaiki sifat – sifat mekanisnya. Bila baja karbon mendapatkan kekuatan dengan penambahan kandungan karbonnya, elemen – elemen paduan menciptakan tambahan kekuatan lebih dengan mikrostruktur yang halus ketimbang mikrostruktur yang kasar yang diperoleh selama proses pendinginan baja. Baja paduan rendah berkekuatan tinggi digunakan dalam kondisi seperti tempaan atau kondisi normal, yaitu kondisi dimana tidak digunakan perlakuan panas. Sifat baja-karbon seperti kekerasan, kekuatan dan mampu regang ditentukan oleh kadar karbon ( C ). Struktur mikro baja dapat dibedakan dalam tiga bentuk fasa sebagai berikut : (1). Ferrit. Kristal besi murni (Fe) saling terikat erat satu sama lain, tidak teratur baik bentuk maupun ukurannya. Ferrit merupakan bagian baja yang paling lunak. Dalam kondisi murni ferrit tidak bisa digunakan sebagai material dasar (raw materials) untuk komponen mesin yang menerima beban. Hal ini dikarenakan kekuatan yang dimilikinya kecil. (2). Besi karbon (Fe3C)
Senyawa antara besi (Fe) dengan karbon ( C ) sebagai unsur struktur tersendiri dinamakan sementit. Rumusan Fe3C menyatakan bahwa senantiasa ada tiga atom besi yang membentuk ikatan dengan satu atom karbon ( C ). Ikatan ini menjadi sebuah molekul yang dikenal sebagai besi karbon. Peningkatan kandungan karbon akan berakibat membesar pula kadar sementit. Sementit didalam baja mempunyai sifat yang paling keras . (3). Perlit. Campuran antara ferrit dan sementit dengan kandungan karbon ( C ) seluruhnya sebesar 0,8 % disebut perlit. Di dalam Struktur perlit, semua kristal ferrit disusupi serpihan sementit halus. Serpihan sementit ini menempati lapisan tipis yang saling berdampingan, sehingga nampak kilapan mirip induk mutiara. Hal inilah yang menyebabkan dinamakan perlit. 2.1.3. Pengaruh Unsur Campuran Pengaruh unsur campuran sulit diketahui secara tepat untuk tiap unsur campuran karena pengaruhnya tergantung pada jumlah campuran yang digunakan dalam baja. a. Pengaruh Unsur Campuran Terhadap Perlakuan Panas Baja karbon mempunyai kecepatan pendinginan kritis yang tinggi,artinya pendingin harus secara drastis jika ingin menghasilkan struktur lapisan martensit. Pendinginan yang drastis menyebabkan terjadi destorsi atau pecahan-pecahan pada baja, apabila dikurangi kecepatan kritis dengan membuat austenit berubah maka struktur martensit dapat dihasilkan dengan jalan pendinginan kritis tetap dikurangi maka dapat digunakan pendinginan udara. b. Pengaruh Unsur Campuran Terhadap Sifat-sifat Baja Sifat baja pada saat digunakan tergantung pada dasarnya reaksi terhadap perlakuan panas dang pengaruh yang akan diuraikan, yaitu syarat-syarat yang berhubungan langsung dengan kondisi pemakaiannya. Pengaruh akan diperoleh sebagai hasil dari pengerjaan panas yang sesuai. 2.1.4. Pengaruh Perlakuan Panas Pada Baja Struktur yang telah dijelaskan mengandung karbon yang terdifusi selama waktu yang cukup lama, membentuk fase yang berada dalam keseimbangan. Meskipun kekuatan yang ada dapat dilipat gandakan dalam jangkauan kadar karbon pada kondisi ekuilibrium atau stabil ini, perubahan drastis dalam sifat dapat dicapai melalui perlakuan panas yang menghambat atau mempercepat terjadinya keseimbangan tersebut. Miasalnya larutan pada γ dicelupkan ke dalam air untuk mencegah difusi atom karbon, sisa karbon merangkap dalam struktur kisi,
menimbulkan regangan kisi setempat yang menghambat pergerakan dislokasi. Akibatnya struktur menjadi keras dan sangat kuat tetapi rapuh. Dengan mikroskop optik tampak jaringan tampak jaringan jarum yang berbeda sekali dengan perlit. Kekerasan struktur autenit yang dicelupkan tadi sebanding dengan regangan kisi. Makin rendah kadar karbon, makin kecil regangan. Kekerasan maksimum dicapai jika kadar karbon berkisar antara 0,6-0,8. Baja yang menghasilkan efek pengerasan yang memadai disebut baja karbon menengah atau baja karbon kontruksi. Baja dengan kadar di atas 0,8% mempunyai kekuatan dan kekerasan yang lebih baik setelah perlakuan panas, tetapi memiliki kelebihan kelebihan semetit. Menghasilkan ketahanan terhadap kehausan dan baja karbon tinggi sering digunakan untuk membuat perkakas pembentuk. Ada dua cara untuk mengatasi kerapuhan baja martensit celup guna mendapatkan kombinasi kekerasan dan ketangguhan secara menyeluruh. Pertama,martensit yang telah terbentuk ditemper. Temper merupakan proses perlakuan panas
terkendali
yang
memungkinkan sebagai dari karbon yang terperangkap meninggalkan lokasi interstisial antar atom besi dan bila mungkin dari partikel semetit. Kedua, dengan mendinginkan besi-γ dari suhu austenit sedemikian rupa sehingga diperoleh struktur antara ini mempunyai sifat mirip dengan martensit temper dan disebut bainit (Alexander,1991). 2.1.5. Perlakuan Panas (Heat Treatment) Sifat-sifat mekanis logam perlu adanya suatu perlakuan, misalnya perlakuan panas (heat treatment). Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat yang tetap, tegangan dalam dapat dihilangkan, besar butir dapat diperbesar atau diperkecil, ketangguhannya dapat ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet. Faktor-faktor yang mempengaruhi hasil kekerasan dalam perlakuan panas antara lain , langkah perlakuan panas, cairan pendingin, temperatur pemanasan dan lain-lain. Proses yang paling banyak dipakai di industri logam atau bengkel-bengkel logam lainnya adalah proses hardening. Alat-alat permesinan atau komponen-komponen mesin banyak yang harus dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan untuk memotong meningkat, atau baja dapat dilunakkan untuk memudahkan permesinan lebih lanjut. Untuk memungkinkan perlakuan panas yang tepat, susunan kimia baja harus ketahui, karena perubahan komposisi kimia khususnya karbon dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat fisis (Surdia,1995). Perlakuan panas pada baja dapat dilakukan sebagai berikut: 1. Pemanasan pada temperatur rendah
Akibat pengerjaan ini adalah tidak menghasilkan perubahan dalam struktur baja, hanya mengakibatkan perubahan yang kecil dalam sifat-sifat mekaniknya. Apabila dalam pengerjaan ini dihasilkan suatu permukaan baja yang keras, maka dapat dihilangkan dengan cara penuangan, dan pengerjaan dalam mesin perkakas. 2. Pemanasan dalam temperatur tinggi Apabila baja dipanaskan terus menerus yang mengakibatkan suhu pemanasan naik dan mencapai suatu suhu tertentu, maka terjadi pembentukan butiran-butiran baru yang bentuk dan ukurannya kecil dan halus. Pembentukan butiran dapat terjadi walaupun ,ukuran original sebelumnya besar dan kasar, dimana perubahan terjadi sebalum pengerjaan dingin. Proses tersebut dikenal dengan proses pengkristalan kembali. Temperatur pengkristalan untuk beberapa logam dapat dilihat pada tabel 2.1 pengkristalan dapat dikatakan kompleks apabila seluruh struktur logam terdiri dari butir-butiran halus. Tabel 2.3. Pengkristalan Kembali Pada Beberapa Logam No
Temperatur (oC)
Jenis Logam
Pengkristalan Kembali
Titik Cair
1
Wolfram
1200
3410
2
Molebden
900
2620
3
Nikel
600
1458
4
Besi
450
1535
5
Kuningan
400
900-1050
6
perunggu
400
900-1050
7
Tembaga
200
1083
8
Perak
200
960
9
Alumunium
150
660
10
Magnesium
150
651
11
Seng
70
419
12
Timbal
20
327
13
Timal
20
232
(Sumber: Amanto,1999) 3. Pemanasan secara terus menerus Pada pemanasan baja yang dilakukan secara terus menerus, terjadi penyerapan unsur-unsur lainnya (terutama unsur karbon) oleh butiran-butiran besi, sehingga akan dihasilkan oleh suatu struktur yang berbentuk kasar. Proses tersebut dikenal sebagai proses pertumbuhan butir (grain growth). Jadi pemanasan pada temperatur tinggi akan menyebabkan terjadi pertumbuhan buturan melalui pengkristalan kembali pada baja, yang mengakibatkan perubahan bentuk dan ukuran butiranbutiran. Selain itu, pertumbuhan butiran-butiran akan terjadi terus-menerus selama dilakukan pendinginan. Pengkristalan kembali dan pertumbuhan butiran yang terjadi terhadap baja akibat pengerasn panas, berpangaruh terhadap sifat-sifat mekanik baja. (Gambar) Proses yang dilakukan dalam perlakuan panas, terdiri dari pelunakan (annealing), penormalan (normalizing), pengerasan(hardening), dan tempering. 1. Annealing Kristalisasi ulang bisa dilakukan dengan annealing dan pengerasan panas ini tidak akan menghasilkan logam tersebut pada kelunakan dan kekenyalan semula, menghilangkan efek-efek pengerasan pada pekerjaan. Pada proses annealing pemanasan yang dilakukan diikuti dengan pendinginan perlahan-lahan. Pendinginan yang lambat adalah hal yang utama didalam proses, yang membuat baja selunak mungkin dan menghindari terjadinya tegangan-tegangan dalam baja yang mengalami proses annealing, struktur butiran termasuk kasar, ferit dan perlit, membentuk areaarea terpisah. Annealing didefenisikan sebagai pemanasan pada suhu yang sesuai, diikuti dengan kecepatan pendinginan yang sesuai. Hal ini bertujuan untuk menginduksi kelunakan, memperbaiki sifat-sifat pengerjaan dingin,dan membebaskan tegangantegangan pad baja sehingga diperoleh struktur yang dikehendaki. Sifat-sifat baja yang disebutkan pada defenisi diatas dapat dartikan bahwa baja harus dipanaskan melalui suhu pengkristalan kembali untuk membebaskan tegangan-
tegangan pada baja. Kemudian mempertahankan pemanasannya pada suhu tinggi untuk membuat pertumbuhan butiran-butiran dan suatu struktur lapisan austenit. Dan seterusnya didinginkan secara perlahan-lahan untuk membuat suatu struktur lapisan perlit, menginduksi kelunakan, dan memperbaiki sifat-sifat pengerjaan dingin. 2. Normalizing Proses normalizing diperlukan untuk mengembalikanbaja pada kondisi yang seragam pembuatannya. Ada beberapa persamaan dengan annealing, tetapi dalam normalizing baja dipanaskan diatas suhu kritisitas dan dibiarkan dingin diuadara terbuka (still air), yang membuat suatu tingkat pendinginan yang lebih cepat. Ini memberikan waktu yang cukup untuk pemisahan penuh dari perlit dan semetit, dan dari pada terbentuk menjadi area-area terpisah dalam suatu struktur kasar, keduanya akan bercampur dengan baik sekali dalam suatu struktur yang lebih halus. 3. Hardening Bila baja didinginkan di atas suhu kritis atas, pendinginan berjalan cepat, endapan karbon akan ditekan dan struktur dibekukan dalam suatu larutan padat. Baja tersebut amat keras dan regas, bila dilihat dengan mikroskop akan terlihat struktur seperti jarum dikenal dengan martensit. Baja-baja karbon biasa, biasanya tidak begitu banyak. Pengerasan dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang tinggi,kekuatan dan fatigue limit strength yang baik. Kekerasan dapat dicapai tergantung pada karbon dalam baja dan kekerasan yang terjadi akan tergantung pada temperatur pemanasan (temperatur austentizing), holding time dan laju pendinginan yang di lakukan serta seberapa tebal bagian penampang yang menjadi keras banyak tergantung pada hardenability. Untuk memperoleh kekerasan yang baik (martensit yang keras) maka pada saat pemanasan harus dapat dicapai unsur austenit, karena hanya unsur austenit yang dapat bertransformasi menjadi martensit. Bila pada saat pemanasan masih terdapat struktur lain maja setelah didinginkan akan memperoleh struktur yang tidak seluruhnya terdiri dari martensit. Bila struktur lain itu bersifat lunak, misalnya ferit maka tentunya kekerasan yang tercapai juga tidak akan maksimum. Untuk menentukan temperatur pemanasan yang baik untuk pengerasan yang dilakukan suatu percobaan pemanasan dan quenching pada beberapa temperatur dan dianalisis struktur yang terjadi.
Pengerasan yang dilakukan secara langsung adalah baja dipanaskan untuk menghasilkan struktur austenit dan selanjutnya didinginkan. Pembentukan sifat-sifat dalam baja pada kandungan karbon, temperatur pemanasan, sistem pendingin, serta bentuk dan ketebalan bahan. 4. Tempering Pemanasan kedua dimana baja dipanaskan sampai dibawah titik kritis bawah kemudian dilakukan pendinginan. Di sini kekerasan sedikit diturunkan, tetapi baja tersebut jadi lebih kuat. Setelah dinaikkan sampai panas penyepuhan, baja dibiarkan dingin secara perlahan-lahan. Suhu yang pasti untuk tempering itu tergantung pada kegunaan baja tersebut. Tingkat kekerasan yang dicapai setelah pendinginan tergantung pada kandungan karbon dalam baja, yang mengandung kurang dari 0,3% unsur karbon tidak memperlihatkan perubahan yang nyata. Kekerasan maksimun dicapai baja mengandung 1,2 % unsur karbon. 2.1.6. Pendinginan Secara Cepat Metode pencelupan secara cepat yang disebut quenching pada proses ini diperoleh struktur martensit akibat dari penurunan tempertur dan suhu austenit ke suhu kamar yang menyebabkan logam menjadi keras. Laju pendinginan merupakan faktor pengendali, pendinginan yang cepat lebih cepat dari pada pendinginan kritis akan menghasilkan struktur yang keras, sedangkan pendinginan yang lambat akan menghasilkan struktur yang lebih lunak. 2.1.7. Media Pendinginan Media pendinginan adalah merupakan suatu sarana akan suatu zat, baik berupa larutan, padatan maupun gas yang sifatnya sebagai pendingin terhadap bahan logam setelah melalui peroses perlakuan panas yang juga sangat mempengaruhi perubahan fisis atau sifatsifat mekanik dari bahan logam. Media pendingin yang umum dipakai pada proses perlakuan panas tergantung pada pemanasan apa yang dilakukan serta pembentukan sifat baru yang ingin didapatkan sehingga diperlukan adanya variasi dari pada media pendingin yang juga merupakan faktor pengendali jenis serta sifat bahan logam yang akan dihasilkan. Proses perlakuan panas yang biasa dilakukanuntuk media pendingin dilakukan dengan temperatur serta dengan adanya variasi dari konsentrasi dari media pendingin, konsentrasi larutan akan mengurangi kecepatan pendinginan.
Media pendingin yang umumnya dipakai tergantung dari pembentukan sifat serta sesuai dengan proses pemanasan yang dilakukan, adalah sebagai berikut: a. Udara Pendinginan di udara adalah merupakan suatu pendingin secara perlahan-lahan di ruang terbuka yang bertujuan untuk menormalkan kembali struktur logam karena adanya efek pengerjaan terhadap bahan baja, pada pendinginan di udara terjadi pada fasa austenisasi, 50-60oC di dalam daerah austenit murni. Pendinginan di udara mencegah terjadinya segresi proetekrad yang berlebihan dan terbentuknya struktur mikro perlit yang halus, dan proses ini disebut dengan normalising. b. Pendinginan di oli dan air merupakan suatu pendinginan dengan kecepatan setelah dilakukan pemanasan sampai temperatur 50oC diatas temperatur titik kritis selama beberapa waktu, proses pendinginan ini biasanya disebut dengan quenching (celup langsung). Pendinginan dengan kecepatan akan menghasilkan martensit yang keras dan agak rapuh. Pada proses pendinginan ini akan terbentuk austenit yang lebih padat dari pada martensit dan juga lebih padat dari ferit ditambah dengan karbida, hal ini yang merupakan masalah pada pendinginan secara celup langsung dari austenit ke martensit yang rapuh jadi retak dapat terjadi pada baja dengan ukuran lembaran atau kawat khususnya bila kadar karbon lebih besar dari 0,5%. 2.2. Karburasi (Carburizing) Karburasi adalah suatu proses penambahan karbon ke permukaan benda dilakukan dengan memanaskan benda dalam lingkup yang banyak mengandung karbon aktif sehingga karbon berdifusi masuk ke permukaan baja. Kemudian dipanaskan pada temperatur antara 900oC-950oC dengan waktu yang lama. Media yang biasa dipakai adalah Charcoal Activated (karbon aktif) dengan Natrium Karbonat (NaCO3), Barium Karbonat (BaCO3) dan Kalsium Karbonat (CaCO3). Untuk menyepuh keras baja diperlukan kadar karbon sekurangnya 0,3% C dilihat pada baja karbon yang dapat disepuh keras. Jika mempunyai kadar karbon kurang dari 0,3%C maka dengan cara karburasi. Dengan memanaskan bahan sampai 950oC dalam lingkungan yang menyerahkan lalu dibiarkan beberapa waktu lamanya pada suhu ini dan didinginkan diudara. Tujuan dari pengerjaan panas ini adalah untuk memberi pada benda-benda lapisan luaryang dapat disepuh keras. Hal ini memungkinkan karena pada suhu tersebut karbon dapat meresap kedalam lapisan luar benda kerja. Karburasi dapat juga disebut penumpukan karbon atau menyemen. Lapisan luar yang telah mengambil karbon dinamakan lapisan karburasi.
Tebalnya lapisan yang dikarburasikan dalam lingkungan yang dapat menyerahkan karbon tergantung dari pada waktu dan suhu. Akibat dari pemanasan ini diharapkan untuk dapat menyusun kedalam permukaan baja. Dengan menyusupkan unsur karbon pada permukaan baja tersebut akan terjadi peningkatan kandungan karbon, hal ini akan dapat meningkatkan kekerasan dari pada permukaan baja tersebut dan tentu akan meningkatkan daya tahan aus gesekan dan permukaan baja. Proses karburasi umumnya dilakukan pada baja yang memiliki kadar karbon rendah, akan tetapi dapat juga dilakukan pada kadar karbon menengah dengan peningkatan kandungan karbon pada permukaan mencapai 45% (Ariobima,2001). 2.2.1. Karburasi Dalam Zat Padat Karburasi padat adalah proses penjenuhan lapisan padat sebagai sumber karbon. Untuk mendapatkan kekerasan yang maksimal maka media karburasi dicampur dengan zat pengaktif karbon (energizer). Pada proses karburasi diusahakan kadar karbon tidak lebih dari 1%, dengan kedalam lapisan karburasi mencapai 0,5 – 2 mm, kadar karbon yang melebihi 1% tidak diinginkan karena lapisan permukaannya menjadi sangat rapuh yang disebabkan oleh terbentuknya jaringan sementik. Selama didalam tungku pemanasan pada proses karburasi akan dibentuk dua gas yaitu karbon monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO2). Gas-gas ini bagian terbesar dari media karburasi dengan oksigen dari udara yang selalu terdapat dari rongga – rongga media karburasi. Proses ini dapat digambarkan dengan persamaan reaksi : C + O2
CO2
2.1
2C + 2O2
2 CO2
2.2
Sebagai sumber karbon dioksida lainnya dapat berasal dari barium, kalsium atau sodium karbonat yang ditambah dalam karburasi sebagai energizer dimana komposisi yang terjadi didalam pemanasan : CaCO3
CaO + CO2
2.3
Didalam karburasi ini sendiri terjadi kesetimbangan dua gas yaitu CO dan CO2 CO2 + C
2 CO
2.4
Pada temperatur yang lebih tinggi akan didapat pula karbon monoksida (CO) yang lebih banyak persentasenya, karbon dioksida yang didalmnya campuran gasnya sediki. Adapun reaksi karburasi yang terjadi pada permukaan baja adalah sebagai berikut : 2 CO
CO2 + C
2.5
Setelah reaksi ini terjadi akan dihasilkan karbon dalam bentuk atom. Karbon ini dalam temperatur karburasi akan diabsorsi oleh permukaan logam dan bermigrasi secara perlahan – lahan atau berdifusi menuju inti dan pada waktu yang bersamaan menghasilkan pembentukan molekul – molekul baru karbon monoksida. Difusi adalah peristiwa mengalirnya atau berpindahnya suatu zat dari bagian kosentrasi tinggi kebagian berkosentrasi rendah. Contoh yang sederhana adalah penambahan karbon kedalam baja karbon rendah sehingga pada baja karbonnya lebih besar. Difusi yang paling sering etrjadi adalah difusi molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari suatu lapisan molekul yang diam. Apabila suhu pada suatu material naik , akan menyebabkan atom – atomnya bergetar dengan energinya yang lebih besar dan sejumlah kecil atom akan berpindah dalam kisi. Mekanisme perpindahan atom dalam suatu logam dapat terjadi secara interistisi dan kekosongan. Perpindahan ini terjadi bila atom tidak memiliki ukuran yang sama. Sedangkan perpindahan secara kekosongan dapat terjadi bila semua atom memiliki ukuran sama. Proses difusi dapat terjadi lebih cepat apabila : suhu tingggi, atom yang berdifusi kecil, ikatan struktur induk lemah (dengan titik cair rendah), terdapat cacat – cacat dalam bahan (kekosongan atau batas butir) (Surdia, 1995). Kalsium karbonat adalah kalsium yang terdapat pada kapur, batu kapur dan merupakan komponen utama yang terdapat pada kulit telur. Kalsium karbonat merupakan serbuk putih, tidak berbau, stabil diudara, praktis tidak larut dalam air. Kelarutan dalam air meningkat dengan adanya sedikit nitrat dengan membentuk gelombang gas. Salah satu sifat kimia dari kalsium karbonat adalah dapat menetralisasi asam. Kalsium karbonat sebagai semi penguat dan memiliki harga yang relative murah serta memberikan kekerasan, kekuatan tarik yang baik. Cara ini adalah metode yang paling tua dan dikenal sebagai “pack hardening” yang mana benda kerjanya dimasukan kedalam sebuak kotak besi dan secara tertutup dikelilingi dengan bahan – bahan seperti arang kayu dan serbuk tulang. Zat kimia yang lain misalnya kalsium karbonat yang sering dipakai sebagai pembangkit dalam proses. Dengan tutup yang benar – benar rapat, semua benda dipanaskan dalam dapur dengan suhu 850 – 950oC dalam waktu beberapa jam, dan pada suhu yang tinggi ini karbon akan menyebar kebaja karbon tinggi dengan ketebalan sekitar 0,8 mm bisa dicapai setelah 3 samapi 4 jam pemanasan. Benda – benda yang tidak dibuat dengan kulit bisa dilindungi dengan jalan pelapisan tembaga atau dibungkus dengan tanah liat.
Sebelum pengekapan dibuka, kotak beserta isinya dibiarkan dingin secara perlahan – lahan. Benda – benda kerja tersebut perlu disepuh, sebab butiran – butirannya masih kasar akibat suhu kritis atas ( sekitar 900 – 915oC) lalu didinginkan secara mendadak dalam zat cair. Ini diikuti dengan pengerasan dengan cara memanaskan antara 750 – 760oC, lalu dicelupkan kedalam media pendingin. Maka terdapat peti yang sangat keras yang bisa diolah selanjutnya dengan tempering sekitar 200oC. 2.2.2. Karburasi Dalam Zat Cair Baja – baja lunak juga bisa dikarburasi ( disenyawakan dengan zat arang) dalam suatu bak garam , biasanya terdiri dari sodium sianida lumer , yaitu suatu campuran sodium , nitrogen, dan karbon. Proses sianida sangat luas digunakan dalam industri dimana ada resiko – resiko tertentu akibat uap – uap beracun dari cipratan air garam , tetapi proses ini tidak digunakan dalam bengkel – bengkel sekolah. Pencelupan dalam suatu bak garam menjamin pemanasan yang merata, memperkecil distorsi dan permukaan benda kerja tetap bersih dan mengkilat.Setelah pengolahan tersebut benda – benda kerja tersebut harus dicuci dan diberikan pengolahan panas lagi seperti setelah pack hardening ( penyepuhan yang dibungkus). Karburasi jenis ini menggunakan lelehan sainida ( CN ) pada logam berkarbon rendah yang dipanaskan dengan menggunakan belerang pemanas yang dipanaskan dengan minyak atau gas. Suhunya kira – kira 815oC – 900oC proses ini dilakukan dengan kontinyu dan otomatis karena memberikan hasil akhir yang baik. Permukaan lelehan ditutup dengan grafit atau batu bara untuk mengurangi hilangnya radiasi dan dekomposisi sianida yang berlebiahan. Selain sodium dan potassium sianida, lelehan yang digunakan juga mengandung sodium dan pottasium klorida dan barium klorida yang berperan sebagai aktifator. Reaksi yang terjadi didalam dapur garam sianida adalah sebagai berikut : a. BaCl2
Ba (CN)2 + 2NaCl
b. Ba(CN)2 +Fe Fe(c) + BaCN2 Proses ini mirip dengan proses sianida, hanya disini kulit luar mempunyai kadar karbon yang tinggi dan kadar nitrogen yang rendah. Karburasi cair dapat digunakan untuk membentuk lapisan setebal 6,35mm, meskipun umumnya tidak melebihi 0,64 mm. Cara ini baik untuk pengerasan permukaan benda yang berukuran kecil dan sedang. Kelebihan, karena cairan mentransfer dengan cepat maka karbon yang ditambahkan juga lebih cepat. Juga pengerasan yang dihasilkan lebih merata. Kekurangan, beberapa nitrogen terserap bersama – sama dengan karbon dan menyebabkan pengerasan mendadak. Juga material harus dikeringkan setelah proses ini untuk menghindari korosi, hal tersebut memakan waktu dan
biaya.
2.2.3. Karburasi Dalam Gas Pada proses pengkarburisasian dalam gas, karbon tambahan dimasukan kedalam permukaan – permukaan baja lunak dengan jalan memanaskan logam dalam suatu dapur dimana gas yang kaya akan karbon dilewatkan. Metana , butana dan propana digunakan dalam proses ini , terutama untuk komponen – komponen kecil. Antara lain dapat digunakan gas alam atau hidro karbon atau propon ( Gas Karbit ). Prosesnya yaitu benda yang akan dipanaskan dimasukkan dalam oven atau furnace dengan temperature bervariasi antara 8700C sampai 9500C. atmosfir gas untuk karburasi diproduksi dari cairan ( metanol, isopropanol ), atau gas hidrokarbon ( peropana dan metana ). Generator gas endhotermik dipakan untuk menyuplai gas endhotermik.
Komposisi gas dalam proses karburasi gas adalah : •
Nitrogen
40%
•
Hidrogen
40%
•
Karbon monoksida
20%
•
Karbon dioksida
0,3%
•
Metana
0,5%
•
Uap air
0,8%
•
Oksigen
in treaces
Oven dialiri dengan gas karbon. Atom – atom karbon akan tertarik menembus kedalam logam. Sehingga permukaan logam menjadi kaya karbon. Cara ini diterapkan dalam karburasi dalam bagian – bagian yang kecil yang dapat dicelupkan langsung setelah pemanasan dalam dapur. Selama proses karburasi gas, terjadi reksi-reaksi sebagai berikut : a. C3H8
2CH4 + C (craking of hydrocarbon)
b. CH4 + F
Fe (c) + 2H2
c. CH4 + CO2
2CO + 2H2
d. 2CO + Fe
Fe (c) + CO2
Kelebihan dari gas carburizing yaitu lebih cepat dibandingkan dengan pack carburizing. Proses ini hanya membutuhkan sedikit tenaga kerja dan penanganan. Juga lebih
praktis dari pada pack carburizing untuk jumlah yang banyak. Kekurangan, alat dan bahan yang digunakan dalam proses ini lebih mahal.
2.2.4. Aplikasi Karburasi Beberapa hal umum dapat diterapkan dengan memperhatikan bagaimana benda kerja diletakan pada mesdin dan gerakan relatif antara benda kerja dengan perkakas. Gaya – gaya yang bekerja pada perkakas menimbulkan gerakan geseran yang kuat pada logam didepan perkakas. Logam akan mengalami deformasi yang besar. Perkakas pemotong harus tahan terhadap gaya yang besar pada suhu dan keausan yang tinggi. Keausan terjadi akibat difusi keadaan padat dan bahan perkakas kebenda kerja pada suhu tinggi dan terjadinya kontak pada permukaan. Jenis bahan perkakas pemotong yang baik harus mempunyai kekerasan panas yang tinggi dan tahan terhadap keausan , dengan ketangguhan yang cukup terhadap pepatahan atau pecah. Bahan tersebut juga harus tahan terhadap kejut termal dan reaktivitas yang rendah terhadap bahan benda kerja. Jadi bahan yang digunakan dalam permisanan untuk perkakas adalah bahan yang memiliki permukaan yang keras, serta ulet dan tahan terhadap keausan. Oleh sebab itu bahan perkakas pemotong harus terbuat dari baja karbon rendah yang telah mengalami karburasi karena bahan akan mengalami perkakas pemotong yang baik pada permesinan logam (Amstead, 1992). 2.3. Sifat Mekanik Logam Pengertian sifat mekanik suatu logam adalah kemampuan atau kelakuan logam untuk menahan beban yang diberikan, baik bebas statsis atau dinamis pada suhu kamar, suhu tinggi, maupun dibawah suhu 0oC. Beban statis adalah beban yang tetap , baik bergeser maupun arahnya pada setiap saat. Sedangkan beban dinamis adalah beban yang besar dan arahnya berubah menurut waktu. Beban statis dapat berupa beban tarik, tekan lentur, puntir, geser, dan kombinasi dari beban tersebut. Sementara itu beban dinamis dapat berupa beban tiba – tiba dan dapat berubah – ubah. Sifat mekanik logam meliputi : kekuatan, kekerasan, kegetasan, keuletan, aus dan lain – lain. 2.3.1. Kekerasan Kekerasan adalah ketahanan beban terhadap deformasi plastis, karena pembebanan setempat pada permukaan berupa goresan atau penekanan. Sifat ini banyak berhubungan dengan sifat kekuatan, daya tahan aus, dan kemampuan dikerjakan dengan mesin (mampu mesin). Cara pengujian kekerasan ada tiga macam, yaitu goresan, menjatuhkan bola baja dan
penekanan. Kekerasan suatu bahan dapat berubah bila dikerjakan dengan pekerjaan dingin (cold worked), seperti pengerolan, penarikan serta kekerasan dapat dicapai dengan kebutuhan perlakuan panas (Surdia, 1995) Kekerasan suatu bahan dapat diketahui dengan pengujian kekerasan menggunakan mesin uji kekerasan (hardness tester) menggunakan tiga cara atau metode yang telah banyak dilakukan , yaitu : metode Brinel, Rockwell dan Vickers. Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar. Angka kekerasan piramida intan (DPH) atau angka kekerasan Vickers (VHN), didefinisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan. Luas ini dihitung dari pengukuran mikroskopi panjang diagonal jejak. DPH dapat ditentukan dari persamaan berikut : VHN =
= 1,8544
2.6
Dimana : F = pembebanan yang diterapkan (kgf) d = panjang diagonal rata –rata (mm) θ = sudut antara permukaan intan yang berlawanan = 136o
2.3.2. Kekuatan Tarik (Tensile Strength) Kekuatan tarik merupakan sifat mekanik yang sangat penting dari logam, terutama untuk perhitungan – perhitungan konstruksi. Untuk memperoleh informasi tentang kekuatan tarik dilakukan pengujian tarik.
Gambar 2.1. Kekuatan Tarik Dalam pengujian tarik batang percobaan atau batang uji dikenai beban aksial yang ditambah secara berangsur – angsur secara kontinu. Pada saat yang bersamaan dilakukan pengukuran – pengukuran yang diperlukan untuk menentukan besarnya tegangan dan regangan. Bila suatu beban tarik maka akam mengalami deformasi padanya. Deformasi ini dapat terjadi secara elastis dan plastis. Deformasi elastis adalah suatu perubahan yang secara hilang
kembali apabila beban ditiadakan. Deformasi plastis adalah suatu perubahan bentuk yang tetap ada meskipun beban yang menyebabkan deformasi ditiadakan. Pengujian tarik biasanya dilakukan terhadap spesimen atau batang uji yang standar. Batang uji tarik tersebut dipasang pada mesin uji tarik, dijepit dengan mesin uji tarik pada ujung – ujungnya dan ditarik kearah memanjang secara perlahan. Selama penarikan setiap saat dicatat dengan grafik yang tersedia pada mesin tarik. Besarnya gaya tarik yang bekerja dan besarnya pertambahan panjang yang terjadi akibat dari gaya tarik tersebut. Penarikan berlangsung terus sampai batang uji putus. Pada saat batang uji menerima beban sebesar F (N), maka batang uji akan bertambah panjang sebesar L (m). Gaya persatuan luas penampang didefinisikan sebagai tegangan (stress), dapat ditulis sebagai berikut :
σ=
2.7
Dimana : σ = Tegangan (N/m2) F = Berat beban (N) A = Luas penampang benda uji (mm2) Akibat tarikan , bagian panjang bahan L mengalami ulur (perpanjangan) sebesar ∆L. Perpanjangan relatif yaitu pertambahan panjang persatuan panjang awal yang disebut regangan (strain) normal dengan rumus sebagai berikut :
ε =
=
2.8
Dimana : ε = Regangan (%) L0 = Panjang bahan uji mula – mula (mm) L = Panjang bahan uji saat menerima beban (mm) Hubungan linear antara tegangan dan regangan dapat dilhat dalam kurva tegangan dan regangan berikut :
Tegangan N/m 2
Kekuatan maksimum C
Batas elastik B
D
A
Kekuatan patah Batas proposional
O
Regangan (%)
Gambar 2.2. Grafik Hubungan Antara Tegangan – Regangan Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa dari titik 0 kesuatu titik A yang disebut batas proposional masih merupakan garis lurus seperti terlihat pada gambar bahwa tegangan sebanding dengan regangan. Bila tegangannya dilepas maka panjang bahan akan kembali seperti semula. Jika pemberian tegangan dilepas maka panjang bahan akan kembali seperti semula bila tegangannya dihilangkan. Pada saat pemberian tegangan melewati titik B maka bahan tidak akan kembali lagi seperti semula dan bahan akan mengecil secara drastis dan tidak akan kembali lagi bila tegangannya dihilangkan. Apabila pemberian tegangan terus ditambah maka bahan akan memanjang dan mengecil sampai mencapai tegangan maksimum C. Tegangan tidak ditambahkan lagi tetapi bahan akan memanjang dan tegangannya akan menurun. Akibatnya bahan akan patah pada saat tegangan berada dititk D. 2.3.3. Kelentingan Kelentingan adalah kemampuan suatu bahan untuk menyerap energi pada waktu berdeformasi secara elastis dan kembali kebentuk awal apabila bebannya dihilangkan. Kelentingan bisa dinyatakan sebagai modulus kelentingan (Modolus Young) yaitu energi regangan tiap satuan volume yang dibutuhkan untuk menekan beban dari tegangan nol hingga tegangan luluh (http://www.wikipedia.com)
Modulus Young (Y) = (Y) =
2.9
=
Dimana : Y = Modulus Elastis (N/m2) F = Gaya (N) A = Luas Penampang (m2) ∆L = Perubahan panjang (m)
L0 = Panjang Mula – mula (m)
2.4. Bahan Baku Arang Arang merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85 – 95% karbon, dihasilkan dari bahan – bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan pada suhu tinggi. Ketika pemanasan berlangsung, diusahakan agar tidak terjadi kebocoran udara didalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandung karbon tersebut hanya terkarbonisasi dan tidak teroksidasi. Arang selain digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagai absorben (penyerap). Daya serap ditentukan oleh luas permukaan partikel dan kemampuan ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap arang tersebut dilakukan aktifasi dengan aktif faktor bahan – bahan kimia ataupun dengan pemanasan pada temperatur tinggi. Dengan demikian, arang akan mengalami perubahan sifat – sifat fisika dan kimia. Arang yang demikian disebut arang aktif. Arang aktif merupakan senyawa karbon amorf, yang dapat dihasilkan dari bahan – bahan yang mengandung karbon atau dari arang yang diperlakukan dengan cara khusus untuk mendapatkan permukaan yang lebih luas. Luas permukaan arang aktif berkisar antara 300 – 3500 m2/ gram dan ini berhubungan dengan struktur pori internal yang menyebabkan arang aktif mempunyai sifat sebagai absorben. Arang aktif dapat mengabsorsinya gas dan senyawa – senyawa kimia tertentu atau sifat absorsinya selektif, tergantung pada besar atau volume pori – pori dan luas permukaan. Daya serap aktif sangat besar, yaitu 25 – 1000% terhadap berat arang aktif. Arang aktif dibagi atas dua tipe, yaitu arang aktif sebagai pemucat sebagai penyerap uap. Arang aktif sebagai pemucat, biasanya berbentuk powder yang sangat halus, diameter pori mencapai 1000 A0, digunakan dalam fase cair, berfungsi untuk memindahkan zat – zat pengganggu dan kegunaan lain yaitu pada industri kimia dan industri baru. Diperoleh dari serbuk – serbuk gergaji, ampas pembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan mempunyai struktur yang lemah. Arang aktif sebagai penyerap uap biasanya berbentuk granular atau pellet yang sangat keras diameter pori berkisar antara 10-200 A0, tipe pori lebih halus, digunakan dalam fase gas, berfungsi untuk memperoleh kembali pelarut, katalis, pemisahan, dan pemurnian gas. Diperoleh dari tempurung kelapa, tulang, batu bata atau bahan baku yang mempunyai struktur yang keras.
Sehubungan dengan bahan baku yang digunakan dalam pembuatan arang aktif untuk masing – masing tipe , pernyataan diatas bukan merupakan suatu keharusan. Karena ada arang aktif sebagai pemucat diperoleh dari bahan yang mempunyai densitas besar, seperti tulang.
