Heat Treatment A. EFEK PADA STRUKTUR MIKRO DAN UKURAN BUTIRAN Pada proses pembuatannya, komposisi kimia yang dibutuhkan diperoleh ketika baja dalam bentuk fasa cair pada suhu yang tinggi. Pada saat proses pendinginan dari suhu lelehnya, baja mulai berubah menjadi fasa padat pada suhu 13500, pada fasa ini lah berlangsung perubahan struktur mikro. Perubahan struktur mikro dapat juga dilakukan dengan jalan heat treatment. Bila proses pendinginan dilakukan secara perlahan, maka akan dapat dicapai tiap jenis struktur mikro yang seimbang sesuai dengan komposisi kimia dan suhu baja. Perubahan struktur mikro pada berbagai suhu dan kadar karbon dapat dilihat pada Diagram Fase Keseimbangan (Equilibrium Phase Diagram).
Fig 6.3 Equilibrium phase diagram for iron – iron carbide system (f.c.c.face – centred cubic: b.c.c. body-cenreed cubic)
Penjelasan diagram:
Pada kandungan karbon mencapai 6.67% terbentuk struktur mikro dinamakan Sementit Fe3C (dapat dilihat pada garis vertical paling kanan).
Sifat – sifat cementitte: sangat keras dan sangat getas
Pada sisi kiri diagram dimana pada kandungan karbon yang sangat rendah, pada suhu kamar terbentuk struktur mikro ferit.
Pada baja dengan kadar karbon 0.83%, struktur mikro yang terbentuk adalah Perlit, kondisi suhu dan kadar karbon ini dinamakan titik Eutectoid.
Pada baja dengan kandungan karbon rendah sampai dengan titik eutectoid, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara ferit dan perlit.
Pada baja dengan kandungan titik eutectoid sampai dengan 6.67%, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara perlit dan sementit.
Pada saat pendinginan dari suhu leleh baja dengan kadar karbon rendah, akan terbentuk struktur mikro Ferit Delta lalu menjadi struktur mikro Austenit.
Pada baja dengan kadar karbon yang lebih tinggi, suhu leleh turun dengan naiknya kadar karbon, peralihan bentuk langsung dari leleh menjadi Austenit.
Dari diagram diatas dapat kita lihat bahwa pada proses sangat bergantung pada komposisi kimia.
pendinginan perubahan – perubahan pada struktur kristal dan struktur mikro
B. HEAT TREATMENT DENGAN PENDINGINAN TAK MENERUS Jika suatu baja didinginkan dari suhu yang lebih tinggi dan kemudian ditahan pada suhu yang lebih rendah selama waktu tertentu, maka akan menghasilkan struktur mikro yang berbeda. Hal ini dapat dilihat pada diagram: Isothermal Tranformation Diagram.
Fig. 6.4 Isothermal transformation diagram for 0.2 C. 0.9% Mn steel Penjelasan diagram:
Bentuk diagram tergantung dengan komposisi kimia terutama kadar karbon dalam baja.
Untuk baja dengan kadar karbon kurang dari 0.83% yang ditahan suhunya dititik tertentu yang letaknya dibagian atas dari kurva C, akan menghasilkan struktur perlit dan ferit.
Bila ditahan suhunya pada titik tertentu bagian bawah kurva C tapi masih disisi sebelah atas garis horizontal, maka akan mendapatkan struktur mikro Bainit (lebih keras dari perlit).
Bila ditahan suhunya pada titik tertentu dibawah garis horizontal, maka akan mendapat struktur Martensit (sangat keras dan getas).
Semakin tinggi kadar karbon, maka kedua buah kurva C tersebut akan bergeser kekanan.
Ukuran butir sangat dipengaruhi oleh tingginya suhu pemanasan, lamanya pemanasan dan semakin lama pemanasannya akan timbul butiran yang lebih besar. Semakin cepat pendinginan akan menghasilkan ukuran butir yang lebih kecil.
C. HEAT TREATMENT DENGAN PENDINGINAN MENERUS Dalam prakteknya proses pendinginan pada pembuatan material baja dilakukan secara menerus mulai dari suhu yang lebih tinggi sampai dengan suhu rendah. Pengaruh kecepatan pendinginan manerus terhadap struktur mikro yang terbentuk dapat dilihat dari diagram Continuos Cooling Transformation Diagram.
Penjelasan diagram:
Pada proses pendinginan secara perlahan seperti pada garis (a) akan menghasilkan struktur mikro perlit dan ferlit.
Pada proses pendinginan sedang, seperti, pada garis (b) akan menghasilkan struktur mikro perlit dan bainit.
Pada proses pendinginan cepat, seperti garis ( c ) akan menghasilkan struktur mikro martensit.
Dalam prakteknya ada 3 heat treatment dalam pembuatan baja:
Pelunakan (Annealing) : pemanasan produk setengah jadi pada suhu 850 - 9500 C dalam waktu yang tertentu, lalu didinginkan secara perlahan (seperti garis-a diagram diatas). Proses ini berlangsung didapur (furnace). Butiran yang dihasilkan umumnya besar/kasar.
Normalizing : pemanasan produk setengah jadi pada suhu 875 – 9800C disusul dengan pendinginan udara terbuka (seperti garis-b diagram diatas). Butiran yang dihasilkan umumnya berlangsung bersamaan dengan pelaksanaan penggilingan kondisi panas (rolling).
Quenching : system pendinginan produk baja secara cepat dengan cara penyemprotan air pada pencelupan serta perendaman produk yang masih panas kedalam media air atau oli. Sistem pendinginan ini seperti garis-c diagram diatas.
Selain dari ketiga system heat treatment diatas ada juga heat treatment tahap kedua pada rentang suhu dibawah austenit yang dinamakan Tempering. Pemanasan ulang produk baja ini biasa dilakukan untuk produk yang sebelumnya di quenching. Setelah di temper, maka diharapkan produk tersebut akan lebih ulet dan liat. Struktur mikro dan sifat karakteristik baja dapat disesuaikan dengan pemilihan heat treatment yang tepat. Keterangan tambahan:
Ferit biasa dinamakan juga Besi - α Austenit dinamakan juga Besi - g Struktur mikro diatas suhu 13500C dinamakan Besi - d
HEAT TREATMENT Heat Treatment ( perlakuan panas ) adalah salah satu proses untuk mengubah struktur logam dengan jalan memanaskan specimen pada elektrik terance ( tungku ) pada temperature rekristalisasi selama periode waktu tertentu kemudian didinginkan pada media pendingin seperti udara, air, air faram, oli dan solar yang masing-masing mempunyai kerapatan pendinginan yang berbeda-beda.
Sifat-sifat logam yang terutama sifat mekanik yang sangat dipengaruhi oleh struktur mikrologam disamping posisi kimianya, contohnya suatu logam atau paduan akan mempunyai sifat mekanis yang berbeda-beda struktur mikronya diubah. Dengan adanya pemanasan atau pendinginan degnan kecepatan tertentu maka bahan-bahan logam dan paduan memperlihatkan perubahan strukturnya.
Perlakuan panas adalah proses kombinasi antara proses pemanasan aatu pendinginan dari suatu logam atau paduannya dalam keadaan padat untuk mendaratkan sifat-sifat tertentu. Untuk mendapatkan hal ini maka kecepatan pendinginan dan batas temperature sangat menetukan.
Jenis-jenis Heat Treatment
a. Quenching ( pengerasan )
Proses quenching atau pengerasan baja adalah suatu proses pemanasan logam sehingga mencapai batas austenit yang homogen. Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka audtenit perlu waktu pemanasan yang cukup. Selanjutnya secara cepat baja tersebut dicelupkan ke dalam media pendingin, tergantung pada kecepatan pendingin yang kita inginkan untuk mencapai kekerasan baja.
Pada waktu pendinginan yang cepat pada fase austenit tidak sempat berubah menjadi ferit atau perlit karena tidak ada kesempatan bagi atom-atom karbon yang telah larut dalam austenit untuk mengadakan pergerakan difusi dan bentuk sementitoleh karena itu terjadi fase lalu yang mertensit, imi berupa fase yang sangat keras dan bergantung pada keadaan karbon.
b. Anneling
Proses anneling atau melunakkan baja adalah prose pemanasan baja di atas temperature kritis ( 723 °C )selanjutnya dibiarkan bebrapa lama sampai temperature merata disusul dengan pendinginan secara perlahan-lahan sambil dijaga agar temperature bagian luar dan dalam kira-kira samahingga diperoleh struktur yang diinginkan dengan menggunakan media pendingin udara.
Tujuan proses anneling :
1.
Melunakkan material logam
2.
Menghilangkan tegangan dalam / sisa
3.
Memperbaiki butir-butir logam.
c. Normalizing
Normalizing adalah suatu proses pemanasan logam hingga mencapai fase austenit yang kemudian diinginkan secara perlahan-lahan dalam media pendingin udara. Hasil pendingin ini berupa perlit dan ferit namunhasilnya jauh lebih mulus dari anneling. Prinsip dari proses normalizing adalah untuk melunakkan logam. Namun pada baja karbon tinggi atau baja paduan tertentu dengan proses ini belum tentu memperoleh baja yang lunak. Mungkin berupa pengerasan dan ini tergantung dari kadar karbon.
d. Tempering
Proses tempering adalah pemanasan baja sampai temperature sedikit di bawah temperature kritis, kemudian didiamkan dalam tungku dan suhunya dipertahankan sampai merata selama 15 menit. Selanjutnya didinginkan dalam media pendingin. Jika kekerasan turun, maka kekuatan tarik turun pula. Dalamhal ini keuletan dan ketangguhan baja akan meningkat. Meskipun proses ini akan menghasilkan baja yang lebih lemah. Proses ini berbeda dengan anneling karena dengan proses ini belum tentu memperoleh baja yang lunak, mungkin berupa pengerasan dan ini tergantung oleh kadar karbon.
Jenis-jenis pengerasan permukaan
1. karburasi Cara ini sudah lama dikenaloleh orang sejak dulu. Dalam cara ini, besi dipanaskan baik dalan bentuk padat,
di atas suhu dalam lingkungan yang mengandung karbon,
cair ataupun gas. Beberapa bagian dari cara kaburasi yaitu kaburasi padat, kaburasi cair dan karburasi gas.
2. karbonitiding
Adalah suatu proses pengerasan permukaan dimana baja dipanaskan di atas suhu kritis di dalam lingkungan gas dan terjadi penyerapan karbon dan nitrogen. Keuntungan karbonitiding adalah kemampuan pengerasan lapisan luar meningkat bila ditambahkan nitrogen sehingga dapat diamfaatkan baja yang relative murah ketebalan lapisan yang tahan antara 0,80 sampai 0,75 mm.
3. cyaniding Adalah proses dimana terjadi absobsi karbon dan nitrogen untuk memperoleh specimen yang keras pada baja karbon rendah yang sulit dikeraskan.
4. Nitriding
adalah proses pengerasan permukaan yang dipanaskan sampai ± 510°c dalam lingkungan gas ammonia selama beberapa waktu.
Pengelompokan dan Standarisasi Baja
Pengelompokan Baja
1) Baja Karbon
Baja karbon adalah paduan besi karbon di mana unsure karbon sangat menentukan sifat-sifatnya, sedang unsur-unsur paduan lainnya yang biasa terkandung di dalamnya terjadi karena proses pembuatannya. Sifat baja karbon biasa ditentukan oleh persentase karbon dan mikrostruktur.
2) Baja Paduan
Baja paduan adalah baja yang mengandung sebuah unsur lain atau lebih dengan kadar yang berlebih daripada karbon biasanya dala m baja karbon. Menurut kadar unsur paduan, baja paduan dapat dibagi ke dalam dua golongan yaitu baja paduan rendah dan baja paduan tinggi. Baja rendah unsur paduannya di bawah 10% sedangkan baja paduan tinggi di atas 10%.
3) Baja Khusus
Baja khusus mempunyai unsur-unsur paduan yang tinggi karena pemakaian-pemakaian yang khusus. Baja khusus yaitu baja than karat, baja tahan panas, baja perkakas, baja listrik. Unsur utama dari baja tahan karat adalah Khrom sebagai unsure terpenting untuk memperoleh sifat tahan terhadap korosi. Baja tahan karat ada tiga macam menurut strukturnya yaitu baja tahan karat feritis, baja tahan karat martensitas dan austenitis. Baja tahan panas, tahan terhadap korosi. Baja ini harus tahan korosi pada suhu lingkungan lebih tinggi atau oksidasi. Baja perkakas adalah baja yang dibuat tidak berukuran besar tetapi memegang peranan dalam industri-industri. Unsure-unsur paduan dalam karbitnya diperlukan untuk memperoleh sifat-sifat tersebut dan kuat pada temperature tinggi. Baja listrik banyak dipakai dalam bidang elektronika. Standarisasi Baja 1) Amerika Serikat a) ASTM ( American Society for Testing Materials ) o Strogen Steel (H3 9M-94) o High Strength Low alloy Structure Steel (H2 42M-93a) o Low and Intermediate tensile Strength carbon silicon, steel plate for machine pane and general construction (A 284M-38) o High Steel Strength. Quenhead and Temporal alloy steel plate euatable for andirum (A 514-94m) o Structural Steel mide 290 MPa minimum Yield point (BMM) maximum o High Strongth Low alloy alambium vanadium steel of structural quality (43,72m-94a) o Structural carbon steel plate of improved longers (AS 37M-93a) o High Strength Low alloy Structural Steel 345 MPa minimum yield point 100 mm thickness (AS 88M-94a) o Normalized high Strength Low alloy Structural Steel (A633-94a) o Low carbonate hardening, nikel copped evanium monodin, corombium and nikel copper columbion allow steel (A710M-94) o Hot road stuktural steel high Strength Low alloy plate with improved in ability (A 610 M-93a) o Quenhead and tempered carbon steel plates for structural aniration (A 678-94a) b) AISI (Americal Iron and Steel Institute) and SAE (Society of Automotive Engineers) Baja menurut standarisasi AISI dan SAE merupakan spesifikasi dengan loxx digunakan untuk paduan yang sangat minimal. Contoh baja AISI, SAE 1445, ini berarti kandungan karbonnya adalah 0,4% dengan paduan uranium (0,4%-1,4%) c) Menurut UNS (United Numbering System) Baja menurut standar UNS hampir sama dengan standar AISI dan SAE, hanya saja menggunakan huruf di depan ditambah lima digit untuk jenis tambahan lainnya misalnya baja AISI,SAE A 0,70% UNS menjadi G41070 di mana awalnya G untuk baja karbon paduan rendah. 2) Jepang (JIS = Japan Industrial Standar) o Rolled Steel for general structural (G 3101-87) o Rolled Steel for walled structural (G 3106-92) o Hot Rolled Atmosphetle corrosion resisting steel (G 3128-87) o Hot Yield Strength Steel plate for walled structural (G 3128-87) o Superior atmosphere corrosion resistant steel (G 3215-87) 3) Standarisasi Jerman (DIN = Deutsche Industrie Norm.) o Steel for general structural purposes (17100-80) o Waldable tine astin steel (17102-83) 4) Standarisasi Perancis (NF) o Structural Steel (A 35-501-87) o Structural Steel Imprived atmosphere votection vistance (H 35-502-DA)
Analisa Perubahan Struktur Akibat Heat Treatment pada Logam ST, FC Dan Ni-Hard 4 Herwandi dan Asrul Hidayat Jurusan Teknik Perancangan Mekanik – Politeknik Manufaktur Timah E-mail:
[email protected]
ABSTRAK Untuk mendapatkan kualitas logam ST, FC dan Ni-Hard 4 yang sesuai dengan konstruksi mesin yang akan digunakan dapat dilakukan dengan proses heat treatment. Karena logam tersebut bila dibenahi heat treatment akan mengalami perubahan struktur yang mempengaruhi sifatnya. Sebelum dan sesudahnya proses heat treatment struktur logam diamati dengan uji metallografi, silanjutkan dengan uji kekerasan dan uji magnetic. Hasil pengujian menunjukkan bahwa logam ST 70 terdiri dari 100% martensit, kekerasannya 49 HRC dan bersifat ferromagnetik. Logam FC 30 berstruktur lamellar, susunan A, ukuran 5-6 dan perlit 100%. Sedangkan logam Ni-Hard 4 mengandung bentuk lamellar, susunan A, ukuran 5-6 dan martensit 100%. Kata kunci: ST, FC, Ni-Hard 4, heat treatment, metallografi, kekerasan, magnet.
ABSTRACT To get the quality of metal ST, FC, and Ni-Hard 4 apropriate with the machine of construction will be used through the heat treatment process, because it can change the microstructure of metal. The heat treatment process is being done after analyzed by metallography test, hardness test, and magnetic test. From the result test to got metal ST 70 containing 100 % martensite, hardness 49 HRC and ferromagnetic. The metal FC 30 containing form lamelare, structure A, measure 5-6 and pearlit 100 %. While the meta Ni-Hard 4 containing form lamelare, structure A, measure 5-6 and martensite 100 %. Keywords: ST, FC, Ni-Hard 4, heat treatment, metallography, hardness, magnetic.
PENDAHULUAN Logam ST, FC dan Ni-Hard 4 merupakan jenis baja dan besi tuang yang sering dipergunakan untuk membuat konstruksi mesin dan peralatannya. Jenis-jenis baja dan besi tuang ini mempunyai sifat-sifat dasar yang dikandungnya. Sifat-sifat dasar logam ST, FC dan Ni-Hard 4 dapat dilihat melalui proses pengujian, diantaranya adalah uji metalografi, kekerasan dan magnetik. Ketiga pengujian tersebut merupakan dasar yang harus dilakukan sebelum melakukan proses heat treatment. Tujuan dilakukannya pengujian adalah sebagai pembanding perubahan struktur dan sifat baja dan besi tuang sebelum dan sesudah heat treatment. Dalam penelitian ini, penulis mengambil bahan baja ST dan besi tuang FC yang belum diketahui jenis ST dan FC berapa, sedangkan besi tuang Ni- Hard 4 sudah jelas jenisnya. Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui perubahan struktur bahan akibat proses heat treatment pada logam tersebut. Pada makalah ini dijelaskan proses pengujian metallografi, kekerasan, dan magnetic sebelum di heat treatment dan sesudah di heat treatment, proses heat treatment, serta menganalisa pengaruh sifat struktur bahan, kekerasan dan sifat magnet dari proses yang sudah dilakukan terhadap baja dan besi tersebut. Besi Murni Besi murni adalah logam dasar untuk logam paduan yang penggunaannya sangat penting di dalam kalangan industri, sebagai contoh baja dan besi tuang. Besi dengan harga kemurnian tinggi dapat dihasilkan dari proses elektrolisa atau melalui proses anil (annealing process) dalam aliran zat air pada suhu 1000 – 1400 0 C. Besi Karbon Zat karbon adalah unsur paduan besi yang sangat penting. Dengan kandungan zat karbon yang relative masih rendah, karakter dan sifat besi dapat berubah. Bila suatu logam besi mengandung 0% - 2% unsur karbon dinamakan baja sedangkan logam besi yang mengandung lebih dari 2% karbon dinamakan besi tuang. Tanpa proses pengerjaan berikutnya seperti proses panas, baja mampu tempa rata-rata mempunyai kandungan 0% s.d 2,06% karbon. Baja dengan kandungan zat karbon sampai 0,35% praktis tidak dapat dikeraskan, kecuali unsur karbonnya ditambah dan biasanya dinamakan proses karburising. Ni - Fe Apabila diperhatikan dalam diagram fasa antara besi dan nikel, maka dapat disimpulkan bahwa nikel dapat memperluas daerah Fe-γ, yaitu mirip dengan mangan. Secara langsung bahwa titik E bergeser ke bawah, yaitu Fe-γ dapat terbentuk sampai suhu kamar. Pada sekitarr 75% Ni, melalui kecepatan pendinginan rendah terjadi transformasi dari Fe-γ menjadi Ni3Fe. Adapun garis putus-putus pada diagram yang terjadi dari suhu 400 0C adalah titik Curie, maka perlu diperhatikan bahwa austenit yang terjadi pada suhu kamar dari paduan besi nikel adalah ferromagnetis. Pada paduan dengan kandungan 6-7% Ni, melalui proses pendinginan lambat akan terjadi transformasi dari austenit ke martensit (bukan dari austenit ke ferrit). Besi Tuang Besi tuang adalah logam paduan dari besi dengan kandungan zat karbon di atas 2%. Sifatnya mampu cor yang baik dan rapuh, sehingga proses pengerjaannya hanya melalui proses pengecoran dan permesinan tidak melalui proses pengerolan. Besi tuang mempunyai kandungan di dalamnya elementer zat karbon yang dinamakan grafit. Elementer zat karbon (grafit) ini terdiri dari: • Bentuk grafit = Serpih/lamelare (I), Fitting (II), Cacing (III), Temper 1 (IV), Temper 2 (V), Nodular (VI). (lihat gambar 1) • Susunan grafit = A, B, C, D, E. (lihat gambar 2) • Ukuran grafit = 1, 2, 3, 4, 5, 6. (lihat gambar 3) Hardening Hardening dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang tinggi, kekuatan dan fatigue limit atau strength yang lebih baik. Kekerasan yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon dalam baja dan kekerasan yang terjadi akan tergantung pada temperature pemanasan (temperature autenitising), holding time dan laju pendinginan yang dilakukan, serta seberapa tebal bagian penampang yang menjadi keras banyak tergantung pada hardenability (dikutip dari jurnal natur Indonesia II, Pengaruh perbedaan waktu penahanan suhu stabil (holding time) terhadap kekerasan logam [2]. Perubahan Struktur Mikro Berakibat Terhadap Sifat Mekanis Logam
Perubahan struktur mikro dari fasa tembaga dan fasa niobium pada kawat Cu-18%Nb, dari bentuk coran sampai dengan bentuk kawat, sebagai fungsi dari tingkat deformasi kawat (єd), suhu pemanasan (T) dan waktu pemanasan (t), serta pengaruh perubahan struktur mikro tersebut terhadap kekuatan tarik (tensile strength) dan kekerasan (hardness) daripada kawat (dikutip dari jurnal ilmu pengetahuan dan teknologi, Pengamatan evolusi struktur mikro pada kawat tembaganiobium dan pengaruhnya terhadap sifat mekanis [3].
METODE PENELITIAN Persiapan Bahan Bahan logam yang digunakan berbentuk balok segi empat. Jenis bahan yang digunakan 3 buah, yaitu: ST, FC dan Ni-Hard 4. Jumlah bahan yang digunakan dalam penelitian ini masing-masing jenis bahan adalah 2 buah, 1 buah untuk penelitian sebelum di heat treatment dan 1 lagi untuk penelitian setelah di heat treatment. Persiapan Pengujian Bahan Sebelum Proses Heat treatment Persiapan pengujian metallografi sebelum menggunakan mikroskop 1. Peralatan yang digunakan diantaranya : mesin gerinda tangan, mesin gerinda meja, mesin amplas dan polishing, wadah air, pengering (drier), botol air pencuci, botol alcohol dan cawan keramik. 2. Bahan yang diperlukan : kertas amplas, air, alcohol, media polesh, dan bahan etsa. 3. Langkah persiapan benda uji a. Buat benda uji dengan ukuran cukup ideal (15 x 15 x 10 mm) b. Lakukan pengamplasan kering (no. 40) pakai wadah air untuk pendinginan benda uji c. Lakukan proses pengamplasan basah yaitu mulai amplas no. 120 s.d no. 1000. d. Setelah permukaan benda uji halus dan mengkilat tanpa goresan, bersihkan permukaan benda uji dengan air mengalir, kemudian dengan alcohol. e. Proses pengetsaan benda uji dengan mencelupkan permukaan uji ke dalam cairan etsa yang berada dalam cawan keramik selama 5 – 10 detik. Bahan etsa yang dipakai adalah: No. Bahan Etsa - Benda Uji - Keterangan Etsa 1. Nital - FC - Setengah permukaan - ST - Seluruh permukaan 2. Vilella - Ni-Hard 4 - Seluruh permukaan
Persiapan pengujian metallografi menggunakan mikroskop: 1. Peralatan yang digunakan diantaranya : microskop lengkap, plat landasan, perata, kamera foto Polaroid, kamera video dan tv, video printer. 2. Bahan yang diperlukan: malam untuk landasan, tissue, film Polaroid / kertas video printer. 3. Proses pengujian a. Siapkan benda uji, pastikan permukaan benda uji bersih dan telah dietsa. b. Letakkan benda uji di bawah lensa obyektif dari mikroskop. c. Hidupkan lampu mikroskop. d. Fokuskan pandangan sehingga struktur terlihat dengan jelas. Persiapan Pengujian kekerasan a. Pengujian Brinell Pengujian brinell ini hanya dilakukan untuk menguji bahan ST yang belum dikeraskan, menguji bahan FC yang belum dikeraskan, dan bahan Ni-Hard 4 yang belum dikeraskan. Batas uji dengan pengujian brinell ini adalah kekerasan bahan yang kurang dari 450 HB. b. Pengujian Rockwell Pengujian rockwell ini hanya dilakukan untuk menguji bahan ST dan FC yang sudah dikeraskan, dan bahan Ni-Hard 4 yang belum dikeraskan dan sudah dikeraskan. Batas uji dengan pengujian rockwell ini adalah kekerasan bahan antara 20 HRC sampai 70 HRC. Persiapan Pengujian Magnetis Persiapan pengujian magnetis ini dengan mempersiapkan magnet dan kain pembersih. Proses pengujian pertama kali yang harus dilakukan adalah membersihkan benda uji dengan kain pembersih. Setelah itu mendekatkan magnet ke benda uji, bila benda uji tertarik maka logam tersebut bersifat ferromagnetic dan bila sebaliknya maka bersifat paramagnetic. Persiapan Proses Heat treatment 1. Peralatan yang digunakan diantaranya : oven, tang penjepit, tang pemotong, sarung tangan, kawat, kaleng. 2. Bahan yang diperlukan : air (untuk ST), Oli (untuk FC), udara (untuk Ni-Hard 4) . 3. Proses heat treatment a. Oven dipanaskan sampai suhu 800 0C untuk logam ST dan FC, sedangkan logam Ni-Hard 4 dipanaskan sampai 850 0C. b. Holding time atau waktu pemanasan untuk logam ST dan logam FC sekitar 2 jam. Sedangkan untuk logam Ni-Hard 4 sekitar 8 jam.
HASIL DAN PEMBAHASAN Struktur Mikro Struktur Mikro ST Sebelum Heat Treatment Dari hasil pengujian metallografi terhadap logam ST sebelum diheat treatment diperoleh foto seperti gambar 4.
Pada gambar ditampilkan bahwa kandungan Perlit 50% dan kandungan Ferritnya 50%. Struktur perlit merupakan campuran struktur ferrit (besi α) 88% dengan sementit (Fe3C) 12%. Warna hitam pada gambar menunjukkan kandungan ferrit sedangkan warna putih menunjukkan perlit. Perbedaan warna hitam dan putih karena factor pencahayaan dari mikroskop. Struktur perlit dapat berwarna putih karena perlit mengandung sementit. Pada saat dietsa dengan cairan HNO3 (Nital) struktur ferrit mudah terkorosi dibandingkan struktur sementit (Fe3C), sehingga struktur ferrit tenggelam dan struktur sementit tetap pada posisinya jadi yang kena pencahayaan Cuma struktur sementit sehingga kelihatan putih sedangkan struktur ferrit tidak kena pencahaayaan, otomatis warna struktur ferrit jadi hitam. Struktur Mikro ST Sesudah Heat Treatment Dari hasil pengujian metallografi terhadap logam ST sesudah diheat treatment diperoleh foto seperti gambar 5.
Dalam pengamatan didapat bahwa logam ST mengalami perubahan struktur yang tadinya tempat tersebut diisi oleh perlit dan ferrit, sekarang sudah diganti oleh struktur martensit dengan kandungan 100%. Struktur martensit ini merupakan struktur logam yang berbentuk jarum pada paduan Fe-C, yang terbentuk langsung dari austenit sebagai akibat dari perubahan FCC menjadi BCT (Body Centered Tetragonal). Struktur Mikro FC Sebelum Heat Treatment Dari hasil pengujian metallografi terhadap logam FC sebelum diheat treatment diperoleh foto seperti gambar 6. Gambar bagian atas keduanya yang sudah dietsa sehingga kelihatan lebih jelas, sedangkan bagian gambar yang di bawah belum dietsa sehingga kelihatan gelap. Struktur yang diamati didapat bahwa FC tersebut memiliki bentuk lamellar, susunan A, ukuran grafit 5-6, dan 100% perlit. Struktur Mikro FC Sesudah Heat Treatment Dari hasil pengujian metallografi terhadap logam FC Sesudah diheat treatment diperoleh foto seperti gambar 7. Gambar bagian atas keduanya yang sudah dietsa sehingga kelihatan lebih jelas, sedangkan bagian gambar yang di bawah belum dietsa sehingga kelihatan gelap. Struktur yang diamati didapat bahwa FC tersebut memiliki bentuk lamellar, susunan A, ukuran grafit 5-6, dan 100 % martensit. Struktur Mikro Ni-Hard 4 sebelum Heat Treatment Dari hasil pengujian metallografi terhadap logam Ni-Hard 4 sebelum diheat treatment diperoleh foto seperti gambar 8. Herwadi, Analisa Perubahan Struktur Akibat Heat Treatment Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra http://www.petra.ac.id/~puslit/journals/dir.php?DepartmentID=MES
Struktur yang diamati dari hasil pengujian, didapatkan bahwa Ni-Hard 4 tersebut memiliki 70 % austenit dan 30 % chrom carbide. Austenit atau besi γ merupakan modifikasi besi dengan struktur pemusatan sisi (FCC). Warna hitam pada gambar menunjukkan struktur austenit sedangkan warna putih menunjukkan struktur chrom carbide. Kejelasan warna tersebut akibat permukaan logam Ni- Hard 4 sudah dietsa dengan vilella. Struktur Mikro Ni-Hard 4 Sesudah Heat Treatment Dari hasil pengujian metallografi terhadap logam Ni-Hard 4 Sesudah diheat treatment diperoleh foto seperti gambar 9. Struktur yang diamati dari hasil pengujian, didapatkan bahwa Ni-Hard 4 tersebut memiliki 70 % martensit dan 30% chrom carbide. Struktur martensit ini merupakan struktur logam yang berbentuk jarum pada paduan Fe-C, yang terbentuk langsung dari austenit sebagai akibat dari perubahan FCC menjadi BCT (Body Centered Tetragonal). Warna hitam pada gambar menunjukkan struktur martensit sedangkan warna putih menunjukkan struktur chrom carbide. Kejelasan warna tersebut akibat permukaan logam Ni-Hard 4 sudah dietsa dengan vilella. Kekerasan dan Magnetik Kekerasan dan Magnetik ST Sebelum Heat Treatment‘Hasil uji kekerasan pada logam ST didapatkan: Sistem Shore (LD) Sistem Brinell (HB) Sistem Rockwell (HRC) 540 204 Pada bahan logam ST tidak perlu dilakukan uji dengan system Rockwell karena system ini khusus untuk kekerasan yang tinggi (20 HRC – 70 HRC). Sedangkan saat dilakukan pengujian magnet terhadap logam ST ternyata dapat ditarik oleh magnet maka logam tersebut bersifat ferromagnetic. Dari data-data di atas, disimpulkan bahwa logam ST tersebut adalah jenis baja ST 70, karena dari system brinell diperoleh kekerasan 204 HB, sehingga diperoleh kekuatan patah (RM = Resistance Maximum) adalah 204 x 3,5 = 714 N/mm2. Kekerasan dan Magnetik ST Sesudah Heat Treatment Hasil uji kekerasan pada logam ST didapatkan: Sistem Shore (LD) Sistem Brinell (HB) Sistem Rockwell (HRC) 650,5 49 Pada bahan logam ST dilakukan uji dengan system Rockwell karena logam ST ini sudah melalui proses pengerasan. Logam ST yang digunakan ini sama dengan logam ST sebelum pengerasan, jadi logam ST yang digunakan dalam proses heat treatment ini termasuk baja ST. 70 dimana kekerasan yang diperoleh setelah dipanaskan ternyata mengalami peningkatan kekerasan sebesar 49 HRC. Sedangkan saat dilakukan pengujian magnet terhadap logam ST.70 ternyata dapat ditarik oleh magnet maka logam tersebut masih bersifat ferromagnetic biarpun sudah melalui proses heat treatment. Kekerasan dan Magnetik FC Sebelum Heat Treatment Hasil uji kekerasan pada logam FC didapatkan: Sistem Shore (LD) Sistem Brinell (HB) Sistem Rockwell (HRC) 575 229 Pada bahan logam FC tidak perlu dilakukan uji dengan system Rockwell karena system ini khusus untuk kekerasan yang tinggi (20 HRC – 70 HRC). Sedangkan saat dilakukan pengujian magnet terhadap logam FC ternyata dapat ditarik oleh magnet maka logam tersebut bersifat ferromagnetic. Dari data-data di atas, disimpulkan bahwa logam FC tersebut adalah jenis logam FC 30, karena dari system brinell diperoleh kekerasan 229 HB, sedangkan kekerasan FC 30 berdasarkan standar kekerasan Brinell yang sudah ada sebesar 190-240 HB. Kekerasan dan Magnetik FC Sesudah Heat Treatment Hasil uji kekerasan pada logam FC didapatkan: Sistem Shore (LD) Sistem Brinell (HB) Sistem Rockwell (HRC) 775 52 Pada bahan logam FC dilakukan uji dengan system Rockwell karena logam FC ini sudah melalui proses pengerasan. Logam FC yang digunakan ini sama dengan logam FC sebelum pengerasan, jadi logam FC yang digunakan dalam proses heat treatment ini termasuk logam FC 30 dimana kekerasan yang diperoleh setelah dipanaskan ternyata mengalami peningkatan kekerasan sebesar 52 HRC. Sedangkan saat dilakukan pengujian magnet terhadap logam FC 30 ternyata dapat ditarik oleh magnet maka logam tersebut masih bersifat ferromagnetic biarpun sudah melalui proses heat treatment. Kekerasan dan Magnetik Ni-Hard 4 Sebelum Heat Treatment Hasil uji kekerasan pada logam Ni-Hard 4 didapatkan: Sistem Shore (LD) Sistem Brinell (HB) Sistem Rockwell (HRC) 570 291 37 Pada bahan logam Ni-Hard 4 dapat dilakukan uji dengan system Brinell dan Rockwell. Sedangkan saat dilakukan pengujian magnet terhadap logam Ni-Hard 4 ternyata tidak dapat ditarik oleh magnet maka logam tersebut bersifat paramagnetic. Kekerasan dan Magnetik Ni-Hard 4 Sesudah Heat Treatment Hasil uji kekerasan pada logam Ni-Hard 4 didapatkan: Sistem Shore (LD) Sistem Brinell (HB) Sistem Rockwell (HRC) 583 44
Pada bahan logam Ni-Hard 4 dilakukan uji dengan system Rockwell karena logam Ni-Hard 4 ini sudah melalui proses pengerasan. Sedangkan saat dilakukan pengujian magnet terhadap logam Ni-Hard 4 ternyata dapat ditarik oleh magnet maka logam tersebut bersifat ferromagnetic.
KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian yang sudah dilakukan terhadap baja ST, besi tuang FC dan besi tuang Ni-Hard 4 diperoleh kesimpulan : • Baja ST yang digunakan ternyata jenis baja ST.70. Jenis material ST.70 ini dapat ditentukan dari hasil test kekerasan brinel sebesar 204 HB, sehingga bila dikalikan dengan 3,5 akan diperoleh kekuatan patah sebesar 714 N/mm2. Angka tersebut kita bulatkan menjadi 700 N/mm2 , sehingga kita simpulkan bahwa baja ST tersebut termasuk baja ST 70. Sedangkan pengamatan mikro struktur hanyalah untuk memastikan logam tersebut merupakan baja ST dan untuk melihat komposisi mikro strukturnya. • Besi tuang FC yang digunakan adalah jenis besi tuang FC 30. Hal ini diperoleh dari uji kekerasannya sebesar 229 HB, sedangkan kekerasan FC 30 berdasarkan standarnya antara 190 – 240 HB. Jadi disimpulkan dengan harga 229 HB memastikan bahwa besi tuang FC yang digunakan merupakan jenis besi tuang FC 30. • Struktur mikro dari ST.70 sebelum diheat treatment terdiri dari 50 % perlit dan 50 % ferrit, sedangkan yang sudah diheat treatment didapat 100 % martensit. Jadi dengan pemanasan 800 oC dan pendinginan yang cepat dengan media air selama 2 jam ternyata terjadi transformasi struktur dari perlit dan ferrit menjadi struktur martensit. • Kemagnetan baja ST.70 sebelum diheat treatment bersifat ferrromagnetik. Sedangkan setelah di heat treatment tetap bersifat ferrromagnetik dan kekerasanya adalah 49 HRC. • Struktur mikro dari FC 30 sebelum diheat treatment mempunyai kandungan grafit dengan bentuk lamellar, susunan A, ukuran grafit 5-6, dan 100 % perlit. sedangkan yang sudah diheat treatment mempunyai kandungan grafit dengan bentuk lamellar, susunan A, ukuran grafit 56, dan 100 % martensit. Jadi dengan pemanasan 800 0C dan pendinginan dengan media oli selama 2 jam ternyata terjadi transformasi struktur dari perlit menjadi struktur martensit. • Kemagnetan besi tuang FC 30 sebelum diheat treatment bersifat ferrromagnetik. Setelah di heat treatment tetap bersifat ferrromagnetik dan kekerasannya 52 HRC. • Struktur mikro dari Ni-Hard 4 sebelum diheat treatment mempunyai kandungan Austenit 70% dan 30 % chrom carbide. sedangkan yang sudah diheat treatment mempunyai kandungan 70 % martensit dan 30% chrom carbide. Jadi dengan pemanasan 800 0C dan pendinginan dengan media udara selama 8 jam ternyata terjadi transformasi struktur dari austenit menjadi struktur martensit. • Kekerasan dan kemagnetan besi tuang Ni-Hard 4 sebelum diheat treatment 291 HB, 37 HRC dan bersifat paramagnetik. Sedangkan setelah di heat treatment 44 HRC dan bersifat ferrromagnetik.
DAFTAR PUSTAKA 1. Soedihono, Metallographie I, II, III, Politeknik Mekanik Swiss-ITB, 1989. 2. M. Dalil, Adhy P., Ismet I., Pengaruh Perbedaan Waktu Penahanan Suhu Stabil (Holding Time) Terhadap Kekerasan Logam, Jurnal Natur Indonesia II (1): 12-17, 1999. 3. Andika Widya Pramono, Pengamatan Evolusi Struktur Mikro Pada Kawat Tembaga-Niobium Dan Pengaruhnya Terhadap Sifat Mekanis,Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi, Vol. 24 No. 0201, 2004. http://www.steelindonesia.com/article/02-heat_treatment.htm http://education.web.id/site/index.php?option=com_content&view=article&id=74:perlakuan-panas&catid=40:logam&Itemid=63 JURNAL TEKNIK MESIN Vol. 7, No. 2, Oktober 2005: 57 – 62 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Kristen Petra http://www.petra.ac.id/~puslit/journals/dir.php?DepartmentID=MES
GAMBAR
Gambar 1. Bentuk Grafit [1]
Gambar 2. Susunan Grafit [1]
Gambar 3. Ukuran Grafit [1]
Gambar 4. Logam ST sebelum di Heat Treatment
Gambar 5. Logam ST sesudah di Heat Treatment
Gambar 6. Logam FC sebelum di Heat Treatment
Gambar 7. Logam FC sesudah di Heat Treatment
Gambar 8. Logam Ni-Hard 4 sebelum di Heat Treatment
Gambar 9. Logam Ni-Hard 4 Sesudah di Heat Treatment
Perlakuan panas merupakan suatu proses untuk merubah sifat-sifat dari logam sampai suhu tertentu kemudian didinginkan dengan media pendingin tertentu pula. Baja merupakan jenis logam yang banyak mendapatkan perlakuan panas untuk megubah sifat mekanik sesuai dengan keinginan namun terlebih dahulu diketahui instalasi dari baja tersebut. Untuk mengetahui suhu yang digunakan dapat dilihatpada gambar Fe-C dan aturan kerja perlakuan panas pada baja: 1.
Setiap jenis baja mempunyai daerah suhu yang optimal untuk pencelupanyang terbentang dari suhu awal yang tinggi ke suhu akhir yang
2.
Bahan campuran baja dengan keadaan kadar karbon yang tinggi 0,3 %, beroksidasi dengan intensif oleh karenanya harus dipanaskan sampai
rendah
suhu awal. 3.
Baja karbon yang tinggi dan campuran merupakan penghantar panas yang buruk sehingga haru dipanaskan secara prlahan-lahan dan menyeluruh hingga di atas suhu klritis.
4.
Jika pemanasan dilakukan melampaui batas suhu yang diperbolehkan akan terjadi gosong pada baja dan setelah dingin akan mengalami kerapuhan. Pada perlakuan panas terdapat beberapa proses yang dikenal atau dilakukan pada pemanasan logam seperti: a. Quenching (pengerasan baja) Proses Quenching atau pengerasan baja adalah pemanasan di atas temperatur kritis (723°C) kemudian temperatur dipertahankan dalam waktu sampai suhu merata, selamjutnya dengan cepat baja tersebut didinginkan dalam suatu media pendingin sehingga diperoleh martensit yang halus. b. Annealing Proses annealing atau proses pelunakan baja merupakan proses dimana proses pemanasan samapi di atas suhu temperatur kristalnya. Selanjutnya dibiarkan sampai beberapa lama, samapai temperatur merata, disusul dengan pendinginan secara perlahan-lahan dalam tungku dan dijaga agar temperatur bagian dalma tungku dan kira-kira sama sehingga diperoleh struktur yang diinginkan. c. Normalizing Merupakan proses pemanasan logam sampai mencapai fasa austenik yang kemudian didinginkan dengan media pendingin udara. Hasil pendinginannya berupa penit atau ferit. Namun lebih halus dibandingkan annealing. d. Tempering Merupakan proses pemanasan logam (baja) yang telah dikeraskan sampai temperatur tertentu untuk mengurangi kekerasan baja, struktur martensit yang sangat keras, sehingga terlalu getas. Pada proses ini mengunakan temperatur di bawah temperatur kritis kemudian suhunya e. Hardening Merupakan proses pemanasan logam sampai atau lebih diatas temperatur kritisnya (723°C) kemudian didinginkan dengan cepat dengan media pendingin yang telah disiapkan.
Proses Transformasi a. Anil Bertujuan untuk menghasilkan tegangan sisa dan dan menghindari terjadinya retakan panas. Pada proses anil perubahan struktur mikro tidak ada b. Celup Laju pendinginan lebih cepat menghasilkan martensit yang keras (agak rapuh) karena transformasi (α+c) c. Celup Terpotong Kadang-kadang disebut martemper atau celup. Dari segi produksi baik karena laju pendinginan harus diubah agar menjadi lebih cepat, kemudian dilanjutkan dengan pendinginan lanjut agar memilik ketangguhan. d. Temper Merupakan proses pemanasan kembali suhu baja yang telah dikeraskan pada suhu kritis, disusul dengan pendinginan sehingga menghasilkan baja yang lebih lunak dengan martemper martensit. e. Austemper Merupakan proses pencelupan, dimana austenit mengalami transformasi isotermal menjadi ferit dan kabida. Untuk itu diperlukan celup untuk mencegah terbentuknya perlit pada suhu yang lebih tinggi. Keuntungan proses ini transformasi terjadi oleh pengerasan dan difusi sehingga menghasilkan defresi karbida halus dalam ferit sehingga terjadi produk
