Praktikum Struktur dan Sifat Material Kelompok 16

Praktikum Struktur dan Sifat Material Kelompok 16

Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro


BAB IV HEAT TREATMENT 4.1 PENDAHULUAN Heat treatment menjadi sangat penting karena dalam aktifitas permesinan saat ini mengingat fungsi dan tujuan dari adanya heat treatment ini sangat mendukung dari alur perkembangan logam dalam upaya meningkatkan fungsi dari masing-masing logam. Proyek pengerjaan logam tentunya memerlukan nilai kekerasan tiap-tiap logam yang akan digunakan untuk memudahkan dan meningkatkan nilai efisiensi pabrik itu sendiri. Dengan adanya heat treatment pengerjaan logam untuk pelaksanaan proses permesinan selanjutnya akan lebih mudah, dapat juga meningkatkan kekuatan dari logam yang menjadi spesimen, karena dalam proses heat treatment ini terjadi yang namanya penghilangan tegangan dalam dan meningkatkan tingkat keuletan logam yang menjadi specimen. Ada dua hal yang berkaitan langsung dengan perubahan nilai kekerasan suatu logam, yang pertama adalah menaikkan nilai kekerasan suatu benda yang disebut dengan hardening. Dan menurunkan nilai kekerasan benda itu sendiri atau yang disebut dengan softening. Heat treatment merupakan metode untuk melakukan itu semua, karena dengan metode heat treatment ini, logam yang akan diubah nilai kekerasannya diperlakukan sesuai dengan tujuannya. Logam yang diharapkan nilai kekerasan lebih besar akan diperlakukan berbeda dengan logam yang diharapkan memiliki nilai kekerasan yang rendah. 4.2 TUJUAN a. Mendapatkan sifat mekanik material yang diinginkan dengan melakukan proses Heat Treatment b. Mengetahui pengaruh perlakuan panas terhadap sifat fisik dan sifat mekanik suatu material. c. Membandingkan kekerasan suatu material yang mendapat perlakuan panas dengan yang tidak mendapat perlakuan panas. d. Untuk mengurangi kebutuhan daya pembentukan dan kebutuhan energi.



4.3 DASAR TEORI 4.3.1 Pengertian. Heat treatment adalah proses pemanasan dan pendinginan yang terkontrol terhadap logam hingga suhu tertentu sesuai dengan tujuan pemakaiannya. Tujuan dari heat treatment adalah : 1. Mempersiapkan material untuk pengolahan berikutnya. 2. Mempermudah proses machining. 3. Mengurangi kebutuhan daya pembentukan dan kebutuhan energi. 4. Memperbaiki keuletan dan kekuatan material 5. Mengeraskan logam sehingga tahan aus dan kemampuan memotong meningkat. 6. Menghilangkan tegangan dalam. 7. Memperbesar atau memperkecil ukuran butiran agar seragam. 8. Menghasilkan pemukaan yang keras disekeliling inti yang ulet. Pembentukan sifat-sifat dalam baja tergantung pada kandungan karbon, temperatur pemanasan, sistem pendinginan, serta bentuk dan ketebalan bahan. 1.

Pengaruh unsur karbon

Kekerasan baja ini tergantung dari pada jumlah karbon yang terkandung di dalam baja, dimana makin tinggi prosentase karbonnya makin keras baja. 2.

Pengaruh suhu pemanasan Baja karbon rendah dipanaskan diatas titik kritis atas (tertinggi). Seluruh

unsur karbon masuk ke dalam larutan padat dan selanjutnya didinginkan. Baja karbon tinggi biasanya dipanaskan hanya sedikit diatas titik kritis terendah (bawah). Dalam hal ini, terjadi perubahan perlit menjadi austenit. Pendinginan yang dilakukan pada suhu itu akan membentuk martensit. Juga sewaktu kandungan karbon diatas 0,83% tidak terjadi perubahan sementit bebas menjadi austenit, karena larutannya telah menjadi keras. Sehingga perlu dilakukan pemanasan pada suhu tinggi untuk mengubahnya dalam bentuk austenit. Lamanya pemanasan bergantung atas ketebalan bahan tetapi bahan harus tidak berukuran panjang karena akan menghasilkan struktur yang kasar. 3.

Pengaruh pendinginan



Jika baja didinginkan dengan kecepatan minimum yang disebut dengan kecepatan pendinginan kritis maka seluruh austenit akan berubah ke dalam bentuk martensit. Sehingga akan dihasilkan kekerasan baja yang maksimum. Adapun kecepatan pendinginan kritis adalah bergantung pada komposisi kimia baja. Untuk pendinginan yang cepat digunakan larutan garam atau soda api yang dimasukkan ke dalam air. Sementara itu, untuk pendinginan yang sangat lambat digunakan embusan udara secara cepat melalui batas lapisannya. Dari penjelasan di atas, secara umum pemanasan pada baja dapat dibuat skema transformasi dekomposisi austenit seperti pada Gambar 4.1 di bawah ini.

Gambar 4.1 Skema Transformasi Dekomposisi Austenite (Sumber : William D. Callister. Materials Science And Engineering halaman 225) Selain karbon, pada besi dan baja terkandung Si, Mn, dan unsur pengotor lain seperti P, S, dll. Unsur-unsur tersebut tidak berpengaruh besar terhadap diagram fasa seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4.2 sehingga diagram fasa dapat dipergunakan tanpa menghiraukan adanya unsur-unsur tersebut. Paduan besi karbon terdapat fasa karbida yang disebut sementit dan grafit, grafit lebih stabil daripada sementit.



Gambar 4.2 Diagram Fasa Besi-Karbida-Besi (Fe-Fe3C) Titik penting dalam diagram fasa ini adalah : A : titik cair besi A2 : titik transformasi magnetic untuk besi atau ferrit A3 : titik transfomasi besi ∂ →  ACM : Titik eutektoid selama pendinginan ferrit pada komposisi alfa dan sementit pada komposisi terbentuk simultan dari austenit. Reaksi eutektoid ini dinamakan transformasi A1 dan fasa eutektoid ini dinamakan ferrit.

Diagram tersebut bermanfaat untuk memilih suhu yang tepat untuk berbagai operasi heat treatment dan memperlihatkan pula struktur yang dapat diperoleh setelah pendinginan perlahan-lahan. Dilihat dari transformasinya, ada 3 macam baja yaitu: a.

Baja dengan titik transformasi A1, berupa ferit dibawah A1 dan austenit pada A3 atau di atas A1.

b.

Baja dengan titik transformasi A1 dibawah temperatur kamar, berupa austenit pada temperatur kamar.

c.

Baja dengan daerah austenit yang kecil, berupa ferit sampai temperatur tinggi pada daerah komposisi tertentu.



4.3.2 Jenis-jenis heat treatment Proses heat treatment dapat dikelompokkan dalam 2 (dua) kelompok besar, yaitu : 1. Hardening Hardening adalah pemanasan yang dilakukan terhadap logam (spesimen) agar pada permukaan logam terbentuk kembali austenit kemudian dilakukan pendinginan cepat untuk mendapatkan struktur logam terkeras yaitu martensit. Material besi dan baja yang akan digunakan pada suatu produksi diharapkan mempunyai kekuatan statik dan dinamik, ulet, mudah diolah, tahan korosi dan memiliki sifat elektromagnet. Sehingga diperlukan suatu perlakuan khusus pada material tersebut agar dapat memenuhi harapan tersebut, antara lain dengan proses hardening. Hardening dapat menjadi 2 ( dua ) yaitu : a. Surface hardening Suatu komponen harus mempunyai permukaan yang keras dan tahan pakai. Sifat-sifat yang berbeda dapat digabungkan dalam suatu baja dengan pengerasan permukaan yang dapat dilakukan dengan cara pemanasan seluruh komponen atau sebagian pada bagian permukaan komponen (surface hardening). Jenis hardening berdasarkan bahan yang digunakan yaitu : 1.) Dengan penambahan zat a.)

Karburasi

Karburisasi atau karbonasi adalah proses memanaskan sampai suhu 900950oC dalam lingkungan yang memberikan karbon, lalu dibiarkan beberapa waku lamanya pada suhu tersebut dan kemudian didinginkan. Tujuan dari pengerjaan panas itu ialah untuk memberi lapisan luar pada benda kerja yang dapat disepuh keras. Pengerjaan karbon ini digunakan untuk baja dengan kadar karbon dari 0.1-0.2%. Tebalnya lapisan karburasi dalam lingkungan yang dapat menghasilkan karbon tergantung dari waktu karburasi dan suhu. Hubungan antara kandungan karbon pada



material dan kekerasan material pada proses karburasi ditunjukkan dalam Gambar 4.3 di bawah ini.

Gambar 4.3 Hubungan Kandungan Karbon dan Kekerasan Material pada Karburasi

i. Karburasi dengan perantaan zat padat ( pack carburizing ) Dalam proses karburasi seperti yang terlihat pada Gambar 4.4 di bawah ini, ini baja mengalami pemanasan dengan menggunakan 80% batu bara dan 20% BaCO3 sebagai energi dalam kotak pemanas dan dipanaskan pada suhu 930°C dalam kotak pemanas elektrik dengan waktu tertentu tergantung pada kedalaman yang diinginkan. Temperatur yang tinggi pada alat tersebut membantu penyerapan karbon pada lapisan luar. Reaksi yang terjadi: (i)

Penguraian energi untuk memberikan gas CO pada permukaan baja BaCO3 → BaO + CO2 CO2 + C → 2CO

(ii)

Karbon monoksida bereaksi dengan permukaan baja 2CO + Fe → Fe(c) + CO2

(iii) Karbon berdifusi ke dalam baja



(iv) CO2 yang terbentuk dalam tahap (i) bereaksi dengan ‘C’ pada batubara CO2 + C↔ 2CO

Gambar 4.4 Proses Pack Carburizing (Sumber: www.info.lu.farmingdale.edu ) Pada umumnya waktu karburisasi bervariasi antara 6 sampai 8 jam dan kedalamannya antara 1-2 mm. Pada proses ini hasilnya bergantung pada kualitas batu bara. Pada proses ini kontrol suhu dan kedalaman lebih kecil daripada karburisasi cair dan gas.

Gambar 4.5 Penyusunan Benda pada Pelaksanaan Karburising Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa dalam proses karburasi, jarak antara benda kerja yang akan dikarburasi minimal sejauh 30 cm.



Kelebihan sistem karburasi ini adalah diperlukan biaya yang kecil dan sangat mudah dari pada teknik surface hardening yang lain. Sedangkan kekurangannya adalah memakan waktu yang cukup lama dan merupakan proses hardening yang kotor. ii. Karburasi dengan perantaraan zat cair (liquid carburizing) Karburisasi jenis ini menggunakan lelehan sianida (CN) pada

baja

berkarbon

rendah

yang

dipanaskan

dengan

menggunakan belanga pemanas yang dipanaskan dengan minyak atau gas. Suhunya kira-kira 815-900°C. Proses yang dilakukan dengan kontinue dan otomatis akan memberikan hasil akhir yang baik. Permukaan lelehan ditutup dengan grafit atau batu bara untuk mengurangi hilangnya radiasi dan dekomposisi sianida yang berlebihan. Selain sodium dan potassium sianida, lelehan yang digunakan juga mengandung sodium dan potassium klorida dan barium klorida yang berperan sebagai aktivator. Reaksi pada larutan garam sianida; BaCl2 + 2Na CN → Ba(CN)2 + 2NaCl Ba(CN)2 + Fe → Fe(c) + BaCN2 Difusi nitrogen berguna untuk oksidasi sianida (CN) menjadi CNO. Kelebihan karburisasi cair, jangka waktu pemanasannya pendek dan perambatan panasnya cepat. Proses ini menghasilkan lapisan karburisasi yang merata, tipis dan jernih (ketebalannya 0,08mm). Kekurangannya, proses ini memerlukan pengawasan dan kehati-hatian untuk mencegah peledakan. iii. Karburasi dengan perantaraan zat gas (gas carburizing). Metode ini adalah karburisasi yang paling sering digunakan. Proses ini dilakukan pada tabung kimia, pendingin tertutup, atau tungku pemanas dengan pendororng kontinyu. Suhu gas untuk karburisasi sekitar 870-950 °C. Gas tersebut dihasilkan



dari cairan (metanol, isopropanol) atau gas hidrokarbon (propana dan metana) seperti yang terlihat pada Gambar 4.6 di bawah ini.

Gambar 4.6 Proses Gas Carburizing ( Sumber : www.rpdrc.com ) Generator gas endotermik digunakan untuk menghasilkan gas endotermik. Senyawa propana atau metana akan terpecah oleh udara pada tabung kimia pada generator endogas untuk membentuk gas penghubung, dimana titik pengembunannya diatur pada +4°C dengan rasio gas yang tepat. Gas tersebut merupakan gas penghantar dalam proses ini. Tungku pemanas dipenuhi oleh gas tersebut sampai bertahan pada tekanan positif. Keadaan ini akan mencegah infiltrasi udara dari atmosfer. Gas ini juga mencegah oksidasi baja selama pemanasan. Selama karburisasi gas, reaksi yang berlangsung adalah; (i)

C3H8 → 2CH4 + C (pemecahan hidrokarbon)

(ii)

CH4 + Fe → Fe(c) +2H2

(iii) CH4 + CO2 → 2CO +2H2 (iv) 2CO + Fe → Fe(c) + CO2 Karburisasi terjadi sebagian besar meliputi konversi CO menjadi CO2 pada reaksi (iv). Hidrogen bereaksi dengan CO2 dan meningkatkan konsentrasi CO dengan reaksi: Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro


H2 + CO2 → CO + H2O Oksigen (O2) dihasilkan dari reaksi; 2CO → 2CO + O2 2CO + Fe → Fe(c) + O2 Gas digunakan sebagai bahan perantara yang sesuai untuk karburasi

yang

dilakukan

terus

menerus.

Hal

itu

akan

menghasilkan suatu lapisan yang tebalnya sekitar 1 mm dan memerlukan waktu sekitar 4 jam. Selama karburasi, peralatan dimasukkan ke dalam dapur pemanas yang dipanaskan dengan gas karbon yang sesuai. Kandungan karbon di dalam lapisan komponen dapat dikontrol dengan mengatur komposisi gas untuk karbonasi. Pelaksanaan karbonasi yang memerluakan waktu lama akan menyebabkan terjadi pertumbuahan butir-butir baru, kecuali kalau baja disepuh dengan perantaraan nikel. Peralatan yang dikarbonasi dengan perantaraan perlakuan panas dan menghasilkan butiran-butiran adalah suatu baja yang akan mempunyai lapisan sekitar 0.83% karbon dan intinya sekitar 0.15% karbon. Secara berangsur-angsur butiran akan berpindah dari lapisan luar ke arah inti sekitar 0.5 mm. Suhu perlakuan panas untuk inti akan lebih tinggi daripada suhu untuk lapisan, sehingga pengerjaan lapisan pada inti dilakukan secara terpisah. Kelebihan dari gas carburizing yaitu lebih cepat dibandingkan pack carburizing, hanya membutuhkan sedikit tenaga kerja dan penanganan, dan lebih praktis daripada pack carburizing untuk jumlah yang banyak. Kekurangan, alat dan bahan yang digunakan dalam proses ini lebih mahal. b.) Karbonitriding Karbonitriding adalah proses hardening yang merupakan kombinasi dari gas carburizing dan nitriding seperti yang terlihat pada



Gambar 4.7 di bawah ini. Karbonitriding disebut juga sianida kering atau nikarbing, yang adalah suatu proses pengerasan permukaan dimana baja dipanaskan diatas suhu kritis didalam lingkungan gas dan terjadi penyerapan karbon dan nitrogen. Dapat digunakan gas amonia atau gas yang kaya akan karbon. Amonia dan gas alami dialirkan mengenai material, material yang dihasilkan adalah kombinasi antara besi karbida (dari karbon) dan besi nitrida (dari nitrogen). Lapisan ini tahan aus dan mempunyai ketebalan antara 0,08 sampai 0,75 mm. Keuntungan karbonitriding adalah bahwa kemampuan pengerasan lapisan luar meningkat bila ditambahkan nitrogen sehingga dapat dimanfaatkan baja yang relatif murah.

Gambar 4.7 Proses Karbonitriding (Sumber: www.rpdrc.com ) Kelebihan karbonitriding, karena dengan adanya nitrogen maka struktur austenit berubah. Perubahan ini menyebabkan penurunan temperatur dan pendinginan yang lambat. Kekurangannya, prosesnya memakan waktu yang lama dibandingkan karburasi. Gambar 4.8 di bawah ini merupakan contoh material yang telah mengalami proses karbonitriding. Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro


Gambar 4.8 Hasil Karbonitriding

c.)

Cyaniding Cyaniding merupakan proses untuk mengeraskan permukaan

baja dengan penambahan nitrogen dan karbon. Benda yang dikeraskan dicelupkan ke dalam cairan yang mengandung garam natrium sianida (NaCN) pada suhu sedikit di atas daerah austenit (800-960°C), dengan konsentrasi bervariasi antara 25% dan 90%. Sejumlah udara dimasukkan ke dalamnya sehingga NaCN berreaksi dengan oksigen di udara dan beroksidasi, reaksinya adalah 2NaCN + O2 → 2NaNCO 4NaNCO + O2 → Na2CO3 + 2NaCN + CO + 2N 2CO → CO2 + C Dari reaksi diatas sodium cyanide (NaCN) dibakar, menghasilkan sodium cyanate (NaNCO). Sodium cyanate dinaikkan konsentrasinya dan terurai yang dalam uraiannya menghasilkan karbon monoksida (CO). Karbon monoksida tersebut berperan dalam proses pengerasan baja. Semakin tinggi suhu sianida yang diberikan, semakin besar persentase karbon yang berdifusi (sampai dengan 0,8-1,2%) ke dalam permukaan baja bereaksi dengan nitrogen (0,2-0,3%). Kemudian material didinginkan dengan air atau oli. Setelah proses ini akan



dihasilkan kekerasan permukaan sekitar 850 VHN. Proses ini tidak memakan banyak waktu. Cyaniding terutama diterapkan untuk heat treatment bagian-bagian yang kecil. Kelebihannya yaitu biaya yang dihabiskan tidak mahal karena baja karbon biasa dapat digunakan. Kekurangannya adalah proses ini sangat berbahaya karena garam sianida sangat beracun dan fatal jika terhirup. d.)

Nitriding Nitriding didefinisikan sebagai suatu proses pengerasan

permukaan dengan senyawa nitrat. Dalam hal ini baja paduan spesial dipanaskan untuk waktu yang lama dalam suatu atmosfer dari gas nitrogen. Hasil dari pengerjaan nitrid adalah menghasilkan suatu permukaan yang keras. Supaya dihasilkan permukaan yang keras dengan cara dengan cara ini maka digunakan suatu baja paduan yang mengandung sedikit unsur kromium dan alumunium sesuai dengan kekerasan yang akan dihasilkan. Apabila baja karbon biasa yang digunakan dalam proses ini maka proses nitrid akan membentuk seluruh struktur dengan pengaruh yang kecil atas sifat-sifatnya. Kandungan karbon pada baja yang dinitrid adalah sekitar 0.2-0.5% sesuai dengan sifat-sifat inti yang diperlukan. Dan baja tersebut akan bereaksi secara langsung terhadap pengerjaan pengerasan. Peralatan yang dinitrid diberi pengerjaan panas selama tingkat awal daripada pengerjaan mesin, untuk memperbaiki kekuatan intinya. Pengerjaan

ini

terdiri

dari

proses

pengerasan

dengan

pendinginan tiba-tiba dalam minyak. Selanjutnya, diikuti dengan penyepuhan pada suhu sekitar 550-750oC yang tersinggung atas komposisi dan sifat-sifat baja yang diperlukan seperti yang tergambar pada Gambar 4.9 di bawah ini



. Gambar 4.9 Proses Nitriding (Sumber: www.rpdrc.com)

Gambar 4.10 Dapur Nitriding Gambar 4.10 di atas menggambarkan seperi apa tempat yang dipakai dalam proses nitriding beserta alur kerjanya.

2.) Tanpa Penambahan zat a.

Flame hardening Proses ini disebut juga proses pengerasan dalam waktu yang

singkat. Baja dengan kandungan karbon yang sesuai tingginya



dipanaskan sampai suhu pengerasan dengan busur nyala gas esitelen. Dan seterusnya didinginkan secara cepat untuk memperoleh permukaan yang keras.

Gambar 4.11 Flame Hardening Dari Gambar 4.11 di atas diperlihatkan 2 metode yang berbeda dalam proses flame hardening yaitu Progresive Flame Hardening (gbr.atas) dan Progresive Spin Hardening (gbr.bawah). Namun masih ada satu metode lagi yaitu Spot Flame Hardening. Dasar pengerasan nyala adalah sama dengan pengerasan induksi yaitu pemanasan yang cepat disusul dengan pencelupan permukaan tebal lapisan yang mengeras tergantung pada kemampuan pengerasan bahan, karena selama proses pengerasan tidak ada penambahan unsur-unsur lainnya. Pemanasan di lakukan dengan nyala oksiasitelin yang dibiarkan memanasi logam sampai suhu kritis. Pada alat dipasangkan juga aliran pendingin sehingga setelah suhu yang diinginkan tercapai permukaan langsung disemprot dengan air. Bila dikendalikan dengan baik, bagianbagian dalam tidak terpengaruh. Tebal lapisan yang keras tergantung pada waktu pemanasan dan suhu nyala. Pada proses ini diterapkan berbagai cara:



(1.)

Pengerasan stasioner: baik nyala maupun benda yang akan

dikeraskan keduanya berada dalam keadaan diam, pengerasan bersifat setempat. (2.) Pengerasan progresif: nyala bergerak menuju ke benda yang diam. Metode ini berguna untuk mengeraskan bagian yang luas, contohnya gigi dari roda gigi yang besar. (3). Pengerasan spinning: Nyala tetap diam sedangkan benda berotasi Metode ini digunakan untuk pengerasan bagian melingkar. (4).Pengerasan progresif-spinning: Nyala bergerak pada benda yang berputar. Metode ini digunakan untuk mengeraskan permukaan benda melingkar, contohnya rolling.

b.

Pengerasan induksi ( induction hardening ) Pengerasan induksi termasuk suatu cara pengerasan permukaan.

Komponen yang akan dikeraskan ditempatkan di dalam suatu gulungan (koil) induktor dan kemudian dimasukkan arus listrik frekuensi tinggi. Dapur yang digunakan hampir sama dengan dapur untuk menghasilkan baja paduan. Tetapi dapur ini dilengkapi dengan suatu silinder air berlubang yang bersatu dengan kumparan yang berfungsi sebagai unit pendingin. Permukaan komponen yang akan dikeraskan, dipanaskan mencapai suhu pengerasan yang berlangsung sangat cepat. Selanjutnya, didinginkan dengan cepat sewaktu komponen masih tetap di dalam kumparan. Pengerasan lapisan yang tebalnya mencapai 3 mm dilakukan dengan pengerjaan setempat (lokal). Hal itu ditunjukkan seperti pada Gambar 4.12 di bawah ini.



Gambar 4.12 Induction Hardening Proses pengerasan induksi lebih sesuai untuk baja dengan kandungan karbon sekitar 0.45%. Dalam cara ini suhu yang dihasilkan dapat dikontrol dengan pengaturan kunparannya, yaitu dengan mengatur jarak antara kumparan dengan permukaan komponen yang dikeraskan. Aplikasi proses induction hardening akhir-akhir ini melalui penggunaan arus induksi dalam industri mengalami kemajuan pesat, termasuk penggunaan arus listrik untuk pencairan logam, pengerasan, dan perlakuan panas lainnya. Seperti pemanasan permukaan untuk penempaan, pemanasan untuk sinter, brazing dan perlakuan jenis. Arus bolak-balik berfrekuensi tinggi berasal dari konverter merkuri, osilator spark atau osilator tabung. Frekuensi pada umumnya tidak melebihi 500.000 Hz. Untuk benda yang tipis digunakan frekuensi yang tinggi, sedangkan untuk benda yang tebal digunakan frekuensi yang rendah. Pemanasan induksi memberikan hasil yang cukup baik pada pengerasan permukaan kurkas dan yang harus tahan aus. Berbeda dengan pengerasan permukaan biasa, disini susunan kimia baja tidak berubah karena pemanasan berlangsung sangat cepat dan pencelupan permukaan tidak berpengaruh pada bagian dalamnya. Pengerasan yang diperoleh



melalui pengerasan induksi sama dengan pemanasan biasa dan tergantung pada kadar karbon. c. Laser and Electron Beam Hardening Metoda ini dapat digunakan untuk melaksanakan proses selektif hardening dari baja yang keras. Proses ini melaksanakan fungsi yang sama sebagai nyala api pada proses pengerasan atau sebagai kumparan induksi pada proses pengerasan dengan induksi. Proses ini hanya dapat diaplikasikan untuk baja yang mempunyai karbon cukup dan komposisi campuran logam dapat membuat proses pembekuan dapat berjalan maksimal. Laser atau gudang elektron digunakan untuk menaikkan temperatur permukaan material. Berkas elektron yang mengeraskan material memerlukan ruang hampa. Laser ( berkas cahaya) tidak memerlukan ruang hampa dan proses hardening dapat dilakukan dengan penggunaan suatu gas. Ukuran noda berkas elektron adalah sekitar 0.010 sampai 0.015 inchi

persegi. Laser dapat lebih besar tetapi pada

umumnya tidak ada yang lebih besar dari sekitar 0.150 inchi persegi. Kedua metode tersebut mempunyai kerugian yaitu: ( 1 ) Peralatan yang digunakan cukup mahal ( 2 ) Proses ini tidak dapat diterapkan pada campuran logam tinggi . Proses ini hanya terbatas pada baja karbon sederhana dan kualitas hasilnya masih belum bagus.

http://www.sdsc.edu/tmf/Vis98Notes/SffForSciVis.html

Gambar 4.13 Laser and Electron Beam Hardening



b. Quenching Quenching adalah proses pendinginan setelah mengalami pemanasan. Media quenching dapat berupa oli, air, air garam, udara dan lain-lain sesuai dengan material yang diquenching. Dalam urutan menurun, kapasitas pendinginan dari beberapa media pendingin adalah : air garam 5; air suling 1; minyak suling 0,3; gas dingin 0,1; dan udara suling 0,02. Pengadukan juga merupakan faktor yang penting pada tingkat pendinginan. Semakin baik pengadukan, makin tinggi tingkat pendinginannya. Media pendingin disimbolkan dengan huruf, seperti W untuk pengerasan air, O untuk pengerasan oleh minyak, dan A untuk pengerasan oleh udara. Tingkat pendinginan juga tergantung dari permukaan luas dan ketebalan, serta luas dan volume dari bagian itu. Makin tinggi rasionya, makin besar tingkat pendinginannya. Contohnya, plat tebal lebih lambat menjadi dingin daripada plat tipis dengan luas yang sama. Pertimbangan ini juga sangat penting pada pendinginan logam dan plastik pada proses pengecoran dan pencetakan.

Gambar 4.14. Diagram Quencing Tiga tahap pendinginan, yaitu: a. Vapor-blanket Cooling stage Tahap pertama, suhu logam sangat tinggi sehingga medium quenching menguap pada permukaan logam.

b. Vapor-transport Cooling Stage Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro


Proses ini dimulai ketika logam didinginkan pada suhu uap air dan suhu film tidak stabil. Permukaan logam basah oleh medium quenching dan titik didih yang tinggi.Tahapan ini merupakan proses pendinginan yang paling cepat. c. Liquid Cooling Stage Proses ini dimulai ketika suhu permukaan logam mencapai titik didih. Tahapan ini merupakan proses yang paling lambat.

Gambar 4.15 Diagram Proses Quenching Baja Diameter 1/2 inchi Dengan Berbagai Media Quenching

Gambar 4.15 yang merupakan Diagram Quenching memuat berbagai macam media pada pusat dari baja berdiameter ½ inchi. Pada sisi kiri kurva adalah campuran brine 10 % pada 75° F. Dilanjutkan dengan tap water pada suhu 75° F, gulf super-quench pada 125° F, fused salt pada 400° F, slow oil pada 125° F dan yang terakhir still air pada 82° F. Beberapa macam media quenching, yaitu : a. Quenching media brine ( air + 10 % sodium klorida ) Dari kurva diatas dapat dilihat bahwa media brine memiliki tahap penguapan sangat pendek yang bertahan sekitar 1 detik dan kemudian menurun dengan cepat menjadi tahap mendidih dimana tingkat pendiginannya sangat cepat. Dan akhirnya menuju pada tahapan yang ketiga pada sekitar 10 detik.

Pada

umumnya media yang digunakan mengandung 5 - 10 % garam (sodium klorida) dalam air.



Gambar 4.16 Quenching Media Brine (Sumber: www.monroeccce.du)

b.

Quenching media tap water (air kran)

Dari Gambar setelah kurva media brine terdapat kurva media air kran pada suhu 75° F yang memiliki tahap penguapan sedikit lebih panjang daripada brine. Kurva ini kemudian turun pada tahap mendidih setelah kira-kira 3 detik. Tingkat pendinginan sedikit agak cepat, namun tidak secepat tingkat pendinginan media brine. Tahap ketiga dicapai setelah 15 detik.

Gambar 4.17 Quenching dengan Media Air

c. Quenching media fused / liquid salt



Pada quenching dengan media fused salt biasanya digunakan garam (salt) anorganik bertitik lebur rendah yang harus dipanaskan hingga menjadi cair. Dalam kasus ini cairan garam ini bersuhu 400° F. Perhatikan bahwa fused salt mempunyai tahap penguapan yang sangat pendek, hampir sama dengan brine. Namun, tingkat pendinginan selama tahap mendidih tidak terlalu cepat seperti pada brine atau tap water. Dan media ini mencapai tahap ketiga pada waktu 10 detik. d. Quenching media campuran oli dan larutan air (gulf super-quench oil) Kurva berikutnya berhubungan dengan gulf super-quench oil pada suhu 125° F. Media ini memiliki tahap penguapan yang relatif panjang, dan memasuki tahap mendidih setelah 7 detik, tahap ketiga gulf super-quech oil dicapai setelah 15 detik .

Gambar 4.18 Quenching media campuran oli dan larutan air (Sumber: www.beautifuliron.com)

e. Quenching media oil (oli) Pada kurva media oli juga memiliki tahap penguapan yang relatif panjang pada suhu 125° F, hanya saja media oli ini mencapai tahap mendidih setelah 13 detik, dan tahap ketiganya dicapai setelah sekitar 22 detik.



Gambar 4.19 Quenching dengan Media Oli (Sumber: www.coutelcutlery.com)

f. Quenching media udara Dari media-media qunching diatas media yang paling cepat mendinginkan menghasilkan kekerasan material yang paling tinggi. Meskipun dalam pemilihan media quenching tetap harus memperhatikan kadar karbon dalam material. Material yang panas ditempatkan pada screen, kemudian udara dingin dengan kecepatan tinggi dihasilkan, dialirkan dari bawah melalui screen dan material panas seperti pada Gambar 4.20.

Gambar 4.20 Quenching media udara



Dari proses quenching juga dapat dihasilkan diagram TTT (time, temperature, transformation), seperti pada gambar 4.21 dan 4.22 di bawah ini:

Gambar 4.21 Diagram TTT Proses Quenching (Sumber: www.rpdrc.com )

Gambar 4.22 Kurva Quenching Dengan Berbagai Media (Sumber: www.rpdrc.com ) 2. SOFTENING a.


Annealing


Annealing didefenisikan sebagai pemanasan pada suhu yang sesuai, diikuti dengan pendinginan pada kecepatan yang sesuai. yang bertujuan : -

Menghilangkan tegangan sisa

-

Meningkatkan kehalusan, kerapuhan, dan kekasaran

-

Menghasilkan mikrostruktur spesifik

Gambar 4.23 Diagram Annealling (Sumber: www.rpdrc.com ) Dari Gambar 4.23 di atas dapat kita lihat bahwa dalam proses Annealing terdapat berbagai macam proses disesuaikan dengan kandungan karbon yang terdapat pada material dan temperature proses. Tahapan-tahapan perubahan material dapat kita lihat dari diagram fasanya seperti yang terlihat pada Gambar 4.24 di bawah ini.



Gambar 4.24 Diagram Tahap Annealing ( Sumber : www.info.lu.farmingdale.edu ) Sifat-sifat baja yang didefinisikan di atas dapat diartikan bahwa baja harus dipanaskan melalui suhu pengkristalan kembali untuk membebaskan tegangan-tegangan dalam baja. Kemudian mempertahankan pemanasannya pada suhu tinggi untuk membuat sedikit pertumbuhan butir-butiran dan suatu struktur lapisan austenit. Dan seterusnya didinginkan secara perlahan-lahan untuk membuat suatu struktur lapisan perlit, mengindikasi kelunakan, dan memperbaiki sifat-sifat pengerjaan dingin. Jenis-jenis annealing: 1.)

Annealing sempurna (Full

Anneling ) Proses ini dapat diartikan sebagai pemanasan yang dipertahankan pada beberapa suhu di atas temperatur Ac3 kemudian menahannya pada temperatur tersebut selama beberapa waktu (1 jam tiap ketebalan per inchi) kemudian didinginkan bersamaan dengan dinginnya tungku. Hal itu dilakukan sampai struktur austenit secara komplet berubah menjadi struktur perlit dan terakhir didinginkan secara bebas. Agar diperoleh suatu logam yang bersifat lunak maka suatu bahan perlu didinginkan secara perlahan-lahan. Contohnya yaitu perubahan austenit menjadi perlit.



Pendinginan tersebut melalui suhu kritis terendah yang sesuai sampai pemanasan baja mencapai perendaman cairan garam (biasanya sekitar 650o C). Selanjutnya baja dikeluarkan dari dalam rendaman air garam dan didinginkan secara bebas di udara. (William D. Callister. Materials Science And Engineering. Halaman 226) Siklus Annealing sempurna dapat kita lihat seperti yang terlihat pada gambar 4.25 dibawah ini.

Gambar 4.25 Siklus Annealing Sempurna 2.) Spherodizing Merupakan proses annealing yang digunakan untuk baja karbon tinggi contohnya bantalan peluru. Tujuan dilakukan spherodizing adalah meningkatkan ketangguhan baja rapuh. Langkah spherodizing adalah memanaskan bahan hingga temperatur tepat di bawah garis ferrite-austenit (garis

di

bawah

garis

austenit-sementit).

Metode

spherodizing

menghasilkan struktur sementit yang berbentuk bulat bola (spheroids) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.26 di bawah ini.



Gambar 4.26 Struktur mikro Spheroidizoid Dalam proses ini baja dipanaskan pada suhu sekitar 650o C. Suhu ini cukup tinggi untuk membuat pengkristalan kembali dan struktur yang seragam. Baja setelah dipanaskan didinginkan secara bebas di dalam udara. Apabila proses ini digunakan untuk jenis baja karbon tinggi akan menyebabkan sementit diperkirakan berbentuk bulat.Sehingga baja itu mudah untuk dibentuk dan dikerjakan mesin perkakas. Sewaktu baja dikerjakan dengan proses annealing dengan cara dipanaskan pada suhu tinggi dalam periode yang cukup lama, berlangsung proses oksidasi. Hal tersebut menyebabkan terjadi pengelupasan pada bagian lapisan luar. Struktur

ini

meningkatkan

kemampuan

mekanis

dalam

proses

pemotongan. Spherodizing juga meningkatkan ketahanan terhadap goresan. Struktur yang terbentuk adalah spherodite seperti pada gambar 4.26 diatas. 3.) Stress Relief Anneling Tegangan sisa dapat meningkat dalam potongan logam sebagai respon dari: a.) Proses plastik deformasi seperti machining (permesinan) dan grinding (penggerindaan). b.) Pendinginan yang tidak seragam pada potongan logam. c.) Suatu fase transformasi yang disebabkan oleh pendinginan sehingga fase produk memiliki kerapatan yang berbeda. Bila tegangan sisa tersebut tidak dihilangkan maka dapat mengakibatkan gangguan atau distorsi. Cara untuk menghilangkan



tegangan sisa tersebut adalah dengan melakukan proses stress relief anneling, karena proses ini tidak mengurangi kekuatan material secara signifikan. Proses ini digunakan pada situasi dimana pengawasan dimensional secara ketat diperlukan dalam proses pengelasan, dalam proses penempaan, proses pengecoran dan lain-lain. 4.) Soft Anneling Merupakan proses pelunakan dengan menggunakan proses pengerasan regangan yang dilakukan dengan prosedur pemanasan yang wajar. Ditinjau dari segi produksi, proses ini lebih cepat dibandingkan dengan paduan dan makin besar deformasi maka makin cepat proses ini berlangsung. Pemanasan dilakukan pada suhu 15o F. Tujuan dari soft annealing adalah untuk menghilangkan tegangan akibat regangan akibat dari proses penarikan. 5.) Anil Dilakukan pada material gelas untuk menghilangkan tegangantegangan sisa dan menghindarkan terjadinya retakan panas (benda mula dan benda akhir tidak berubah kekerasannya). Prosedur pelaksanaannya berubah dengan komposisi gelas karena suhu pemanasan harus mendekati suhu transisi gelas agar memungkinkan penurunan tegangan tanpa melampaui titik regangan dimana viskositas = 10 13,5 Pa. Pendinginan yang lambat ini mencegah terjadinya tegangan termal baru. Dibawah suhu titik regangan dimana ada peningkatan viskositas sebanyak 30 kali, pendinginan dapat berlangsung dengan cepat karena tidak mungkin terjadi tegangan sisa yang baru. Pada proses ini tidak ada perubahan struktur mikro. Grafik annealing berdasarkan suhu dapat kita lihat seperti pada Gambar 4.27 di bawah ini.



Gambar 4.27 Klasifikasi annealing berdasarkan suhu pada annealing Untuk full annealing, baja dipanaskan di atas suhu kritis(A3) maksimum dan kemudian didinginkan secara lambat. Untuk

partial

annealing, baja dipanaskan diantara suhu kritis maksimum (A3 or Acm) dan suhu kritis minimum (A1). Sedangkan pada subcritial annealing, baja dipanaskan di bawah suhu kritis (A1), dapat dilihat pada Gambar 4.24 di atas. b.

Normalizing Proses ini seperti yang terlihat dari pada Gambar 4.28, dapat

diartikan sebagai pemanasan dan mempertahankan pemanasan pada suhu yang sesuai diatas batas perubahan, diikuti pendinginan secara bebas di dalam udara luar supaya terjadi perubahan ukuran butir-butiran. Pendinginan yang bebas akan menghasilkan struktur yang lebih halus daripada struktur yang dihasilkan dengan annealing. Pengerjaan mesin juga akan menghasilkan permukaan pengerjaan yang lebih baik.



Gambar 4.28 Proses Normalizing (Sumber: www.rpdrc.com ) Hal tersebut membuat struktur lebih seragam dan juga untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik baja tersebut. Pada proses ini baja dipanaskan untuk membentuk struktur austenit, direndam dalam keadaan panas dan seterusnya didinginkan secara bebas di udara c.

Tempering Baja biasanya dipanaskan kembali pada suhu kritis terendah setelah

dilakukan pengerasan untuk memperbaiki kekuatan dan kekenyalannya. Akan tetapi hal itu mengurangi daya regang dan kekerasannya, sehingga membuat baja lebih sesuai untuk kebutuhan untuk membuat peralatan. Proses pemanasan kembali disebut penyepuhan. Proses tersebut menyebabkan martensit berubah menjadi troostit dan sorbit sesuai dengan suhu penyepuhannya. Troostit dan sorbit tersebar halus dalam bentuk karbid pada lapisan ferrit. Bentuk strukturnya tidak seperti austenit tetapi berlapis-lapis. Suhu penyepuhan tergantung pada sifat-sifat baja yang diperlukan, biasanya sekitar 180oC-650oC, dan lamanya pemanasan bergantung pada tebalnya bahan. Pemanasan biasanya dilakukan di dalam dapur sirkulasi udara dan seterusnya direndam dalam minyak atau timbal (timah hitam). Dengan demikian, suhu pemanasanya dapat dikontrol secara tepat. Alat-alat



biasanya disepuh pada suhu rendah. Penetapan suhu dengan cara melihat warna pada selaput oksida yang dihasilkan dengan pemanasan. 1.) Austemper Proses pencelupan tertunda seperti Gambar 4.29 di bawah ini disebut austemper. Austenit mengalami transformasi isotermal dan berubah menjadi bainite yang keras. Benda atau bagian harus dicelup dengan cepat sampai mencapai suhu yang tepat, tanpa memotong ujung kurva transformasi. Baja dibiarkan diatas garis Ms akan tetapi dibawah 430oC ( diquench dengan air garam ). Bila dibiarkan cukup lama akan diperoleh struktur bainite. Dibawah mikroskop struktur bainite mirip dengan martensite, akan tetapi bainite lebih ulet dibandingkan dengan martensite temper. Proses ini diterapkan untuk benda yang kecil dengan kemampuan kekerasan yang baik.

Gambar 4.29 Diagram Austemper

Keuntungan austemper yaitu untuk meningkatkan keuletan dan daya tahan impack dari beberapa baja dan mengurangi distorsi dari material yang diquenching. Sedang kekurangannya yaitu membutuhkan air garam khusus dan proses ini hanya dapat digunakan pada baja tertentu.



2.) Martemper Tujuan utama martemper adalah untuk menekan distorsi, terjadinya retak atau timbulnya tegangan dalam akibat pencelupan dalam minyak atau air. Struktur yang terjadi sama dengan martensit temper dan biasanya disusul temper lagi. Dari Gambar 4.30 di bawah ini dapat kita lihat proses Martemper. Baja didinginkan dengan cepat dari daerah austenite sampai suhu diatas garis Ms. Baja dibiarkan cukup lama sehingga suhu merata, artinya bagian dalam dan luar telah mencapai suhu yang sama. Setelah itu baja biasanya didinginkan diudara sampai mencapai suhu ruang dan terbentuklah martensite. Baja dipanaskan kembali; suhu tergantung pada kadar karbon dan pada unsur paduan, untuk baja karbon dengan C sama dengan 0,4 %, suhu adalah 370oC.

Gambar 4.30 Diagram Martemper Beberapa macam proses tempering 1. Tempering suhu rendah (150°C - 500° C) Untuk mengurangi tegangan kerut dan kerapuhan dari baja. Digunakan untuk alat kerja yang tak mengalami beban berat. 2. Tempering suhu menengah (300°C - 500°C) Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro


Untuk menambah keuletan dan kekerasan sedikit berkurang. Digunakan untuk alat kerja yang mengalami beban berat 3. Tempering suhu tinggi (500°C - 650°C) Untuk memberikan keuletan yang besar tetapi kekerasannya rendah. Digunakan untuk roda gigi, poros, batang penggerak, dan lain-lain

Gambar 4.31 Grafik Tempering



Gambar 4.32 proses pada tempering

Penjelasan untuk gambar 4. 32 dapat dilihat pada tabel berikut ini. Tabel 4.1 Proses tarnsformasi untuk baja Proses

Tujuan

Anil

Pelunakan

Celup

Pengerasan

Celup Terputus

Pengerasan tanpa retak


Prosedur Pendinginan lambat dari daerah γ stabil Celup yang lebih cepat daripada CRm Celup disusul dengan pendinginan lambat dari Ms ke Mf

Fasa α + karbida Martensit

Martensit


Austemper

Pengerasan tanpa

Celup disusul dengan

pembentukan martensit

transformasi isotermal

rapuh Peningkatan ketangguhan

diatas Ms

Temper

(biasanya dengan pelunakan minimal)

Pemanasan ulang dari martensit

α + karbida

α + karbida

Urutan kekerasan yang kita dapatkan pada benda kerja : Lunak : - udara - udara tiupan - minyak : mineral tumbuhan hewan -

air

-

air yang mengalir

-

Na 2 CO 3

-

Larutan NaCl (5 – 10 %)

Keras : - Larutan NaOH (5 – 10%) 4.3.3 Aplikasi Heat Treatment Laser beam hardening seperti layaknya teknologi hybrid pada kombinasi laser,plasma, dan sumber induksi yang tersedia pada CCL untuk memperbaiki dan melapisi komponen,cetakan,dan peralatan. Salut, paduan atau disperse dari paduan logam, material yang keras, dan keramik dapat menghasilkan lapisan dan struktur 3D.



Gambar 4.33 Laser Beam Hardening CARA/METODE Laser adalah singkatan untuk pancaran radiasi inframerah suatu berkas cahaya. Berkas cahaya infaramerah tidak terlihat mata, cahaya ini memiliki panjang gelombang pada fasa bergetar dan diarahkan untuk suatu tingkat derajat tertentu. Jika radiasi diarahkan pada permukaan logam dan diserap secara proporsional akan dirubah menjadi panas. Laser hardening disebabkan oleh self-quenching yang melibatkan perubahan temperature diantara lingkungan sekitarnya dan material didekatnya, dimana tidak ada medium pendingin yang dibutuhkan. Laser beam difokuskan pada permukaaan benda kerja yaitu batang pemandu dan komponen pembentuk.

Cara atau metode yang digunakan secara prosedur: 1. Heating(pemanasan); pemanasan local sampai dengan temperatur austenit, dengan menggerakkan laser sepanjang material sekaligus melakukan pembuatan alur dan membaca amplitudo dn pemendaran laser. Jadi pemanasan dikatakan hanya terjadi sepanjang alur tersebut saja. 2. Halting(penahan temperatur); penghentian pemanasan agar terjadi difuasi temperatur secara merata ke kedalam yang diinginkan. Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro


3. Cooling(pendinginan); self-quenching yang berkaitan dengan gradient temperatur tinggi dari material yang digunakan. HASIL Proses pengerasan material dengan laser beam hardening ini memberikan berbagai keuntungan. Hasil yang diperoleh dari material yang mengalami perlakuan laser beam hardening adalah : · Pengurangan penyimpangan berhubungan dengan beban panas rendah ( energi parsial masuk) · komponen besar Dan kompleks dapat dikeraskan dengan mudah, Contoh : di dalam rongga · Fleksibilitas tinggi · Mempunyai tingkat pengerasan yang lebih tepat, derajat pengerasan yang tinggi, disamarkan butir halus. • pakaian/pengausan terkemuka • Kekuatan lelah lebih tinggi • Keuletan (ductility) tidak mudah hilang saat kekerasan permukaannya tinggi. • penyimpangan dimensional lebih kecil • Pembekuan permukaan tunggal atau tepi • Dapat mengendalikan permukaan temperatur • Dapat melakukan proses Quenching dengan sendirinya • Dapat diaplikasikan pada beberapa material yang dapat dikeraskan.



4.4. PERALATAN PERCOBAAN 1. Sebuah perangkat Furnace Chamber HOFFMAN Type KL.

Gambar 4.34. Gambar Furnace Chamber HOFFMANN type KL



2 1 3

5

7

4

6 9 9 12

10

11

Keterangan : 1. Display adalah layar yang yang digunakan untuk menampilkan keterangan suhu, kecepatan pemanasan, waktu penahanan, maupun kecepatan pendinginan. 2. Unit Bagian yang menunjukkan satuan-satuan dari angka-angka yang ditampilkan pada bagian display. 3. Program Number Program number merupakan untuk tiap program yang ada dalam mesin tersebut. 4. Heating Program Diagram pemanasan dimana pada diagram tersebut terlihat adanya kenaikan suhu dan penahanan suhu.



A Mengontrol waktu tunggu yang telah disimpan samapi memulai proses pemanasan. B, D, F Mesin pemanas memanasi dg kecepatan yang telah disimpan, dapat dipilih dari 4oC – 700oC. C, E, G, I Suhu tidak merubah waktu tunggu. H Mesin pemanas menurunkan suhu dengan kecepatan normal 5.

Relais Indikator untuk mengontrol sirkulasi udara luar mesin, nilai magnetik, dan penghubungnya.

6.

Program Button Adalah tombol untuk memilih-milih program yamg dinginkan, yang selanjutnya akan ditampilkan pada layar program number (3). 7. Segment Button Tombol yang digunakan untuk memindahkan tahapan-tahapan suhu yang dapat dilihat pada diagram pemanasan. 8. Up/down button Tombol untuk menaikkan atau menurunkan suhu, kecepatan pemanasan seperti yang ditampilkan pada display (1). 9. Key Button Adalah tombol untuk mengunci bila kita menginginkan program tersebut menjadi salah satu program dalam mesin 10. Comsumption button Tombol ini tidak dipergunakan dalam uji jominy dan kurang jelas fungsinya. 11. Relais button Untuk mengontrol sirkulasi udara luar mesin, nilai magnetik, dan penghubungnya. 12. Start stop button Tombol untuk memulai jalannya program dan menghentikannya relais button Spesifikasi alat Chamber Hoffman :



•

Tipe K-1

•

Tahun pembuatan 1991

•

Temperatur alat 20°-850°C

•

Waktu mulai penundaan 0-9999 menit

•

Ramp end, Skip, 4-700°C/h

•

Dweel 0-9999 menit

•

Pendinginan skip 4-700°C

•

End 0-9999 menit ditahan

2. Rockwell Hardness Tester HR 150A

Gambar 4.35 Rockwell Hardness Tester Model HR-150A 2.

Mesin Polish



Gambar 4.36 Mesin Polish 4. Media Pendingin o Air o

Udara

o

Oli

5. Material Uji o Baja ST – 40 o Baja ST – 60 o Besi Cor 4.5. METODE PERCOBAAN 4.5.1 Metode Percobaan Metode yang digunakan untuk menguji kekerasannya adalah metode Rockwell dan proses heat treatmentnya menggunakan sebuah perangkat Furnace Chamber Hoffman. Langkah – langkahnya adalah sebagai berikut : 1. Mengukur kekerasan masing – masing spesimen dengan standar Rockwell. 2. Memasukkan spesimen ke dalam Furnace Chamber Hoffman sampai temperature 900°C. 3. Mendinginkan masing-masing spesimen dengan media pendingin. 4. Melakukan polishing seperti pada uji mikrografi dan mengamati struktur mikronya.



5. Mengulangi uji kekerasan pada spesimen yang telah di heat treatment. 6. Mencatat hasilnya. 7. Membandingkan hasilnya untuk spesimen yang sama dengan media pendingin yang berbeda.

4.5.2 Diagram Alir Pengoperasian Chamber HOFMANN Type KL



M ulai

M enyiapkanm aterial yangakandiheat (BajaST -40 danBajaST

-tretm an -60 )

M em asukkanm aterial ke dalamCham beer hoffm an

M enghidupkanCham ber Hoffm an

M em buat programuntuk porosesheat treatm ent

M em asukkanprogramyangdigunakan denganm em perkirakanwaktu kecepatanbakar danwaktupenahanan

No M engecekProgram

Yes M enjalankanprogramdenganm enekantom bol start

M enunggusam pai waktuburningselesai

M enekantom bol stopuntukm enghentikanpem anasan

M engeluarkanm aterial dari cham ber hofm ann

Selesai

4.6 DATA DAN ANALISA Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro

-

,


4.6.1. Data Hasil Percobaan Setelah melakukan percobaan didapatkan data : a. No 1 2 3 Rata-rata b. No 1 2 3 Rata-rata c.

Material Non Perlakuan Baja ST-40 38 38.25 39.5 38.6

Baja ST-60 39 40 39 39.3

Besi Cor 40.5 40.5 40.5 40.5

Material perlakuan panas dengan pendinginan udara Baja ST-40 26.5 28.5 26.5 27.2

Baja ST-60 37 34 36 35.7

Besi Cor 39 39.5 39.5 39.3

Material perlakuan panas dengan pendinginan air

No

Baja ST-40

Baja ST-60

Besi Cor

1 2 3 Rata-rata

38.5 38.5 37.5 38.2

46.5 45.5 47 46.3

50 50 51.5 50.5

d. Material perlakuan panas dengan pendinginan oli No 1 2 3 Rata-rata


Baja ST-40 27 27 26.5 26.8

Baja ST-60 47.5 48 46.5 47.3

Besi Cor 54 54 53.3 53.8


4.6.2. Analisa Data Setelah dilakukan percobaan pada baja ST-40, baja ST-60 dan besi cor non perlakuan dan perlakuan panas dengan pendinginan air, udara dan oli. Dan didapatkan hasil perhitungan kekerasan material uji, maka dapat dibuat beberapa analisa, sebagai berikut 1. Analisis berdasarkan teori a. Pendinginan air Perlakuan panas dengan pendinginan air merupakan proses hardening dengan cara proses quenching. Quenching adalah suatu proses perlakuan panas terhadap suatu material dengan cara dipanaskan terlebih dulu sampai suhu austenit (900oC). Kemudian dilakukan proses pendinginan cepat yaitu dalam hal ini dengan media air. Proses pendinginan ini berlangsung cepat mengakibatkan terbentuknya martensit yang keras. Martensit mempunyai struktur kristal yang bersifat tidak stabil,berbentuk seperti jarum, dan bersifat sangat keras dan rapuh. Struktur kristal dari martensit bukan BCC (Body Centered Cubic) melainkan BCT (Body Centered Tetragonal).

Gambar 4.37 Struktur Kristal BCT ( Body Centered Tetragonal )



Struktur ikatan martensit tersebut dikarenakan kehadiran dari karbon yang terjebak ditengah-tengah struktur kristal. Karena pendinginan yang cepat, maka atom-atom logam tidak mengalami transformasi secara difusi. Dengan pendinginan yang sangat cepat maka tidak akan ada waktu bagi austenit untuk berubah maupun menjadi ferrit. Sedangkan pada pendinginan udara yang merupakan jenis proses quenching, prosesnya berlangsung sangat lambat sehingga austenit berubah menjadi perlit maupun ferrit yang lunak. b. Pendinginan udara Sedangkan untuk perlakuan panas dengan pendinginan udara merupakan proses softening yaitu proses normalizing. Normalizing adalah proses di mana material dipanaskan dulu sampai suhu austenit kemudian dilakukan pendinginan dengan medium udara secara perlahan. Proses ini terjadi pada suhu 55-650C diatas daerah austenit murni. Pendinginan ini mencegah timbulnya segregasi praeutektoid sehingga struktur mikro yang terbentuk adalah perlit halus dan tidak ada ferit praeutektoid dalam jumlah banyak. Dengan demikian akan dihasilkan material yang kekerasannya lebih kecil dari sebelumnya. Dari penjelasan di atas jelaslah bahwa kekerasan material dengan perlakuan panas dengan pendinginan air lebih besar daripada perlakuan panas dengan pendinginan udara. c. pendinginan oli Pada media pendinginan oli juga memiliki tahap penguapan yang relatif panjang pada suhu 125° F, hanya saja media oli ini mencapai tahap mendidih setelah 13 detik, dan tahap ketiganya dicapai setelah sekitar 22 detik 1. Baja ST-40 merupakan baja karbon rendah dengan kadar C + 0,3 %. Pada diagram fasa Fe – C dibawah, letak ST 40 pada garis warna merah. Sehingga perubahan fase selama proses heat treatment dapat dilihat pada diagram tersebut.



2. Baja ST- 60 merupakan baja karbon sedang dengan kandungan C antara 0,3 – 0,65 % pada diagram fasa dibawah letaknya antara garis merah dan biru sehingga perubahan fase pada waktu heat treatment dapat dilihat pada diagram fase Fe – C dibawah.

Gambar 4.38 Letak Baja ST-40 dan ST-60 dalam Diagram fasa Fe – C

(Sumber : Callister, Materials Science and Engineering 4th ,hal 270)



Gambar 4.39 Representasi struktur mikro baja ST-40 dan ST-60 dalam proses heat treatment (Sumber: Callister, Materials Science and Engineering 4th ,hal 275) 3. Besi cor sebenarnya merupakan paduan eutetik dari besi dan karbon. Jadi, suhu cairnya relatif rendah (~ 1200 °C). Hal ini menguntungkan oleh karena mudah dicairkan, pemakaian bahan bakar lebih irit dan dapur peleburan lebih sederhana. Logam cair mudah dicor karena dapat mengisi cetakan yang rumit dengan mudah. Karena itu, besi cor merupakan bahan yang murah dan serba guna ditinjau dari segi desain produk.Dari diagram Fe3C dapat diketahui bahwa pada 4,3% (berat)karbon, suhu ausetetik 1148oC, besi cor berada di daerah eutentik dan mengandung 2,5%-4% Sebetulnya besi cor lebih kompleks dari paduan eutektik sederhana. Besi cor biasanya mengandung silikon sekitar 1% - 3 %. Hal ini diakibatkan oleh karena silikon memang tertinggal dalam besi selama proses produksi, dan diperlukan usaha khusus untuk menurunkannya. Akan tetapi yang penting adalah peran silikon dalam produk akhir.

Gambar 3.40 Diagram fase Fe3C (Sumber: Ilmu dan Tekhnologi Bahan, Lawrence Van Vlac, 1984, hal 294)



2. Analisis berdasarkan pengujian Berdasarkan data pengujian : a. Urutan nilai kekerasan (HR) pada baja ST – 60 adalah sebagai berikut : Baja

ST

–

60

non

perlakuan

>pendinginan

air>

pendinginan

udara>pendinginan oli b. Urutan nilai kekerasan (HR) pada baja ST – 40 adalah sebagai berikut : Baja ST – 40 pendinginan oli>pendinginan air>non perlakuan> pendinginan udara c. Dan urutan nilai kekerasan (HR) pada besi cor adalah sebagai berikut : Besi cor pendinginan oli>pendinginan air>non perlakuan> pendinginan udara

3. Penyimpangan Ternyata dari hasil diatas terdapat penyimpangan, dimana : a. Baja ST – 40 non perlakuan lebih keras daripada baja ST – 40 pendinginan air maupun pendinginan oli. Yang seharusnya urutan nilai kekerasan pada baja ST-40 adalah sebagai berikut : Baja ST-40 pendinginan air >pendinginan oli> non perlakuan >pendinginan udara b. Baja ST-60 pendinginan oli lebih keras dari pada baja ST-60 pendinginan air. Yang seharusnya urutan nilai kekerasan pada baja ST-60 adalah sebagai berikut : Baja ST-60 pendinginan air >pendinginan oli> non perlakuan >pendinginan udara c. Besi cor pendinginan oli lebih keras dari pada besi cor pendinginan air. Yang seharusnya urutan nilai kekerasan pada besi cor adalah sebagai berikut :



Besi cor pendinginan air >pendinginan oli> non perlakuan >pendinginan udara • Penyimpangan ini disebabkan oleh faktor-faktor sebagai berikut : 

Dalam persiapan untuk uji keras (seperti mengamplas) terjadi banyak perlakuan lain seperti membubut, menggerinda dan mengikir. Selain itu benda uji pernah terjatuh sehingga terdapat tegangan sisa pada material.



Jarak penetrasi terlalu dekat



Waktu penetrasi kurang lama



Penggerakkan tuas yang kurang tepat.

4.7 KESIMPULAN DAN SARAN 4.7.1 Kesimpulan 1)

Heat treatment dapat menentukan kekerasan suatu material.

2)

Pada pendinginan dengan menggunakan media air, akan

terbentuk martensit yang menyebabkan material dengan perlakuan ini menjadi lebih keras dibanding dengan material non perlakuan maupun pendinginan udara. 3)

Pendinginan

yang

cepat

akan

meningkatkan

kekerasan,

sedangkan pendinginan yang lambat akan mengurangi kekerasan. 4)

Heat treatment adalah proses pendinginan dan pemanasan yang

terkontrol terhadap logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifatsifat fisik dan mekanik logam tersebut.



4.7.2 Saran Adapun saran yang dapat kami berikan dalam percobaan ini adalah : 1. Waktu dan temperature setiap material supaya diperhatikan selama proses Heat Treatment. 2. Pada saat proses pendinginan setelah heat treatment, supaya diperhatikan temperature setiap perlakuan pada material tersebut. 3. Sebelum digunakan, alat harus dikalibrasi terlebih dahulu agar hasil sesuai dengan standar. 4. Perhatikan juga proses pengukuran dan kehalusan permukaan benda saat dipolish. 5. Praktikan seharusnya sungguh–sungguh dalam pelaksanaan praktikum, teliti dalam pengamatan dan cermat dalam pengukuran maupun perhitungan.


Praktikum Struktur dan Sifat Material Kelompok 16

Recommend Documents