TUGAS PENGETAHUAN BAHAN HEAT TREATMENT
Oleh : Nama : Ika Utami Wahyu Ningsih No. Pokok : 4410215036 Jurusan : Teknik Industri
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS PANCASILA
HEAT TREATMENT Heat Treatment atau Perlakuan Panas adalah suatu proses mengubah sifat logam dengan cara mengubah struktur mikro melalui proses pemanasan dan pengaturan kecepatan pendinginan dengan atau merubah komposisi kimia logam yang bersangkutan. Secara umum perlakuan panas terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan pemanasan sampai ke temperatur tertentu, lalu diikuti dengan penahan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu.
Gambar 1. Proses Heat Treatment Secara umum perlakuan panas diklasifikan dalam 2 jenis : 1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan) Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Near Equilibrium ini diantaranya adalah untuk melunakkan struktur kristal, menghaluskan butir, menghilangkan tegangan dalam dan memperbaiki machineability. Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium, misalnya : Full Annealing (annealing), Stress relief Annealing, Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing. 2. Non Equilirium (Tidak setimbang) Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Non Equilibrium ini adalah untuk mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi. Jenis dari perlakukan panas Non Equibrium, misalnya : Hardening, Martempering, Austempering, Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction hardening)
Perlakuan panas memiliki acuan terhadap pengaturan suhu untuk pemanasan maupun pendinginan material yakni berdasarkan kandungan karbon dari baja. Hal tersebut dapat dilihat menggunakan diagram fasa Fe-Fe3C. Perubahan sifat yang terjadi pada proses perlakuan panas disebabkan karena adanya pertumbuhan fasa pada saat pemanasan dan transformasi fasa pada saat pendinginan. Hal tersebut tidak akan pernah terlepas dari temperatur. Diagram yang menyajikan tentang hubungan antara temperatur dimana terjadinya perubahan fasa pada saat proses pemanasan dan pendinginan lambat dengan kadar karbon disebut diagram fasa. Diagram Fasa Fe-Fe 3C sangatlah penting, khususnya dalam proses perlakuan panas, diagram ini menjadi dasar atau pedoman untuk
mengetahui fasa apa yang akan terbentuk pada saat kita melakukan pemanasan. Dari diagram ini juga diketahui garis transformasi fasa dan titik komposisi tertentu dari baja.
Gambar 2. Diagram Fasa Fe-Fe3C Keterangan: 1. Sementit Juga dikenal sebagai besi karbida yang memiliki rumus kimia, Fe3C. Sementit mengandung 6,67% karbon. Memiliki tipikal keras dan campuran interstisial rapuh dari kekuatan tariknya yang rendah (kurang lebih 5000 psi) tetapi memiliki kekuatan tekan yang tinggi. Struktur kristalnya adalah ortorombik. 2. Austenit Juga dikenal sebagai besi gamma (δ), yang merupakan sebuah larutan padat interstisial dari karbon yang dilarutkan dalam besi yang memiliki struktur kristal face centered cubic (FCC). Sifat-sifat austenit rata-rata adalah:
Tabel 1. Sifat-sifat dari austenit
Gambar 3. Struktur kristal austenit
Normalnya austenit tidak stabil pada suhu kamar. Tapi di bawah kondisi-kondisi tertentu mungkin saja austenit dihasilkan pada suhu kamar. 3. Ferrit Juga dikenal sebagai besi alpha (α), yang merupakan larutan padat interstisial dari sejumlah kecil karbon yang dilarutkan dalam besi yang memiliki sturktur kristal body centered cubic (BCC). Ferrit adalah struktur yang paling lembut pada diagram besi-besi karbida. Sifatnya rata-rata adalah:
Tabel 2. Sifat-sifat dari Ferrit
Gambar 4. Struktur Kristal Ferrit
4. Perlit (α + Fe3C) Merupakan campuran eutektoid yang mengandung 0,83% karbon dan terbentuk pada suhu 1333°F melalui pendinginan yang sangat lambat. Bentuknya sangat datar dan merupakan campuran antara ferrit dan sementit. Struktur dari perlit seperti matriks putih (dasarnya dari ferrit) termasuk bentuk pipihnya yang seperti sementit. Sifat rata-ratanya adalah:
Tabel 3. Sifat-sifat dari Perlit
Gambar 5. Struktur Kristal Perlit
Diperlukan sejumlah dosis dari karbon dan sejumlah dosis dari besi untuk membentuk sementit (Fe3C). Begitu juga perlit yang membutuhkan sejumlah dosis dari sementit dan ferrit.Jika karbon yang diperlukan tidak cukup, yaitu kurang dari 0,83%, besi dan karbonnya akan menyatu membentuk Fe3C sampai seluruh karbonnya habis terpakai. Sementit ini akan bergabung dengan sejumlah ferrit untuk membentuk perlit. Sejumlah sisa dari ferrit akan tinggal di dalam struktur sebagai ferrit bebas. Ferrit bebas juga dikenal sebagai ferrit proeutektoid. Baja yang mengandung ferrit proeutektoid disebut juga sebagai baja hipoeutektoid. Bagaimanapun, jika terdapat kelebihan karbon diatas 0,83% pada austenit, perlit akan terbentuk, dan kekurangan karbon dibawah 0,83% akan membentuk sementit. Kelebihan kandungan sementit diletakkan pada batas butir. Kelebihan kandungansementit ini juga dikenal sebagai sementit proeutektoid. 5. Ledeburit Adalah campuran eutektik dari austenit dan sementit. Ledeburit mengandung 4,3% karbon dan menandakan keeutektikan dari besi cor. Ledeburit terbentuk ketika kandungan karbon lebih dari 2%, yang ditunjukkan oleh garis pembagi pada diagram equilibrium diantara baja dan besi cor 6. Besi δ Besi δ terbentuk pada suhu diantara 2552 dan 2802°F. dia terbentuk dari kombinasi dengan melt hingga sekitar 0,5% karbon, kombinasi dengan austenit hingga sekitar 0,18% karbon dan keadaan fasa tunggal hingga sekitar 0,10% karbon. Besi δ memiliki struktur kristal body centered cubic (BCC) dan memiliki sifat magnetik. Reaksi-reaksi pembentukan Fasa •
Martensit Perbedaan antara austenit dengan martensit adalah, dalam beberapa hal, cukup kecil pada bentuk austenit sel satuannya berbentuk kubus sempurna, pada saat bertransformasi menjadi martensit bentuk kubus ini berdistorsi menjadi lebih panjang dari sebelumnya pada satu dimensi dan menjadi lebih pendek pada dua dimensi yang lain. Gambaran matematis dari kedua struktur ini cukup berbeda, untuk alasan-alasan simetri, tapi ikatan kimia yang tertinggal sangat serupa. Tidak seperti sementit, yang ikatannya mengingatkan kita kepada material keramik, kekerasan pada martensit sulit dijelaskan dengan hubungan-hubungan kimiawi. Penjelasannya bergantung kepada perubahan dimensi struktur kristal yang tidak kentara dan kecepatan transformasi martensit. Austenit bertransformasi menjadi martensit pada pendinginan yang kira-kira setara dengan kecepatan suara ± terlalu cepat bagi atom-atom karbon untuk keluar melalui kisi-kisi
kristal. Distorsi yang menghasilkan sel satuan mengakibatkan dislokasi kisi-kisi yang tak terhitung jumlahnya pada setiap kristal, yang terdiri dari jutaan sel satuan. Dislokasi ini membuat struktur kristal sangat tahan terhadap tegangan geser ± yang berarti secara sederhana bahwa ia tidak bisa dilekukkan dantergores dengan mudah.
Gambar 6. Body Centered Tetragonal Unit Cell Gambar 7. Photomicrograph of Martensite Structure
DIAGRAM TTT Diagram TTT (Time, Temperature, dan Transformation) adalah sebuah gambaran dari suhu (temperatur) terhadap waktu logaritma untuk baja paduan dengan komposisi tertentu. Diagram ini biasanya digunakan untuk menentukan kapan transformasi mulai dan berakhir pada perlakuan panas yang isothermal (temperatur konstan) sebelum menjadi campuran Austenit. Ketika Austenit didinginkan secara perlahan-lahan sampai pada suhu dibawah temperatur kritis, struktur yang terbentuk ialah Perlit. Semakin meningkat laju pendinginan, suhu transformasi Perlit akan semakin menurun. Struktur mikro dari materialnya berubah dengan pasti bersamaan dengan meningkatnya laju pendinginan. Dengan memanaskan dan mendinginkan sebuah contoh rangkaian,transformasi austenit mungkin dapat dicatat. Diagram TTT menunjukkan kapan transformasi mulai dan berakhir secara spesifik dan diagram ini juga menunjukkan berapa persen austenit yang bertransformasi pada saat suhu yang dibutuhkan tercapai. Peningkatan kekerasan dapat tercapai melalui kecepatan pendinginan dengan melakukan pendinginan dari suhu yang dinaikkan seperti pendinginan furnace, pendinginan udara, pendinginan oli, cairan garam, air biasa, dan air asin. Pada gambar 8, area sebelah kiri dari kurva transformasi menunjukkan daeraha ustenit. Austenit stabil pada suhu diatas temperatur kritis, tapi tidak stabil pada suhu di bawah temperatur kritis. Kurva sebelah kiri menandakan dimulainya transformasi dan kurva sebelah kanan menunjukkan berakhirnya transformasi. Area diantara kedua kurva tersebut menandakan austenit bertransformasi ke jenis struktur kristal yang berbeda.(austenit ke perlit, austenit ke martensit, austenit bertransformasi ke bainit).
Gambar 8. Diagram TTT Gambar 9. menunjukkan bagian atas dari diagram TTT. Seperti yang terlihat pada gambar 9, ketika austenit didinginkan ke suhu dibawah temperatur kritis, ia bertransformasi ke struktur kristal yang berbeda tergantung pada ketidakstabilan lingkungannya. Laju pendinginannya dapat dipilih secara spesifik sehingga austenit dapat bertransformasi hingga 50%, 100%, dan lain sebagainya. Jika kecepatan pendinginan sangat lambat seperti pada proses annealing, kurva pendinginan akan melewati sampai seluruh area transformasi dan produk akhir dari proses pendinginan ini akan menjadi100% perlit. Dengan kata lain, ketika laju pendinginan yang diterapkan sangat lambat,seluruh austenit akan bertransformasi menjadi perlit. Jika laju pendinginan melewati pertengahan dari daerah transformasi, produk akhirnya adalah 50% austenit dan 50%perlit, yang berarti bahwa pada laju pendinginan tertentu kita dapat mempertahankan sebagian dari austenit, tanpa mengubahnya menjadi perlit.
Gambar 9. Bagian atas dari diagram TTT (daerah transformasi austenit-perlit) Gambar 10. menunjukkan jenis transformasi yang bisa didapatkan pada laju pendinginan yang lebih tinggi. Jika laju pendinginan sangat tinggi, kurva pendinginan akan tetap berada pada bagian sebelah kiri dari kurva awal transformasi. Dalam kasus ini semua austenit akan berubah
menjadi martensit. Jika tidak terdapat gangguan selama pendinginan maka produk akhirnya akan berupa martensit.
Gambar 10. Bagian bawah dari diagram TTT (austenit-martensit dan daerah transformasi bainit) Pada gambar 11. laju pendinginan A dan B menunjukkan dua proses pendinginan secara cepat. Dalam hal ini kurva A akan menyebabkan distorsi yang lebih besar dan tegangan dalam yang lebih besar dari laju pendinginan B. Kedua laju pendinginan akan menghasilkan produk akhir martensit. Laju pendinginan B juga dikenal sebagai laju pendinginan kritis, seperti ditunjukkan oleh kurva pendinginan yang menyentuh hidung dari diagram TTT. Laju pendinginan kritis didefinisikan sebagai laju pendinginan terendah yang menghasilkan 100% martensit juga memperkecil tegangan dalam dan distorsi.
Pada gambar 12, sebuah proses pendinginan secara cepat mendapat gangguan (garis horizontal Gambar 11. Pendinginan secara menunjukkan gangguan) dengan mencelupkan material ke cepat dalam rendaman garam yang dicairkan dan direndam pada temperatur konstan yang diikuti dengan proses pendinginan lain
yang melewati daerah bainit pada diagram TTT. Produk akhirnya adalah bainit, yang tidak sekeras martensit. Sebagai hasil dari laju pendinginan D; dimensinya lebih stabil, distorsi dan tegangan dalam yang ditimbulkan lebih sedikit.
Gambar 12. Pendinginan yang mendapat gangguan Pada gambar 13 laju pendinginan C menggambarkan proses pendinginan secara lambat, seperti pada pendinginan furnace. Sebagai contoh untuk pendinginan jenis ini adalah proses annealing dimana semua austenit akan berubah menjadi perlit sebagai hasildari pendinginan secara lambat.
Gambar 13. Proses pendinginan secara lambat (annealing) Terkadang kurva pendinginan bisa melewati pertengahan dari zona transformasi austenit-perlit. Pada gambar 14, kurva pendinginan E menunjukkan sebuah laju pendinginan yang tidak cukup tinggi untuk memproduksi 100% martensit. Hal ini dapat dengan mudah terlihat dengan melihat
pada diagram TTT. Sejak kurva pendinginan tidak menyinggung hidung dari diagram transformasi, austenit akan bertransformasi menjadi 50% perlit (kurva E menyinggung kurva 50%). Semenjak kurva E meninggalkan diagram transformasi pada zona martensit, sisa yang 50% dari austenit akan bertransformasi menjadi martensit
Gambar 14. Laju pendinginan yang membentuk perlit dan martensit
Gambar 15. Diagram TTT dan struktur mikro yang didapat dengan jenis laju pendinginan yang berbeda Diagram TTT hanya menunjukkan transformasi pada temperatur yang konstan dan tidak berlaku pada proses pendinginan yang kontinu sehingga diagram ini jarang dipakai untuk proses perlakuan panas. Diagram yang dapat menjelaskan semuanya serta banyak sekali dipakai unutk proses
pengerasan pada baja adalah diagram CCT. Diagram ini mempunyai bentuk yang agak berbeda dengan diagram TTT walaupun parameternya sama.
Gambar 16. Diagram TTT
Gambar 17. Diagram CCT
Pada proses pendinginan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan pendinginan lambat dan pendinginan cepat. Pendinginan lambat biasanya dilakukan dengan cara didinginkan didalam tungku dan didinginkan melalui udara bebas. Pendinginan cepat dilakukan dengan cara dicelupkan ke dalam media quench berupa brine, air, oli dan air garam.
Gambar 18. Perbandingan Lama Pendinginan pada Diagram Proses Faktor-Faktor Mempengaruhi Mampu Keras
•
Yang Sifat Hal-hal yang mempengaruhi sifat mampu keras suatu material adalah: Kecepatan pendinginan Setelah logam dipanaskan, lalu dilakukan pendinginan cepat, maka logam akan menjadi semakin keras. Proses pendinginan material dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu :
1. Annealing Annealing adalah proses pemanasan baja yang diikuti dengan pendinginan lambat didalam tungku. Tujuan utama dari proses ini adalah untuk mengurangi kekerasan dari baja dan membuat struktur yang mudah dilakukan proses pemesinan. Selain itu anneling bertujuan untuk memperbaiki sifat – sifat antara lain:
a. mampu mesin b. mampu bentuk c. keuletan d. kehomogenan struktur e. menghilangkan tegangan dalam f. persiapan struktur unutk proses perlakuan panas Temperatur dan laju pendinginan dari annealing tergantung dari hasil yang diinginkan dari struktur mikronya, oleh karena itu annealing dibagi lagi menjadi beberapa proses spesifik antara lain: 1) Full annealing Merupakan proses pemanasan yang bertujuan untuk melunakan baja, prosesnya dilakukan dengan cara dipanaskan diatas daerah kritisnya dan didinginkan secara perlahan melawati daerah kritis. Walaupun full annealing dapat dilakukan pada semua baja, tetapi kebanyakan hanya dilakukan pada baja karbon medium (0,30,6%C) saja, dimana bertujuan untuk meningkatkan mampu mesinnya. 2) Sperodizing Proses ini bertujuan untuk membulatkan karbida yang berbentuk serpih pada perlit dan sementit. Sehingga dapat meningkatkan mampu mesin serta meningkatkan keuletan. Sperodizing secara luas digunakan pada baja karbon tinggi, baja perkakas, baja bearing, dan pada semua baja yang akan menjalani proses pengerjaan dingin. 3) Stress relieving Pada baja yang telah mengalami proses pengecoran, permesinan, pengelasan maka akan terdapat sejumlah tegangan sisa didalamnya. Tegangan sisa tersebut akan menyebabkan distorsi bahkan dapat mengalami retak pada saat digunakan atau pada saat dilakukan proses perlakuan panas. Untuk menghilangkan tegangan sisa tersebut maka dilakukan proses ini. 4) Bright Annealing Merupakan proses perlakuan panas yang bertujuan untuk menghasilkan benda kerja yang permukaannya terbebas dari lapisan oksidasi. Prosesnya dilakukan dengan cara menyelimuti spesimen dengan atmosfir tungku yang sesuai selama pemanasan. Cara ini juga bertujuan untuk menghindari terjadinya penggetasan, timbulnya sulfidasi,
serta adanya dekarburisasi. Jenis gas yang banyak digunakan dapat berupa nitrogen, amoniak, gas eksotrim, hydrogen, dll.
5) Homogeniezing Proses ini bertujuan untuk menyeragamkan komposisi baja. Biasanya dilakukan setelah proses pengecoran. Spesimen dipanaskan sampai temperature 1100 -1200°C. kemudian didinginkan secara lambat. 6) Recrystalitation annealing Merupakan proses pemanasan untuk menumbuhkan atau membentuk butir baru setelah mengalami proses pengerjaan dingin (cold working). Selain itu juga bertujuan untuk menghilangkan tegangan sisa. Pemanasan dilakukan pada temperatur 600°C selama 0.5 – 1 jam.
2. Normalizing Normalizing merupakan proses perlakuan panas yang dilkukan dengan cara memanaskan baja sampai temperatur austenisasi (Tγ) kemudian didinginkan dengan media udara dimana akan didapatkan fasa berupa pearlite. Baja karbon tinggi seperti die steel dan HSS (High Speed Steel) tidak pernah dilakukan proses ini karena baja-baja ini dikeraskan menjadi struktur martensite dengan cara pendinginan di udara. Normalizing umumnya dipergunakan pada baja karbon rendah dan plain carbon dengan tujuan sbb: a. memperhalus ukuran butir dan menghomogenisasikan struktur mikro dari hasil coran dan tempa, sehingga dapat meningkatkan sifat mekanik dalam proses pengerasan baja. b. untuk meningkatkan mampu mesin dengan komposisi karbon sekitar 0.3 % C c. memperhalus karbida kasar yang mempunyai precipitate selama pendinginan lambat setelah proses pengerjaan panas.
3. Quenching Pemanasan material sampai suhu austenit ( 727o C ) lalu diholding kemudian dilakukan pendinginan cepat, yaitu dicelupkan kedalam media. Medianya adalah air, air garam dan oli. Proses ini yang menghasilkan material yang lebih keras dari semula
•
Komposisi kimia Komposisi kimia menentukan Hardenability Band. Karena komposis material menentukan struktur dan sifat material. Semakin banyak unsur kimia yang menyusun suatu logam, maka makin keras logam tersebut.
•
Kandungan karbon Semakin banyak kandungan karbon dalam suatu material maka makin keras material tersebut. Hal inilah yang menyebabkan baja karbon tinggi memiliki kekerasan yang tinggi setelah proses pengerasan kerena akan membentuk martensit yang memiliki kekerasan yang sangat tinggi.Untuk meningkatkan kadar karbon dari beberapa material dapat dilakukandengan beberapa perlakuan, yaitu: a. Carborizing Yaitu proses penambahan karbon pada baja, dengan menyemprotkan karbon pada permukaan baja. b. Nitriding Yaitu proses penambahan nitrogen untuk meningkatkan kekerasan material c. Carbonitriding Yaitu proses penambahan karbon dan nitrogen secara sekaligus untuk meningkatkan kekerasan material
•
Ukuran butir Semakin besar ukuran butir, maka tingkat mampu keras dari suatu logam semakin rendah.
•
Suhu pemanasan Kemampuan keras lebih tinggi jika pemanasan dilakukan sampai suhu austenit.
