Perlakuan panas (Heat Treatment)

Transkripsi

1 Perlakuan panas (Heat Treatment) Pertemuan Ke-6 PERLAKUAN PANAS PADA BAJA (Sistem Besi-Karbon) Nurun Nayiroh, M.Si Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia suatu paduan, tetapi juga tergantung pada strukturmikronya. Suatu paduan dengan komposisi kimia yang sama dapat memiliki strukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya akan berbeda. Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang dialami, terutama proses perlakuan-panas yang diterima selama proses pengerjaan. Proses perlakuan-panas adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap logam atau paduan dalam keadaan padat, sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu. TRANSFORMASI FASA Proses perlakuan-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan pemanasan specimen pada elektrik terance ( tungku ) sampai ke temperatur tertentu (temperatur rekristalisasi), lalu diikuti dengan penahanan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu dengan media pendingin seperti udara, air, air faram, oli dan solar yang masing-masing mempunyai kerapatan pendinginan yang berbeda-beda. Perlakuan panas merupakan pemanasan dan pendinginan bahan yang terkontrol untuk tujuan penentuan sifat-sifatnya. Logam seperti baja biasanya dilakukan perlakuan panas untuk tujuan: 1. Pelunakan (Softening) 2. Pengerasan (Hardening) 3. Modifikasi Material (Material Modification) Secara umum perlakukan panas (Heat treatment) diklasifikasikan 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) 1

2 Review Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid (Fe-Fe 3 C) Penekanan kita terletak pada Struktur mikro, garis-garis dan Kandungan Carbon. Kandungan Carbon 0,008%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada temperature kamar 0,025%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada temperature 723 Derajat Celcius 0,83%C = Titik Eutectoid 2%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Gamma pada temperature 1130 Derajat Celcius 4,3%C = Titik Eutectic 0,1%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Delta pada temperature 1493 Derajat Celcius Garis-garis Garis Liquidus ialah garis yang menunjukan awal dari proses pendinginan (pembekuan). Garis Solidus ialah garis yang menunjukan akhir dari proses pembekuan (pendinginan). Garis Solvus ialah garis yang menunjukan batas antara fasa padat denga fasa padat atau solid solution dengan solid solution. Garis Acm = garis kelarutan Carbon pada besi Gamma (Austenite) Garis A3 = garis temperature dimana terjadi perubahan Ferrit menjadi Autenite (Gamma) pada pemanasan. Garis A1 = garis temperature dimana terjadi perubahan Austenite (Gamma) menjadi Ferrit pada pendinginan. Garis A0 = Garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic pada Cementid. Garis A2 = Garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic pada Ferrite. 2

3 Struktur mikro Ferrite ialah suatu komposisi logam yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 0,025%C pada temperature 723 Derajat Celcius, struktur kristalnya BCC (Body Center Cubic) dan pada temperature kamar mempunyai batas kelarutan Carbon 0,008%C. Austenite ialah suatu larutan padat yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 2%C pada temperature 1130 Derajat Celcius, struktur kristalnya FCC (Face Center Cubic). Cementid ialah suatu senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C dengan perbandingan tertentu (mempunyai rumus empiris) dan struktur kristalnya Orthohombic. Lediburite ialah campuran Eutectic antara besi Gamma dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 1130 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 4,3%C. Pearlite ialah campuran Eutectoid antara Ferrite dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 723 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 0,83%C. Secara umum perlakuan panas dengan kondisi Near Equilibrium itu dapat disebut dengan anneling. Anneling ialah suatu proses laku panas (heat treatment) yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam proses pembuatan suatu produk. Tahapan dari proses Anneling ini dimulai dengan memanaskan logam (paduan) sampai temperature tertentu, menahan pada temperature tertentu tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi dengan laju pendinginan yang cukup lambat. Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate), dll. Sehingga kita akan mengenal dengan apa yang disebut : Full Annealing (annealing), Stress relief Annealing, Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing. 3

4 1. Pelunakan (Softening) Pelunakan (softening) dilakukan dengan tujuan: Untuk mengurangi kekuatan atau kekerasan, Untuk menghilangkan tegangan sisa (residual stresses), Untuk memperbaiki ketangguhan (toughness), Untuk menaikkan keuletan (ductility), Untuk memperhalus ukuran butir, atau Untuk merubah sifat elektromagnetik dari baja. Proses pelunakan dapat berupa: Proses anil (annealing process) Anil sempurna (Full annealing) Stress relief anneal Speroidisasi Proses Normalizing Proses temper Quenching (pencelupan dari suhu tinggi) Anil sempurna (Full annealing) yaitu proses peningkatan temperatur secara pelan sampai sekitar 500 o C di atas temperatur austenit A 3 atau A cm pada baja hypoeutectic (<0.77% C) dan 500 o C dalam daerah Austenit Cementit pada baja hypoeutectic (<0.77% C), kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat (biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat penyekat panas yang baik). (Gambar 6.1). Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki machinibility, pelunakan sebelum pemesinan. Gambar 6.1. Mikrostruktur dan proses perlakuan panas Perlu diketahui bahwa selama pemanasan dibawah temperature kritis garis A1 maka belum terjadi perubahan struktur mikro. Perubahan baru mulai terjadi bila temperature pemanasan mencapai garis atau temperature A1 (butir-butir Kristal pearlite bertransformasi menjadi austenite yang halus). Pada baja hypoeutectoid bila pemanasan dilanjutkan ke temperature yang lebih tinggi maka butir kristalnya mulai bertransformasi menjadi sejumlah Kristal austenite yang halus, sedang butir Kristal austenite yang sudah ada (yang berasal dari pearlite) hampir tidak tumbuh. Perubahan ini selesai setelah menyentuh garis A3 (temperature kritis A3). Pada temperature ini butir kristal austenite masih halus sekali dan tidak homogen. Dengan menaikan temperature sedikit diatas temperature kritis A3 (garis A3) dan memberi waktu penahanan (holding time) seperlunya maka akan diperoleh austenite yang lebih homogen dengan butiran kristal yang juga masih halus sehingga bila nantinya didinginkan dengan lambat akan menghasilkan butir-butir Kristal ferrite dan pearlite yang halus. 4

5 Proses Normalizing Baja yang dalam proses pengerjaannya mengalami pemanasan sampai temperature yang terlalu tinggi ataupun waktu tahan (holding time) terlalu lama biasanya butiran kristal austenitenya akan terlalu kasar dan bila didinginkan dengan lambat akan menghasilkan ferrit atau pearlite yang kasar sehingga sifat mekaniknya juga kurang baik (akan lebih getas). Untuk baja hypereutectoid, annealing merupakan persiapan untuk proses selanjutnya dan tidak merupakan proses akhir. Merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih keras dan kuat dari hasil anneal. Caranya: dilakukan dengan pemanasan lambat dan merata di atas temperatur transformasi (>600 C di atas A3/Acm) dan didinginkan secara perlahan-lahan di udara untuk menghilangkan struktur-struktur yang tidak merata dari hasil proses sebelumnya, seperti pada proses pengecoran, tempa dan sebagainya. Pendinginan pada proses ini lebih cepat daripada pendinginan pada annealing. Proses normalizing ini dilakukan pada baja untuk menghindari terjadinya retak. Spheroidizing Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan struktur carbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks ferrite. Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki machinibility (pemesinan) atau cold formed pada baja paduan kadar Carbon tinggi (C >0.6%). Secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja hypereutectoid yang dianneal itu mempunyai struktur yang terdiri dari pearlite yang terbungkus oleh jaringan cemented. Adanya jaringan cemented (cemented network) ini meyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibility rendah. Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus dihancurkan dengan proses spheroidizing. Tujuan proses ini adalah meningkatkan ketangguhan baja rapuh. Gambar 6.2. Proses Austenisasi 5

6 Cara : Bila struktur mula : Perlit bahan dipanaskan jam pada suhu sekitar eutektoid (~ C). Bila struktur mula : martensit bahan dipanaskan 1-2 jam pada suhu yang sama, baru kemudian didinginkan. Karena berada pada temperature yang tinggi dalam waktu yang lama maka cemented yang tadinya berbentuk plat atau lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere) yang disebut dengan spheroidite yang tersebar dalam matriks ferrite. Gambar 6.3. Proses eutektoid Proses Annealing Merupakan proses perlakuan panas yang ditujukan untuk melunakkan dan menaikkan kembali keuletan benda kerja agar dapat dideformasi lebih lanjut dan besar butir yang homogen. Pada dasarnya proses Annealing dan Stress relief Annealing itu mempunyai kesamaan yakni bahwa kedua proses tersebut dilakukan masih di bawah garis A1 (temperature kritis A1) sehingga pada dasarnya yang terjadi hanyalah rekristalisasi saja. Sifat kekerasan material yang dihasilkan dari proses ini dapat ditingkatkan dengan membatasi kecepatan pendinginan Stress relief Annealing Merupakan proses perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa akibat proses sebelumnya, misalnya pembentukan (pengecoran), bagian yang dilas, dan bagian yang dibentuk pendinginan. Bagian tersebut cenderung mempunyai tegangan oleh karena siklus pemanasan atau cold working. Caranya : bagian tersebut dipanaskan pada temperatur sekitar C selama beberapa menit dan kemudian didinginkan dengan perlahan di udara. Perlu diingat bahwa baja dengan kandungan karbon dibawah 0,3% C itu tidak bisa dikeraskan dengan membuat struktur mikronya berupa martensite. Nah, bagaimana caranya agar kekerasannya meningkat tetapi struktur mikronya tidak martensite? Ya, dapat dilakukan dengan pengerjaan dingin (cold working) tetapi perlu diingat bahwa efek dari cold working ini akan timbul yang namanya tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress relief Annealing. 6

7 Proses Temper Adalah suatu proses perlakuan panas yang mereduksi kegetasan dari bahan. Proses ini dilakukan pada temperatur di bawah kira-kira 723 o C untuk mengurangi kekerasan bahan dan menambah keuletan bahan. Dengan temper mikrostruktur baja akan homogen dan tegangan sisa akibat pemanasan yang tinggi selama diquenching tereliminasi atau dapat diminimalisasi. Baja yang dikeraskan seharusnya ditemper sebelum digunakan. Hasil Riset Sigit Gunawan (2005) menyatakan korelasi antara pengaruh suhu temper terhadap ketangguhan impak dan kekuatan tarik baja AISI 420 dimana ketangguhan impak cenderung naik seiring dengan naiknya temperature temper, sebaliknya kekuatan tarik cenderung menurun dengan kenaikan temperatur temper. Sejlan dengan penelitian oleh Hasta Kuntara (2005) dengan baja X165CrMoV12 untuk bahan cetakan. V.N.Potluri (2002) menyatakan pengaruh waktu tempering terhadap sifat mekanis bahan berupa kekerasan dan kekuatan dimana kekerasan turun dengan kenaikan waktu temper, tetapi kekuatan tarik tidak terlalu berpengaruh terhadap waktu temper. Bakri & Chandrabakty (2006) Kekuatan tarik dan ketangguhan baja komersial tidak terlalu berpengaruh secara signifikan terhadap variasi waktu (1 jam, 2 jam, 3 jam dan 4 jam) perlakuan panas temper ( 600 o C) Gambar 6.4. Efek perlakuan panas temper terhadap sifat mekanis material (Jurnal SMARTek, 2006) Quenching Proses quenching atau pengerasan baja adalah suatu proses pemanasan logam atau paduan sehingga mencapai batas austenit yang homogen. Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka austenit 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. Quenching (pencelupan dari suhu tinggi): dilakukan pada bahan agar larutan padat yang terbentuk pada solution treatment tetap ada pada temperatur rendah. 7

8 Untuk menghindari terjadinya presipitasi yang cukup besar selama proses pendinginan maka perlu dipenuhi persyaratan seabagai berikut : o Waktu yang diperlukan untuk memindahkan komponen dari tungku (furnace) ke media pendingin harus cukup singkat. o Volume, kapasitas penyerapan panas dan laju aliran media pendingin dipilih sedemikian hingga tidak terjadi presipitasi selama pendinginan 2. Pengerasan (Hardening) Hardness : fungsi dari kandungan karbon dari baja. Hardening baja mengalami perubahan dalam struktur BCC pada temperatur ruang ke FCC dalam daerah austenit. Baja dipanaskan pada daerah autenit kemudian di-quenching tiba-tiba sehingga martensite terbentuk dengan struktur sangat kuat dan brittle (rapuh). Quenching lambat menimbulkan Austenite and Pearlite terbentuk yang sebagian keras dan sebagian lunak. Cooling rate lambat membentuk Pearlite yang lunak (soft). Kekerasan adalah ukuran ketahanan terhadap deformasi plastis oleh indentasi. Kemampu Kerasan (Hardenability) adalah kemampuan bahan untuk dikeraskan ( mudah tidaknya kekerasan dapat dicapai). Baja bertransformasi cepat dari austenit membentuk ferit dan karbida dengan kemampu kerasan rendah, martensit tidak terbentuk (karena transformasi suhu tinggi). Baja bertransformasi lambat dari austenit membentuk ferit dan karbida yang kemampu kerasan besar Gambar 6.5. Mikrostruktur 3. Modifikasi Material (Material Modification) Perlakuan panas digunakan untuk memodifikasi sifat material menurut hardening dan softening. Proses ini memodifikasi sifat baja dalam sifat yang mengungtungkan untuk memaksimalkan penggunaan material seperti stress relieving, atau sifat kekuatan. 8

9 Tabel Proses-proses Transformasi Baja PROSES TUJUAN PROSEDUR FASA Penganilan Memperlunak Pendinginan lambat dari daerah γ-stabil Quencing Mengeraskan Quenching dengan menghindari kurva I- T Quenching terputus Austemper temper Mengeraskan tanpa menimbulkan retak Mengeraskan tanpa membentuk martensit rapuh Meningkatkan ketangguhan (dengan pelunakan minimal) Quencing diikuti dengan pendinginan lambat dari Ms ke Mf Quenching, diikuti dengan transformasi isotermal di atas Ms Pemanasan kembali martensit α + karbida Martensit Martensit α + karbida α + karbida Diagram Transformasi-Isotermal Diagram Transformasi-Isotermal untuk Baja Eutektoid Diagram Transformasi-Isotermal (I-T) untuk baja SAE

10 Proses Transformasi 10