Jumat, 14 Desember 2012

HEAT TREATMENT

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Sejak zaman dahulu kala pandai besi mengetahui bahwa sifat bahan dapat dirubah melalui pemanasan yang disusul dengan pendinginan, mereka mengenal berbagai proses perlakuan panas meski tidak mengetahui dengan pasti apa yang terjadi dalam logam itu sendiri. Ilmu dan Teknologi Bahan telah tumbuh dan berkembang menjadi satu bidang tersendiri selama 50 tahun terakhir ini. Pengembangan ini berintikan temuan tertentu yaitu konsep bahwa sifat dan kelakuan bahan berhubungan erat dengan struktur internal dari bahan tersebut. Hasilnya agar sifat dapat diubah-ubah harus diadakan perubahan yang sesuai pada struktur internal bahan. Demikian pula bila pemerosesan atau keadaan pemakaian merubah struktur, karakteristik bahan akan berubah pula. B. Rumusan Masalah 1. Apa itu Heat Treatment? 2. Bagaimanakah proses perlakuan panas pada baja? 3. Dapur apa sajakah yang digunakan untuk perlakuan panas? 4. Bagaimanakah cara pengerasan permukaan baja? C. Tujuan Tujuan dari disusunnya makalah ini adalah : 1. Agar mahasiswa mampu memahami Definisi perlakuan panas (Heat Treatment). 2. Agar mahasiswa mengetahui dan memahami proses dari Heat Treatment. 3. Agar mahasiswa mengetahui dan memahami cara pengerasan permukaan baja. BAB II PEMBAHASAN A. Pengertian Heat Treatment Heat Treatment adalah Proses memanaskan dan mendinginkan suatu bahan untuk mendapatkan perubahan fasa (struktur) guna meningkatkan kemampuan bahan tersebut sehingga bertambah daya guna teknik dari bahan tersebut. B. PERLAKUAN PANAS PADA BAJA (HEAT TREATMENT) Pengerjaan panas adalah proses yang memanaskan bahan sampai suhu tertentu dan kemudian didinginkan menurut cara tertentu. Tujuan pengerjaan panas itu adalah untuk memberi sifat yang lebih sempurna pada bahan. Pengerjaan panas yang terpenting untuk baja, baja tuang, dan atau besi tuang dapat dirinci sebagai berikut. 1) Menyepuh keras, menurut cara pendinginannya terbagi atas sepuh keras normal, sepuh keras termal, dan sepuh keras isoterm. Sementara itu, menurut cara pemanasannya yang khusus terbagi atas sepuh keras nyala dan sepuli keras induksi. 2) Memijar, terbagi dalam pemijaran pembebas tegangan, pemijaran sampai dingin, pemijaran normal, dan pemijaran lunak. 3) Memudakan, yang terbagi atas memudakan rendah dan memudakan tinggi. 4) Karbonasi. 5) Memurnikan atau memuliakan. 6) Pengerjaan panas secara khusus. 7) Nitrasi, yang terbagi atas nitrasi lunak dan nitrasi keras. Perlakuan panas dapat mengubah sifat baja dengan cara mengubah ukuran dan bentuk butir-butirannya, juga mengubah unsure pelarutnya dalam jumlah yang kecil. Bentuk butirannya dapat diubah dengan cara dipanaskan pada suhu di atas suhu pengkristalan kembali. Ukuran butirannya dapat dikontrol melalui Suhu dan lama pemanasannya, scrta kecepatan pendinginan baja sctelah dipanaskan. Bahan pelarut dapat diubah dengan pemanasan baja pada suhu yang cukup tinggi untuk menghasilkan larutan padat austenit dan penyebaran unsur karbon. Kemudian scterusnya didinginkan dengan kecepatan pendinginan yang sesuai, sehingga akan menghasilkan struktur yang diinginkan. 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 laku-panas yang diterima selama proses pengerjaan. Proses laku-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. Proses laku-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan pemanasan sampai ke temperatur tertentu, lalu diikuti dengan penahanan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu. Secara umum perlakukan panas (Heat treatment) diklasifikasikan dalam 2 jenis : 1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan) Tujuan dari perlakuan panas Near Equilibrium adalah untuk : a. Melunakkan struktur Kristal b. Menghilangkan tegangan dalam c. Menghaluskan butir d. Memperbaiki machineability Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium, misalnya : 2. Non Equilirium (Tidak setimbang) Tujuan panas Non Equilibrium adalah untuk mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi. Jenis dari perlakukan panas Non Equibrium, misalnya : 1. Hardening 2. Martempering 3. Austempering 4. Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction hardening) 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. Keterangan gambar : Dari diagram diatas dapat kita lihat bahwa pada proses pendinginan perubahan – perubahan pada struktur kristal dan struktur mikro sangat bergantung pada komposisi kimia. 1. Pada kandungan karbon mencapai 6.67% terbentuk struktur mikro dinamakanSementit Fe3C (dapat dilihat pada garis vertical paling kanan). 2. Sifat – sifat cementitte: sangat keras dan sangat getas 3. Pada sisi kiri diagram dimana pada kandungan karbon yang sangat rendah, pada suhu kamar terbentuk struktur mikro ferit. 4. Pada baja dengan kadar karbon 0.83%, struktur mikro yang terbentuk adalah Perlit, kondisi suhu dan kadar karbon ini dinamakan titik Eutectoid. 5. Pada baja dengan kandungan karbon rendah sampai dengan titik eutectoid, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara ferit dan perlit. 6. Pada baja dengan kandungan titik eutectoid sampai dengan 6.67%, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara perlit dan sementit. 7. Pada saat pendinginan dari suhu leleh baja dengan kadar karbon rendah, akan terbentuk struktur mikro Ferit Delta lalu menjadi struktur mikro Austenit. 8. Pada baja dengan kadar karbon yang lebih tinggi, suhu leleh turun dengan naiknya kadar karbon, peralihan bentuk langsung dari leleh menjadi Austenit. Penekanan terletak pada Struktur mikro, garis-garis dan Kandungan Carbon. a. 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 b. 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 c. 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. d. 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. Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium, misalnya : 1. Process Annealing Merupakan proses perlakuan panas yang ditujukan untuk melunakkan dan menaikkan kembali keuletan benda kerja agar dapat dideformasi lebih lanjut. Pada dasarnya proses Annealing dan Stress relief Annealing itu mempunyai kesamaan yakni bahwa kedua proses tersebut dilakukan masih dibawah garis A1 (temperature kritis A1) sehingga pada dasarnya yang terjadi hanyalah rekristalisasi saja. 2. Full annealing (annealing) 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. Pada proses full annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A1). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat (biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat penyekat panas yang baik). 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. 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, annealingmerupakan persiapan untuk proses selanjutnya dan tidak merupakan proses akhir. 3. Normalizing Merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih keras dan kuat dari hasil anneal. Secara teknis prosesnya hampir sama dengan annealing, yakni biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 50 Derajat Celcius diatas garis Acm). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan pada udara. Pendinginan ini lebih cepat daripada pendinginan pada annealing. 4. Spheroidizing Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan struktur carbidaberbentuk bulat (spheroid)padamatriks ferrite.Padaproses Spheroidizinginiakan memperbaiki machinibility pada baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja hypereutectoidyang 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. Spheroidizing ini dilaksanakan dengan melakukan pemanasan sampai disekitar temperature kritis A1 bawah atau sedikit dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam waktu yang lama (sekitar 24 jam) 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. 5. Stress relief Annealing Merupakan process perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa akibat proses sebelumnya. 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 timbu yang namanya tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress relief Annealing.  HEAT TREATMENT DENGAN PENDINGINAN 1. 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. Penjelasan diagram: 1. Bentuk diagram tergantung dengan komposisi kimia terutama kadar karbon dalam baja. 2. 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. 3. 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). 4. Bila ditahan suhunya pada titik tertentu dibawah garis horizontal, maka akan mendapat struktur Martensit (sangat keras dan getas). 5. Semakin tinggi kadar karbon, maka kedua buah kurva C tersebut akan bergeser kekanan. 6. 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.  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: 1. Pada proses pendinginan secara perlahan seperti pada garis (a) akan menghasilkan struktur mikro perlit dan ferlit. 2. Pada proses pendinginan sedang, seperti, pada garis (b) akan menghasilkan struktur mikro perlit dan bainit. 3. Pada proses pendinginan cepat, seperti garis ( c ) akan menghasilkan struktur mikro martensit. Dalam prakteknya ada 3 heat treatment dalam pembuatan baja: 1. Pelunakan (Annealing) : pemanasan produk setengah jadi pada suhu 850 – 9500 Cdalam waktu yang tertentu, lalu didinginkan secara perlahan (seperti garis-a diagram diatas). Proses ini berlangsung didapur (furnace). Butiran yang dihasilkan umumnya besar/kasar. 2. 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). 3. 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 1. Perubahan Bentuk dan Ukuran Butiran Baja Pcruhiihan bcntuk dan ukuran butiran baja dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut :  Pemanasan secara terus – menerus Pada pemanasan baja yang dilakukan secara terus-menerus terjadi penyerapan unsur-unsur lainnya (terutama unsur karbon) oleh butirbutiran besi, sehingga akan dihasilkan suatu struktur yang berbentuk kasar. Proses tersebut dikenal sebagai proses pertumbuhan butiran (grain growth). Jadi, pemanasan pada temperatur tinggi akan menyebabkan terjadi pertumbuhan butiran melalui pengkristalan kembali pada baja yang mengakibatkan perubahan bentuk dan ukuran butir-butiran. Selain itu, pertumbuhan butiran akan terjadi terus- menerus selama dilakukan pendinginan. Pengkristalan kembali dan perturnbuhan butiran yang terjadi terhadap baja akibat pengerjaan panas berpenganih pada sifat-sifat mekanik baja dan dapat disimpulkan sebagai berikut. 1) Proses pengerjaan pada suhu yang cukup tinggi, yang memanaskan baja dalam waktu yang cukup larna menyebabkan terjadi pertumbuhan butiran pada baja dalarn jumlah kecil Hal itu membuat baja menjadi kenyal dan tidak mengalami retak-retak atau patah apabila dikerjakan dalam keadaan dingin. 2) Proses pengerjaan di atas Suhu pengkristalan kembali. Baja yang dipanaskan akan mengalami perubahan butir-butiran dengan cepat dan berbentuk kasar serta berukuran besar, sehingga pengerjaan panas pada baja perlu dilakukan lebih lanjut. 2. Perubahan Struktur Baja Perubahan struktur suatu sistem pencampuran logam hanya akan terjadi apabila suatu campuran didinginkan secara perlahan-lahan. Kecepatan pendinginan akan mencegah campuran untuk mencapai kondisi yang seimbang. Sistem campuran yang akan bereaksi terhadap perlakukan panas dan menghasilkan suatu kondisi yang tidak seimbang terdiri dari 2 jenis, yaitu: 1) Sistem yang mempunyai sifat dapat larut terbatas sewaktu dalam keadaan padat tetapi suhu larutan dapat naik dengan pemanasan, dan 2) Sistem yang mempunyai sifat dapat larut terbatas sewaktu dalam keadaan padat tetapi larutan akan masuk ke dalam larutan padat secara komplet sewaktu proporsi dan suhunya sesuai juga terjadi perubahan "allotropik".  Sistem Pertama Gambar 20 menunjukkan sebagian dari diagram keseimbangan untuk suatu, sistem yang mempunyai sifat dapat larut terbatas sewaktu dalam keadaan padat tetapi suhu larutan dapat naik dengan pemanasan. Pada waktu paduan didinginkan secara perlahan-lahan dari suhu itu, mengakibatkan logam B akan menjadi lapisan endapan dari larutan padat seperti yang ditandai melalui keseimbangan panas. Sementara itu, ketika campuran atau paduan didinginkan secara cepat dari suhu itu, akan terjadi larutan padat secara komplet yang mengakibatkan logani B larut dan logam paduan menjadi dalam keadaan tidak seimbang. Pemanasan paduan untuk menghasilkan larutan padat dan pendinginan yang cepat untuk memelihara keadaan strukturnya yang disebut dengan pengerjaan larutan. Pengerjaan itu menyebabkan paduan menjadi lunak, tidak kuat, dan kenyal, sehingga dapat dikerjakan dalam keadaan dingin tanpa mengalami patah. Larutan padat yang tidak stabil mengakibatkan logam B pada akhirnya akan menjadi lapisan endapan besi dari larutan padat. Lapisan tersebut sebagai partikel-partikel halus dari logam B (partikel yang amat halus dari suatu gabungan antara logam A dan logam B) yang menambah kekerasan dan kekuatan paduan, tetapi mengurangi kekenyalannya. Logam B dengan cepat akan mcnjadi lapisan endapan dari larutan padat setelah paduan dilakukan pengerjaan dingin dan akan mcnjadi komplet pelarutannya sekitar 3 hari. Lamanya pengerjaan itu diketahui pula sebagai lamanya pengerasan. Beberapa panduan tidak dikerjakan dalam waktu yang lama atau dikerjakan dalam waktu yang lama, schingga paduan-paduan itn dilakukan pemanasan. Selanjutnya pengendapan dari larutan itu disebut pengerjaan larutan endapan. Sejumlah paduan aluminium bereaksi lerhadap pengerjaan larutan. Dalam hal itu beberapa paduan aluminium dengan lanianya pengerasan dan lainnya harus dilakukan pengerjaan pengendapan larutan untuk memperbaiki sifat-sifatnya.  Sistem Kedua Sistem ini mempunyai sifat dapat larut terbatas sewaktu dalam keadaan padat, tetapi larutan akan masuk ke dalam larutan padat secara komplet sewaktu dalam proporsi dan suhu yang sesuai. Selain itu juga terjadi suatu perubahan "allotropik". Apabila suatu logam mengalami perubahan allotropik (perubahan bentuk fisik) pada suhu tinggi yang sesuai, ketika bahan kedua campuran dapat masuk ke dalam larutan padat, kedua bahan itu dapat dibual menjadi logam paduan yang bereaksi terhadap pengerjaan panas dan menycbabkan paduan tidak seimbang. Ketika paduan dipanaskan akan terbentuk larutan padat, dan sewaktu paduan didinginkan secara cepat maka bahan kedua akan terikat (bersenyawa) yang menyebabkan perubahan lapisan struktur. Jadi, struktur yang dihasilkan akan penuh dengan larutan padat yang luar biasa baiknya dan pengerjaar menaikkan kekerasan dan kekuatan daripada paduan. Baja yang terdiri dari campuran besi dan karbon bereaksi terhadap perlakuan panas. Struktur yang dihasilkan dengan perlakukan panas ini stabil. Selanjutnya, tidak ada perubahan struktur yang akan terjadi, kecuali kalau paduan dipanaskan kembali untuk mereduksi beherapa unsur campuran. C. DAPUR UNTUK PERLAKUAN PANAS Dapur yang digunakan dalam perlakuan panas ialah dapur yang menggunakan gas, arus listrik, dan cairan garam. Uapur-dapur tersebut ialah sebagai berikut. 1. Dapur dengan Pembakar Gas Pada umumnya sebagian besar bahan bakar yang digunakan dalam dapur untuk perlakuan panas adalah gas (gas yang dihasilkan dari kokas) dan udara. Alat pembakarnya adalah jenis pembakar Bunsen dan pertama dialirkan udara yang dikonhrol dengan sebuah katup. Atmosfer yang terdapat di dalam dapur sangat penting, karena perlakuan panas dilakukan pada suhu tinggi. Apabila atmosfer mengoksidasi lapisan kulit (mereduksi karbon) yang telah terhentuk di atas permukaan logam yang dikerjakan maka akan menghasilkan logam yang berkualitas rendah. Hal itu juga akibat pendinginan pada logam. Oleh karena itu, oksidasi/dekarbonasi pada baja diperkecil, karena terjadinya reduksi karbon akan mengubah sifat-sifat permukaannya. Jika atmosfer dapur direduksi/dikurangi atau dikarbonasikan maka pengurangan/reduksi lapisan kulitnya akan berkurang. Tetapi, jika digunakan pada baja maka hal itu akan mcngubah sifat-sifat permukaannya, sehingga perlu ditambahkan unsur karbon. Suatu oksidasi atmosfer diperoleh dengan cara memasukkan lebih banyak udara daripada mementingkan pembakaran yang menyeluruh. Sementara itu suatu reduksi atmosfer diperoleh dengan cara memasukkan sedikit udara daripada mementingkan pembakaran yang menyeluruh. Atmosfer yang netral sukar dihasilkan dengan pengontrolan campuran. Tetapi apabila suatu atmosfer yang netral perlu sekali untuk dipakai (misalnya untuk annealing atau pemijaran dingin secara ringan) maka digunakan dapur Mofel. Perhatikan Gambar 21! Atmosfer di dalam dapur Mofel dapat diperoleh dari udara dan atmosfer di dalam dapur itu dibatasi. Pembatasan atmosfer dapat dilakukan dengan pembakaran gas kokas di dalam ruangan yang terpisah dengan membatasi sejumlah udara yang masuk ke dalam dapur. Hasil dari pembakaran yang berupa gas dimasukkan ke dalam kondensor untuk mengeluarkan kandungan udara dari dalam gas. Pada waktu mengeraskan bahan baja potong tinggi (High Speed Steel = HSS), yang pertama kali dilakukan adalah memanaskannya secara perlahan-lahan pada suhu tertentu. Selanjutnya dipanaskan secara cepat untuk mencegah terjadinya pertumbuhan butir-butiran dan lapisan yang baru pada kulitnya. Dalam hal proses pengerasan seperti di atas (misalnya baja HSS) digunakan dapur yang mempunyai 2 buah ruangan pemanas. Ruangan yang terdapat pada bagian bawah dapur digunakan untuk pemanasan pada suhu tinggi dengan cara mernasukkan udara dan gas. Sementara itu, ruangan pada bagian atas digunakan untuk pemanasan pada suhu rendah dengan cara hanya memanaskan dengan gas yang diperoleh dan ruangan bagian bawah. Jika sejumlah besar peralatan akan diberi perlakuan panas dengan cara dipanaskan terus-menerus (dipanaskan pada suhu tetap) dan kemudian didinginkan maka digunakan dapur yang dapat terus-menerus memanaskan (dapur pemanas terus-menerus). Dapur mi mempunyai ukuran yang panjang, sehingga benda kerja yang dipanaskan di dalam dapur disesuaikan dengan ukuran panjang dapur. Pada pemanasan akhir di dalam dapur (ruangan atas dapur), suhunya harus dijaga tetap rendah. Kecepatan pemanasan dan pendinginan diatur sesual sepanjang "daerah" pemanasan di dalam dapur. Selain itu, juga dilakukan pengaturan kecepatan gerakan (mcmbawa) peralatan sepanjang "dacrah" pemanasan di dalam dapur. 2. Dapur Listrik Dapur listrik yang digunakan dalam proses perlakuan panas adalah dapur listrik tahanan yang menggunakan elemen-elemen pemanas dan ditempatkan di sekeliling ruangan pemanas. Atmosfer di dalam dapur biasanya udara. Pembatasan atmosfer di dalam dapur dapat dilakukan apabila diinginkan, sehingga jenis dapur ii dapat dilakukan pengontrolan suhu dengan amat teliti. Dapur listrik dengan pemasukan udara sirkulasi digunakan untuk proses perlakuan panas pada suhu rendah. Dalam proses ini panas dimasukkan dengan cara dipancarkan dan udara sirkulasi ditingkatkan dengan kipas angin. Untuk proses heat treatment dapat juga dilakukan dalam dapur listrik induktif. Perhatikan Gambar 22! 3. Dapur Pencelupan Air Garam Peralatan dapat diberi perlakuan panas dengan cara dipanaskan setelah benda dimasukkan/dicelup-kan ke dalam cairan garam. Cairan garam ditempatkan di dalam tromol (boks), kemudian dimasukkan peralatan yang akan dipanaskan. Selain itu, juga dapat dilakukan pemanasan dengan menggunakan listrik tahanan yang arus listriknya dimasukkan ke dalam tromol melalui elektroda. Cairan garam digunakan untuk menetralisir pemanasan dan menunda terjadinya pendinginan. Cairan itu, juga digunakan dalam proses karburasi untuk pengerasan permukaan baja yang diberi perlakuan panas. Dapur pencelupan air garam adalah untuk menghasilkan kecepatan pemanasan yang sesuai dan tidak terjadi oksidasi di dalam dapur, karena udara tidak bersinggungan dengan permukaan peralatan, Peralatan yang sedang di heat treatment terlebih dahulu dipanggang sebelum dicelupkan ke dalam cairan air garam. Setelah dilakukan proses heat treatment, peralatan dikeluarkan dari dalam tromol cairan air gararn dan dibersihkan untuk mengeluarkan garam yang melekat di atas permukaan peralatan benda kerja. D. PROSES PERLAKUAN PANAS PADA BAJA Proses perlakuan panas secara luas dapat diklasifikasikan atas dua jenis, yaitu proses perlakuan panas yang menghasilkan kondisi seimbang dan proses perlakuan panas yang menghasilkan kondisi tidak seimbang. Dalam kondisi seimbang baja mempunyai kekuatan dan kekerasan yang kurang, tetapi kekenyalan lebih tinggi dalam kondisi tidak seimbang. Pengerjaan annealing (pemijaran dingin) adalah sebagai contoh pengerjaan baja yang menghasilkan kondisi yang seimbang, sedangkan pengerjaan baja dalam kondisi yang tidak seimbang contohnya pengerjaan pengerasan. Tempering (penyepuhan) adalah cenderung memperbaiki kondisi baja, tetapi pengerjaan itu digunakan berhubungan dengan pengerasan yang digunakan untuk pengontrolan tingkat ketidakseimbangan dari baja. 1. Pengerjaan Baja yang Menghasilkan Kondisi Seimbang Sewaktu baja dipanaskan pada suhu di atas 500°C maka akan terjadi pembebasan sebagian kecil tegangan yang bersisa di dalnm baja. Hal itu menyebabkan berkurangnya sedikit kekerasan dan kekuatan baja. Sewaktu suhu pemanasan mencapai sekitar 500°C maka akan berlangsung pengkristalan kembali yang akan menghasilkan butir-butiran baru yang kecil dan halus. Sekalipun butir-butiran yang telah terbentuk menjadi kasar dan berukuran besar serta menaikkan kekenyalan baja, tetapi mengurangi kekerasan dan kekuatannya. Apabila pengerjaan dilakukan pada suhu yang cukup tinggi maka akan dihasilkan baja yang mempunyai struktur austenit. Dan apabila kecepatan pendinginan cukup rendah maka akan dihasilhan struktur mikro. Hal itu ditandai dcngan diagram keseimbangan, sekalipun baja tidak seimbang sebelum dilakukan perlakuan panas. Pada akhir perlakuan panal,, sifat-sifat haja akan tergantung pada kandungan karbon, suhu pemanasan, lamanya pemanasan, dan kecepatan pendinginan baja. Jenis-jenis perlakuan panas untuk izicndal%it hajia (hl,mn mendapat baja dalam kondisi yang seimbang yaitu pembebasan tegangan, pemijaran dingin, dan penormalan. a. Pemijaran Pembebas Tegangan Pemijaran tegangan dimaksudkan untuk pemanasan bahan sampai kira-kira I50°C, lalu dipertahankan behcrapa waktu lamanya pada suhu tersebut dan sesudah itu didinginkan dalam dapur dengan perlahan - lahan. Tujuan dari pengerjaan panas ini adalah untuk mengurangi tegangan dalam bahan yang terjadi karena penempaan atau pengelasan atau karena penuangan. Hal ini terjadi karena pada suhu tersebut atom memperoleh daya gerak yang lebih besr dan oleh sebab itu, membentuk kisi kristal yang tidak begitu tegang. Pengerjaan pijar ini dilakukan untuk baja, baja tuang, dan besi tuang. Penstabilan seringkali dilakukan setelah pengerasan untuk melepaskan tegangan pada baja yang disebabkan pendinginan. b. Pemijaran Dingin (Annealing) Annealing dapat didefinisikan sebagai pemanasan pada suhu yang sesuai, diikuti dengan pendinginan pada kecepatan yang sesuai. Hal ini bertujuan untuk menginduksi kelunakan, memperhaiki sifat – sifat pengerjaan dingin dan membebaskan tegangan-tegangan pada baja sehingga diperoleh struktur yang dikehendaki. Perhatikan Gambar 23! Sifat-sifat baja yang disebutkan pada dcfinisi di atas diartikan bahwa baja harus dipanaskan melalui suhu melalui suhu pengkristalan kembali untuk membebaskan tegangan-tegangan dalam baja. Keinudian mempertahankan pernanasannya pada suhu tinggi untuk mcmbuat sedikit pertumbuhan butir – butiran dan suatu struktur lapisan austenit. Dan seterusnya didinginkan sccara perlahan-lahan untuk membuat suatu struktur lapisan perlit, menginduksi kelunakan, dan memperbaiki sifat-sifat pengerjaan dingin. Beberapa jenis proses annealing yaitu anneailing pcnuh, isotermis, dan annealing kritis bawah. 1) Annealing Penuh Proses ini dapat diartikan sebagai pemanasan yang dipertahankan pada beberapa suhu di atas batas perubahan (transformasi). Selanjutnya didinginkan dan dipertahankan pemanasannya pada suhu di bawah batas transformasi. 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 pernanasan baja mencapai perendaman cairan garam (biasanya sekitar 650°C). Selanjutnya baja dikeluarkan dari dalam rcndaman air garam dan didinginkan secara bebas di udara. 2) Annealing Pada Suhu Kritis Terendah Proses ini dapat diartikan sebagai pemanasan yang dipertahankan pada beberapa suhu di bawah batas transformasi (perubahan), diikuti dengan pendinginan pada kecepatan yang sesuai. Proses ini diintroduksi secara luas selama dilaksanakan pengerjaan dingin Supaya menghilangkan perubahan bentuk dari kristal. Sehingga pengerjaan dingin dalam proses ini dapat diteruskan (proses ini biasanya disebut proses annealing). Perlu dipahami bahwa annealing penuh dilakukan sebelum dimulai proses pengerjaan dingin. Hal itu akan berpengaruh terhadap bentuk butir-butirannya, tetapi tidak tersusun secara mikro. Oleh karena itu, tidak diusahakan untuk membuat perubahan pada susunan mikronya. Baja perlu dipanaskan pada suhu yang cukup tinggi untuk membuat struktur austenit maupun didinginkan secara perlahan-lahan. Dalam proses ini baja dipanaskan pada suhu sekitar 650°C. Suhu itu 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 (ikerjakan 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. Pengelupasan ini dapat dicegah dengan cara berikut. a) Panaskan baja di dalam kotak (trornol) yang tertutup dan dilapisi Dengan batu tahan api. Baja di dalam tromol dikelilingi dengan bahan yang sesuai dan juga berfungsi sebagai pendukung batang baja yang dipanasi. Di samping itu, hanya terdapat sedikit udara di dalam tromol. Besi akan menerima atau menolak persenyawaan unsure karbon pada suhu tinggi yang didasarkan pada atmosfer sekeliling logam yang dipanaskan. Baja berkarbon tinggi dikelilingi dengan bahan karbonasi, sebaliknya akan terjadi dekarbonasi (pereduksian karbon) selama pemanasan. Cara yang hampir sama dilakukan juga pada pengerjaan baja karbon rendah. Hanya perbedaannya ialah baja harus dibungkus atau dikelilingi di dalam tromol dengan bahan netral, sehingga terjadi penyerapan unsur karbon. b) Baja dapat dipanaskan di dalam dapur atmosfer yang terkontrol. Hanya sewaktu cara ini digunakan, baja perlu dibungkus dalam tromol dengan bahan yang sesuai. c. Proses Penormalan Baja (Normalising) Proses ini dapat diartikan sebagai pemanasan dan mempertahankan pemanasan pada suhu yang sesuai di atas batas perubahan, diikuti pendinginan secara bebas di dalam udara luar supaya terjadi perubahan ukuran butir-butiran. Hal tersebut membuat struktur lebih seragam dan juga untuk memperbaiki sifat-sifat nnekanik baja tersebut Perhatikan Gambar 24! Pada proses ini baja dipanaskan untuk membentuk struktur austenit, direndam dalam keadaan panas, dan seterusnya didinginkan secara bebas di udara. Pendinginan yang bebas akan menghasilkan struktur yang lebih halus daripada struktur yang dihasilkan dengan jalan annealing. Pengerjaan mesin juga akan menghasilkan permukaan pengerjaan yang lebih baik. Proses penormalan sering dilakukan sebelum proses pengerasan untuk menghasilkan struktur yang seragam. Baja direndam dalam panas selarna proses pengerasan agar menghasilkan struktur yang seragam. Tetapi butir-butirannya menjadi kasar dan akan menghasilkan sifat-sifat jelek dalam baja. Setiap butiran yang kasar dapat diubah melalui proses normalising dengan jalan pemanasan pada suhu pengkristalan kembali sewaktu suhu naik sampai suhu pengerasan. 2. Pengerjaan Baja Menghasikan Kondisi Yang Tidak Seimbang Sewaktu baja dipanaskan pada suhu tinggi maka besi akan berubah dari susunan hesi alfa (α) menjadi susunan best gamma (). Dan seluruh unsur karbon yang terkandung di dalam baja akan menyebar ke seluruh strukturnya untuk membentuk larutan padat austenit. Ketika baja didinginkan maka best akan beruhah kembali menjadi susunan hesi alfa (a). Baja tersebut hanya mengandung sedikit unsur karbon dalam larutan padat yang berbentuk, f'erit sewaktu baja dalam kondisi seimbang. Pengendapan kelebihan unsur karhon dalam larutan terjadi pada waktu susunan besi berubah dan memerlukan pendinginan yang sangat lamban melalui batas perubahan. Jika baja didinginkan (pendinginan dengan cara sangat cepat) dari kondisi austenit maka unsure karbon yang lebih tidak akan larut. Akan tetapi, akan mengendap dalam lapisan untuk membentuk larutan padat yang mengandung banyak karbon dalam best alfa (α) yang disebut martensit. Martensit mempunyai suatu struktur yang sangat halus seperti jarum. Di samping itu, pelarutan unsur karbon dalam jumlah yang hesar menyebabkan tcrjadi perubahan lapisan kubusnya, serta mempunyai sifat yang sangat kuat dan keras, tetapi sangat rapuh. Pengerjaan baja untuk menghasilkan kondisi yang tidak seimbang dapat dilakukan pengerjaannya dengan cara pengerasan (hardening) dan penyepuhan (tempering). a. Pengerasan Baja ( Hardening ) Pengerasan yang dilakukan secara langsung adalah baja dipanaskan untuk menghasilkan struktur austenit dan selanjutnya didinginkan. Pembentukan sifat-sifat dalam baja tergantung pada kandungan karbon, temperatur pemanasan, sistem pendinginan, serta bentuk dan ketebalan bahan. 1) Pengaruh Unsur Karbon Supaya dihasilkan suatu perubahan sifat-sifat baja maka unsure karbon yang larut dalam padat harus secukupnya, setelah dilakukan pendinginan untuk menghasilkan perubahan lapisannya. Jika kandungan karbon kurang dari 0,15% maka tidak terjadi perubahan sifat-sifat baja setelah didinginkan. Tetapi, kenaikan kandungan karbon berhubungan dengan kenaikan kekuatan dan kekerasan sebagai hasil daripada pendinginan, hanya kenaikan tersebut akan mengurangi kekenyalan pada baja. Perhatikan Gambar 25! 2) Pengaruh Suhu Pemanasan Supaya terjamin pelarutan yang lengkap sebagai hasil dari pendinginan maka penting adanya pelarutan unsur karbon dcngan jumlah cukup dalam larutan padat sebagai hasil dari pemanasan. Baja yang mengandung karbon kurang dari 0.83%, dipanaskan di atas titik kritis atas (tertinggi). Seluruh unsur karbon masuk ke dalam larutan padat dan selanjutnya didinginkan. Baja dengan kandungan karbon lebih dari 0,83% biasanya dipanaskan hanya sedikit di atas titik kritis terendah (bawah). Dalam hal ini, terjadi perubahan perlit menjadi austenit. Pendinginan yang dilakukan pada suhu itu akan membentuk martensit. Perhatikan Gambar 26! Juga sewaktu kandungan karbon di atas 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. Austenit akan menghasilkanstruktur berbentuk kasar tanpa mengalami penambahan yang cukup besar pada kekerasan dan kekuatannya. Akan tetapi, akan menyebabkan baja menjadi lebih rapuh setelah didinginkan. Lamanya pemanasan tergantung atas ketebalan bahan tetapi bahan halus tidak berukuran pan ang 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 dihasilkan kekerasan baja yang maksimum. Adapun kecepatan pendinginan kritis adalah tergantung pada komposisi kimia baja. Bila kecepatan pendinginan sedikit lebih rendah dari kecepatan pendinginan kritis, akan terbentuk "troostit". Troostit dan sorbit lebih keras dan kuat daripada baja yang mempunyai struktur yang seimbang. Sewaktu struktur besi dibentuk dengan cara pendinginan dari kondisi austenit, yang dihasilkan adalah struktur perlit yang berbentuk sangat halus. Struktur tersebut sering disebut lapisan perlit troostit dan perlit sorbit untuk membedakannya dart struktur yang dibentuk dengan cara pemanasan kembali martensit. Kecepatan pendinginan tergantung pada pendinginan yang digunakan. 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. Dan setelah terjadi perubahan pemuaian yang mengubah susunan lapisannya, dilakukan pendinginan baja secara terus-menerus. Perubahan itu berlangsung setahap demi setahap sampai mendekati inti, sebagai akibat dari pendinginan, sehingga setiap lapisan luar akan memuai yang berlawanan dengan lapisan luarnya. Apabila kandungan karbon dalam baja cukup tinggi yang bereaksi terhadap pendinginan muka baja akan retak karena kerapuhannya yang luar biasa. Untuk mencegah retak - retak, memperkecil perubahan, dan menghasilkan sifat – sifat yang diperlukan maka harus digunakan pendinginan sedang yang cukup drastis. Pada umumnya baja paduan dapat didinginkan di dalarn udara embus. Air digunakan apabila baja karbon biasa mempunyai kekerasan yang tinggi. Tetapi, harus disadari bahwa baja karbon tinggi dapat didinginkan di dalam minyak untuk memperolch kekerasan yang sama. Dan untuk menghasilkan kekerasan yang sama pada baja karbon rendah adalah dcngan cara didinginkan di dalam air. Sewaktu sepotong baja yang amat tipis dipanaskan dan didinginkan. hanya hagian luar yang akan bcrbentuk martensit, sedangkan bagian intinya akan berbcntuk perlit yang halus. Perbedaan dari kedua strukturnya akan menyebabkan perbedaan sifat-sifamya dalam potongan melintang, yang dikctahui sebagai pengaruh menyeluruh. Perbedaan sifat-sifatnya seringkali tidak diperhatikan karena biasanya lapisan pcrmulaannya mcmpunyai kekuatan yang lebih tinggi daripada intinya. Tetapi, sewaktu diperlukan sifat yang seragam atau inti yang kuat terganlung pada tcbal maksimum bahan dan komposisi baja. Untuk menjamin peruhahan pada baja sekecil mungkin maka yang perlu diingat dan diperhatikan adalah cara pengcrjaan baja selama prmanasan dan cara pendinginan yang digunakan. Masalah yang terjadi dalam proses pcngertsan baja dapat dikurngi dalam proses pengerasan baja dapat dikurangi dengan merencanakan peralatan secara hati-hati. keseragaman tebal baja akan memungkinkan untuk didinginkan secara seragam dan cendcrung akan mengurangi rctak-rctak pada sudutnya. b. Penyepuhan ( Tempering ) Baja biasanya dipanaskan kembali pada suhu kritis terendah setelah dilakukan pengcrasan untuk rnemperbaiki kekuatan dan kekenyalannya. Akan tetapi, hal itu mengurangi daya regang dan kekerasannya, sehingga membuat baja lebih sesuai untuk kebutuhan pembuatan peralatan. Perhatikan Gambar 27! Proses pemanasan kembali disebut penyepuhan. Proses tersebut menyebabkan martensit berubah menjadi troostit atau sorbit sesuai dengan suhu penyepuhannya. Troostit dan sorbit tersebar halus dalam bentuk karbid pada lapisan ferit Bentuk strukturnya tidak seperti austenit tetapi berlapis-lapis. Suku pcnycpuhan tergantung pada sifat – sifat baja yang diperlukan, biasanya sekitar 180°C - 650°C, dan lamanya pemanasan tergantung pada tebalnya bahan. Pemanasan biasanya dilakukan di dalam dapur sirkulasi udara dan setcrusnya direndam dalam minyak atau air garam atau timbel (timah hitam). Dengan demikian, suhu pemanasannya dapat dikontrol secara tepat. Alat-alat biasanya disepuh pada suhu rendah. Penetapan suhu tersebut dengan cara melihat warna pada lapisan tipis (selaput) oksidanya yang dihasilkan dengan pemanasan. TABEL 5 SUHU PENYEPUHAN Warna Penyepuhan 0 Suhu C Kuning muda Kuning tua Cokelat Cokelat merah Merah Merah tua biru 230 240 250 260 270 280 300 Akan tetapi cara tersebut kurang sesuai untuk penggunaan suhu yang teliti, karena hanya diperkirakan. Gambar 28 menunjukkan pengaruh proses pengerasan dan penyepuhan terhadap sifat-sifat mekanik baja. Terlihat bahwa batas luas sifat-sifat dari suatu baja dapat diperoleh berdasarkan besarnya suhu pengerasan dan penyepuhan. E. PENGERASAN PERMUKAAN BAJA Seringkali suatu komponen harus mempunyai permukaan yang keras dan tahan pakai, yang didukung oleh inti yang kuat dan tahan terhadap guncangan. Sifat-sifat yang berbeda itu dapat digabungkan dalam suatu baja dengan pengerasan permukaan. Cara-cara pengerasan permukaan dapat dilakukan dengan cara pemanasan seluruh komponen atau pemanasan hanya pada bagian permukaan komponen. 1. Pemanasan Seluruh Komponen Suatu komponen dapat dilakukan proses heat treatment. Pada proses tersebut, hanya sebagian permukaan komponen yang akan bereaksi terhadap pengerjaan maka seluruh komponen dapat dipanaskan selama pengerjaan. Pengerjaan permukaan dengan cara ini dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu dengan cara penyepuhan keras (case hardening) atau menitrir (riitriding) dan proses karbonasi. a. Ponyepuhan Kcras Yang dimaksud dengan penycpuhan keras ialah pemanasan bahan sampai suhu tertentu lalu dipertahankan pada suhu itu beberapa waktu lamanya, kemudian didinginkan dengan cepat. Tujuan dari pengerjaan panas ini ialah untuk mengeraskan bahan. Hal ini dapat terjadi karena dengan pendinginan cepat dari suhu tertentu timbul struktur yang keras. Cara penyepuhan keras digunakan untuk pekerjaan yang umum Suatu komponen tidak mendapat panas yang tinggi sewaktu digunakan dan memerlukan inti yang kuat. Cara ini dengan mudah dapat dilakukan, karbonasi tidak dapat mclakukan penyepuhan yang berkualitas, tetapi pengerjaan dengan cara ini Iebih cepat. Dalam proses ini biasanya komponen terbuat dari baja dengan kandungan karbon sekitar 0,3%. Baja itu tidak akan bereaksi terhadap pengerjaan pengerasan yang langsung dan pengerjaan karbonasi (sementasi). Pengerjaan karbonasi adalah untuk menaikkan kandungan karbon pada lapisan permukaan, sehingga hanya permukaannya yang akan bereaksi terhadap pengerasan. Dalam proses karbonasi, komponen baja dipanaskan dalam karbon yang berwujud atmosfer. Proses ini hampir sama seperti yang digunakan dalam metnbuat jenis baja dari besi tempa. Akan tetapi, hasilnya tidak memuaskan, karena pendistribusian karbon tidak merata pada potongan melintang dalam komponen baja. Hal tersebut menghasilkan permukaan yang mengandung karbon tinggi, sedangkan sekeliling intinya mengandung karbon yang rendah. Sewaktu komponen dipanaskan dan didinginkan maka hanya lapisan permukaannya yang akan bereaksi dan menjadi keras, sedangkan intinya akan tetap lunak dan kuat seperti yang diinginkan. Apabila bagian permukaan tetap lunak maka dapat disuntikkan unsur-unsur logam selama pelaksanaan karbonasi. Suntikan itu gunanya untuk mencegah kadar karbon rendah. Cara yang lainnya adalah dengan mengerjakan komponen dalam mesin perkakas setelah dilakukan karbonasi. Dalam hal ini permukaan yang mengandung karbon tinggi akan tersayat (terpotong) untuk mendapat lapisan lunak yang mendekati intinya. Proses penyepuhan keras dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu dengan cara karbonasi dan pengerjaan panas. 1) Baja yang dapat disepuh keras Untuk dapat menyepuh keras baja, diperlukan karbon yang dapat terkurung dalam kisi hablur feritis. Dengan cara percobaan yang berulang-ulang dapat ditentukan, bahwa baja dengan kadar karbon mulai dari 0,3% setelah disepuh keras memperoleh penambahan kekerasan yang berguna untuk praktek. Oleh sebab itu, baja dengan kadar karbon mulai dari 0,3 % disebut baja yang dapat disepuh keras, yang sesungguhnya kurang tepat. Dapat juga dikatakan, jika kadar karbon meningkat dari 0 sampai 1,5%, Sifat dapat disepuh keras dan kekerasannya sctelah disepuh keras meningkat pula. 2) Suhu pcnyepuh keras Untuk menyepuh keras baja diperlukan pemanasan sampai ke daerah austenit. Karena pendinginan yang cepat austenit itu berubah ke dalam struktur pcnyepuhan keras. Akan tetapi untuk baja "perlitis atas" tidak perlu dipanaskan sampai ke dalam daerah austenit scluruhnya, melainkan cukup sampai kira-kira 50°C di atas garis sepuh keras. Pada suhu lersebut baja "perlitis atas" terdiri dari austenit dan sementit. Dengan jalan pendinginan cepat austcnit diubah ke dalam struktur penyepuhan keras, sedangkan sementit tidak mengalami perubahan. Jadi, sctelah didinginkan baja "perlitis atas" terdiri dari struktur penyepuhan keras dan sementit Karena sementit kira-kira hampir sama keras dengan struktur penyepuhan keras maka untuk baja perlitis atas cukup dengan pemanasan sampai lebih kurang 50°C di atas garis sepuh keras. 3) Kecepatan pendinginan Struktur yang terjadi waktu penyepuhan keras baja tergantung dari kecepatan pendinginan. Pada kecepatan pendinginan yang besar, semua karbon terkurung dalam kisi kristal feritis. Pada kecepatan pendinginan yang tidak begitu besar, tidak semua karbon tinggal terkurung dalam kisi hablur feritis, oleh karena itu dapat terjadi berbagai macam struktur penyepuhan keras. Struktur mana yang terjadi pada kecepatan pendinginan tertentu dapat ditetapkan dengan diagram TIT (Ternperci - ture-Time-Transformation) / diagram SWT (Suhu-Waktu-Transformasi). 4) Diagram TTT atau SWT TTT itu adalah singkatan dari bahasa Inggris Temperature, Time, dan Transformation. Dalam diagram itu suhu diukur secara lurus pada garis vertikal dan pada garis horizontal waktu diukur secara logaritmis. Untuk baja tertentu, grafik yang diperoleh secara demikian menunjukkan permulaan dan akhir dari transformasi. Diagram TTT yang dilukiskan pada Gambar 29 adalah dari baja perlitis. Grafik kiri menunjukkan permulaan dari perubahan struktur, sedangkan grafik kanan menunjukkan bagian akhir dari perubahan struktur. Tiap jenis baja mempunyai diagram TTT sendiri. Jadi, yang penting di sini adalah berapa jauh "hidung" grafik S itu terletak dari sumbu vertikal. Jarak itu menentukan kecepatan pendinginan kritis. Jika jarak tersebut bertambah besar, pendinginan dapat dilakukan lebih perlahan-lahan. Jarak ini bertambah besar, jika baja dialiasi dan sebagai akibatnya kecepatan pendinginan kritis. Jadi, dengan mengingat jenis bahan yang digunakan waktu menyepuh keras, kita membedakan baja sepuh keras air, baja sepuh keras minyak, dan baja sepuh keras udara. b. Karbonasi Untuk dapat menyepuh keras baja diperlukan kadar karbon sekurangnya 0,3%. Lihatlah pada bagian baja yang dapat disepuh keras. Jika baja mempunyai kadar karbon kurang dari 0,3% maka dengan pengerjaan panas pada baja itu dapat ditambahkan karbon. Pengerjaan panas ini dinamakan karbonasi. Karbonasi dimaksudkan memanaskan bahan sampai 900 - 950°C dalam lingkungan yang menyerahkan karbon, lalu dibiarkan beberapa waktu lamanya pada suhu tersebut dan kemudian didinginkan. Tujuan dari pengerjaan panas itu ialah untuk memberi lapisan luar pada benda kerja yang dapat disepuh keras. Hal ini mungkin karena pada suhu tersebut karbon dapat meresap ke dalam lapisan luar benda kerja. Karbonasi dinamakan juga penumpukan karbon atau menyemen. Pengerjaan panas ini digunakan untuk baja dengan kadar karbon dari 0,1- 0,2%. Lapisan luar benda kerja yang telah mengambil karbon dinamakan lapisan karbonasi. Tebalnya lapisan yang dikarbonasikan dalam lingkungan yang dapat menyerahkan karbon tergantung dari waktu karbonasi dan dari suhu. Perhatikan Gambar 30! 1) Karbonasi dengan perantaraan zat padat Sewaktu digunakan bahan zat padat maka prosesnya disebut karbonasi terbungkus. Dalam proses ini caranya adalah komponen dimasukkan ke dalam suatu tromol logam yang sesuai dan di dalam trornol dikelilingi dengan bahan karbonasi. Dalam proses ini tidak terjadi pembuatan gas karbon selama berlangsung pereduksian karbon dari dalam komponen. Selain itu, tidak terjadi pemasukan udara ke dalarn tromol, karena tromol tertutup rapat yang, tutupnya diperkuat dengan tanah Hat tahan api. Pada dasarnya bahan-bahan yang digunakan dalam karbonasi yaitu kayu, tulang, dan kulit arang kayu. Untuk mempercepat proses karbonasi maka ditambah dengan karbonat barium dan karbonat natrium. Kedua jenis bahan tambahan tersebut termasuk jenis bahan-bahan pembangkit tenaga. Kandungan karbon yang terserap pada permukaan komponen dapat dikontrol dengan bahan campuran yang baru atau menggunakan bahan karbonasi. Permukaan komponen juga dapat dilapisi dengan bahan pelapis yang sesuai atau bahan galvano plastik (galvanis) atau dengan endapan tembaga yang menghasilkan tebalnya lapisan sekitar 0,1 mm. Kecepatan karbonasi dapat dilihat pada Gambar 31, tetapi hal itu dapat dipercepat dengan menggunakan suhu tinggi. 2) Karbonasi dengan perantaraan zat padat cair Karbonasi ini dilakukan dengan rendaman air garam yang terdiri dari karbonat natrium (sodium) dan sianida natrium yang dicampur dengan salah satu bahan klorid natrium atau klorid barium. Proses karbonasi dengan perantaraan zat cair sesuai untuk menghasilkan suatu lapisan yang tebalnya sekitar 0,3 mm. Cara karbonasi dengan kecepatan tinggi digunakan apabila suatu peralatan yang digunakan mengalami kerugian dalam sifat-sifatnya. Karena hal itu membuat peralatan mempunyai tegangan yang tinggi sewaktu digunakan. Kecepatan karbonasi dapat menentukan penyerapan karbon yang lebih bcsar daripada penyebaran karbon di dalam baja. Proses itu menghasilkan suatu lapisan yang tipis dengan kandungan karbon yang amat tinggi. Akan tetapi, lapisan itu kemungkinan akan retak-retak sewaktu dikarbonasi. Karena itu, peralatan harus dipanaskan kembali dengan cara pemanggangan di dalam tungku pemanas. 3) Karbonasi dengan perantaraan gas Gas digunakan sebagai bahan perantara yang sesuai untuk karbonasi yang dilakukan terus-menerus. Hal itu akan menghasilkan suatu lapisan dengan tebal sekitar I mm dan memerlukan waktu sekitar 4 jam. Selama proses karbonasi, 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. 2. Proses Perlakuan Panas Pelaksanaan karbonasi yang memerlukan waktu lama akan menyebabkan terjadi pertumbuhan butir-butiran baru, kecuali kalau baja disepuh dengan perantaraan nikel. Peralatan yang dikarbonasi dengan perantaraan perlakuan panas dan menghasilkan butir-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 baik sekali apabila pengerjaan lapisan dengan inti dilakukan secara terpisah. a. Pengerjaan Inti Pengerjaan inti pertama kali dilakukan dengan cara pemanasan kembali baja pada suhu sekitar 870°C untuk memurnikan intinya yang menghasilkan struktur yang seragam. Selanjutnya, baja didinginkan secara cepat (tib-tiba) untuk mencegah pertumbuhan butir-butiran baru selama proses pendinginan. Suhu pemanasan dalam proses ini lebih tinggi daripada suhu untuk pengerjaan lapisan baja yang mengakibatkan dihasilkan austenit yang berbentuk kasar. Oleh karena bentuknya kasar maka sewaktu baja didinginkan tiba-tiba akan dihasilkan martensit yang luar biasa rapuhnya. Lapisan luar dan lapisan di atas (mendekati) inti harus dimurnikan kembali setelah dilakukan permurnian bagian intinya. b. Pemurnian Lapisan Pada proses ini baja dipanaskan sekitar 760°C yang didasarkan atas komposisi lapisannya scwaktu dilakukan pembersihan lapisan dan dilakukan penyepuhan pada lapisan di atas inti. Selanjutnya, baja didinginkan secara tiba-tiba dari suhu tersebut di atas. Baja seringkali dilakukan pengerjaan terakhir dengan cara disepuh pada suhu sekitar 200°C untuk mengurangi (melepaskan) tegangan yang terjadi pada baja yang diakibatkan pendinginan tiba-tiba. Beberapa perbedaan yang terdapat di dalam proses penyepuhan keras dari Beberapa penjelasan di atas adalah sebagai berikut. 1) Sewaktu baja campuran disepuh keras dengan menggunakan nikel sekitar 3 - 5% maka proses karbonasi yang digunakan tidak akan menghasilkan pertumbuhan butir-butiran dan pembersihan bagian intinya tidak dipentingkan. 2) Apabila komponen sewaktu digunakan tidak menjadi atau menghasilkan tegangan yang tinggi maka proses pemurnian inti tidak perlu dilakukan, walaupun baja tidak mengandung nikel. 3) Apabila baja mengandung nikel atau apabila komponen tidak mungkin menghasilkan tegangan yang tinggi, dalam pemakaiannya dilcngkapi dengan kelebihan logam pada bagian permukaan yang akan dikeluaarkan / disayat. Setelah komponen dikeraskan maka komponen dapat didinginkan secara langsung dari karbonasi. Dan seterusnya disepuh untuk mengeluarkan tegangan yang terjadi Sewaktu pendinginan berlangsung, cara seperti ini disebut "pendinginan cawan". 3. Menitrid (Pengerasan Permukaan) Menitrid dapat didefinisikan sebagai suatu proses pengerasanpermukaan. Dalam hal ini, baja paduan spesial dipanaskan untuk waktuyang lama dalam suatu atmosfer dari gas nitrogen. Hasil dari pengerjaan nitrid adalah menghasilkan suatu perrnukaan yang keras. Supaya dihasilkan permukaan yang keras dengan cara ini maka digunakan suatu baja paduan yang mengandung sedikit unsur kromium dan aluminium sesuai dengan kekerasan yang akan dihasilkan. Apabila baja karbon biasa yang dilunakkan 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 pcngerjaan pengerasan. Peralatan yang dinitrid diberi pengerjaan panas selama tingkat awal daripapa 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 - 750° C yang tergantung atas komposisi dan sitat-sifat baja yang diperlukan. Sebelum baja diselesaikan dengan pengerjaan mesin maka baja dipanaskan pada suhu sekitar 550°C selama lebih dari 7 jam. Seterusnya didinginkan secara perlahan-lahan untuk mengeluarkan tegangan yang terjadi pada bahan dan memperkecil perubahan selama proses nitrid karena tidak dilakukan pendinginan tiba-tiba. Baja tidak akan rusak dari perubahan yang terjadi dari pendinginan yang tiba-tiba. Hal-hal yang terpenting dari proses nitrid adalah sebagai berikut. 1) Proses menitrid yang terdiri dan pemanasan peralatan pada suhu 500°C yang dilakukan dalam sirkulasi yang tetap dari gas amoniak yang lamanya di atas 100 Jam. Tingkat awal dari proses nitrid adalah menghasilkan lapisan yang tebalnya sekitar 0,1 mm dalam waktu 10 jam. Tetapi, apabila proses diteruskan maka kecepatan perembesan (penetrasi) berkurang. Proses tersebut memerlukan waktu sekitar 100 jam untuk memperoleh ketebalan lapisan sekitar 0.7 mm. Selama proses nitrid peralatan dimasukkan ke dalam tromol (boks) tertutup rapat yang hanya dapat memasukkan dan mengeluarkan amoniak. Selanjutnya, peralatan dipanaskan dari luar dengan gas. Pada penyelesain pemanasan, amoniak tetap mengadakan sirkulasi sampai suhu turun pada sekitar I50°C. Kemudian tromol dibuka dan dilakukan pendinginan sccara lengkap di udara. Setelah pengerjaan ini, komponen dapat dipukul (ditcmpa) apabila diperlukan untuk mengeluarkan lapisan-lapisan tipis yang dihasilkan pada permukaan komponen. 2) Untuk menjaga daerah permukaan komponen tetap lunak maka komponen dapat dilapisi dengan timah, tembaga atau nikel atau menggunakan bahan, pelapis yang sesuai. Hal itu bertujuan untuk memperoleh lapisan endapan yang tebalnya sekitar 0,07 mm. Penitridan ini menyebabkan tcrjadinya pertambahan diameter sekitar 0,02 - 0,05 mm atau sekitar 0,015 mm pada penampang sisi siku-sikunya. Untuk pengerjaan penyelesaian yang teliti biasanya dibolehkan diberikan batas kelonggaran pada permukaan kokomponen diantara 0,02 – 0,07 mm. 3) Untuk memperoleh permukaan yang keras tergantung pada komposisi baja yang digunakan. Baja dengan 3% Cr akan memperbaiki kekerasannya sekitar 850 HV (kekerasan Vickers) dan baja dengan 1,5% Cr dan 1,5 % Al memperbaiki kekerasannya sekitar 1.100 HV. 4) Proses nitrid adalah suatu proses pengerasan permukaan yang ideal untuk menghasilkan dalam skala besar, tetapi kurang ekonomis untuk menghasilkan dalam skala kecil. Proses ini khususnya, baik untuk peralatan yang menerima suhu yang tinggi sewaktu pemakaian. Karena, peralatan yang dinitrid tidak akan turun kekerasannya sampai suhu 500°C. Selain itu, tidak sepcrti peralatan yang disepuh keras yang akan turun kekerasannya sewaktu suhunya mencapai 200°C. 4. Pemanasan Hanya Permukaan Komponen Cara ini digunakan apabila suatu komponen terbuat dari baja Yang secara langsung dapat dikeraskan, tetapi pengerasannya berlangsung dengan pemanasan yang amat cepat pada pemanasan intinya. Pemanasan yang hanya dilakukan pada permukaan komponen mempunyai dua macam cara, yaitu pengerasan busur nyala dan pengerasan induksi. 1. Pengerasan Busur Nyala Proses ini disebut juga proses pengerasan dalam waktu yang singkat. Baja dengan kandungan karbon yang sesuai tingginya dapat dipanaskan sampai suhu pengerasan dengan busur nyala gas asetilen. Dan seterusnya didinginkan secara cepat untuk memperoleh permukaan yang keras. Perhatikan Gambar 33!   Cara pengerasan busur nyala sesuai untuk pengerasan lapisan sampai lebih dari 0,8 mm dalamnya dari lapisan permukaan. Suhu busur nyala harus di atas suhu pencairan baja, agar dalam proses ini dihasilkan pemanasan yang cepat. Selain itu, kemungkinan dapat terjadi bahaya pencairan setempat apabila dilakukan pengerasan lapisan yang cukupdalam. Dalam cara ini baja harus mempunyai kandungan karbon sekitar 0,4 - 0,7% yang bereaksi terhadap pengerjaan ini. Sehingga untuk memperoleh kekerasan baja tergantung pada komposisi dan kondisi dari baja. Adapun cara-cara pengerasan permukaan yang dilakukan dengan cara ini adalah sebagai berikut : 1) Permukaan komponen dipanaskan setempat (daerah yang akan dikeraskan) dan kemudian komponen didinginkan secara cepat dalam suatu tangki pendinginan yang terpisah. 2) Pemanasan dan pendinginan dilakukan setahap demi setahap. Busur nyala dan air pendinginan yang dipercikkan bekerja terus-menerus, dan permukaan melintang yang dilaluinya menjadi keras. Kecepatan gerakan unit pemanas dan pendinginan di atas permukaan komponen dapat dikontrol sehingga dihasilkan kekerasan permukaan komponen yang sesuai keperluan. Pemanasan dan pendinginan yang bertahap dapat dilakukan dengan menggunakan satu unit gabungan yang terdiri dari peralatan busur nyala dan percikan air. Peralatan yang akan dikeraskan ditempatkan di bawahnya dan dapat bergerak dengan kecepatan 3 m/detik yang digerakkan oleh ban transpor. 3) Komponen yang akan dikeraskan bergerak berputar mengelilingi busur nyala yang tetap (tidak bergerak) dan seterusnya dipercikkan air pendinginan atau dicelupkan ke dalam air pendingin. Komponen yang berukuran panjang dapat berputar, scrnentara itu unit busur nyala bergerak bolak-balik paralel terhadap sumbu Putarnya. Komponen dapat dikerjakan dengan cara ini, yang kedudukannya harus simetris terhadap perputaran sumbu. Setelah dilakukan pengerasan busur nyala, biasanya baja yang telah dikeraskan dilakukan penyepuhan dan apabila diperlukan hal itu dapat dilakunan dengan pemanasan busur nyala.   b. Pengerasan Induksi Pcngcrasan 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. Tctapi dapur ini dilengkapi dengan suatu silinder air berlubang yang bersatu dengan kumparan dan berfungsi sebagai unit pendingin. Perhatikan Gambar 34 ! 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 cara pemanasan hingga mencapai suhu pengerasan. Cara tersebut dapat dilakukan dengan pengerjaan seIcmpat (lokal). Proses pengerasan induksi lebih sesuai untuk baja dengan kandungan karbon sekitar 0,45%. Dalam cara ini suhu yang dihasilkan dapat dikontrol dengan pcngaturan kumparannya, yaitu dengan mengatur jarak antara kumparan dengan permukaan komponen yang akan dikeraskan. BAB III PENUTUP I. KESIMPULAN Heat Treatment adalah Proses memanaskan dan mendinginkan suatu bahan untuk mendapatkan perubahan fasa (struktur) guna meningkatkan kemampuan bahan tersebut sehingga bertambah daya guna teknik dari bahan tersebut. Informasi yang dapat kita petik dari makalah ini adalah dapat mengetahui : 1. Pengaruh dari suatu pemanasan. 2. Pengaruh dari pendinginan 3. II. SARAN Saya menyadari bahwa makalah ini masih banyak kekurangan, oleh sebab itu saya sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun agar memperluas pengetahuan saya, Semoga makalah ini bermanfaat bagi kita semua terutama mahasiswa-mahasiswi Fakultas Tehnik Universitas Mataram.

1 komentar: