BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.
Baja Baja adalah besi karbon campuran logam yang dapat berisi konsentrasi dari element campuran lainnya, ada ribuan campuran logam lainnya yang mempunyai perlakuan bahan dan komposisi berbeda. Sifat mekanis adalah sensitif kepada isi dari pada karbon, yang mana secara normal kurang dari 1,0%C. Sebagian dari baja umum digolongkan menurut konsentrasi karbon, yakni ke dalam rendah, medium dan jenis karbon tinggi. Baja merupakan bahan dasar vital untuk industri. Semua segmen kehidupan, mulai dari peralatan dapur, transportasi, generator pembangkit listrik, sampai kerangka gedung dan jembatan menggunakan baja. Besi baja menduduki peringkat pertama di antara barang tambang logam dan produknya melingkupi hampir 90 % dari barang berbahan logam.
2.2
Proses Pembuatan Baja Dewasa ini, besi kasar diproduksi dengan menggunakan dapur bijih besi (blast furnace) yang berisi kokas pada lapisan paling bawah, kemudian batu kapur dan bijih besi. Kokas terbakar dan menghasilkan gas CO yang naik ke atas sambil mereduksi oksida besi. Besi yang telah tereduksi melebur dan terkumpul dibawah tanur menjadi besi kasar yang biasanya mengandung
8
Karbon (C), Mangan (Mn), silicon (Si), nikel (Ni), fosfor (P), belerang (S). Kemudian leburan besi dipindahkan ke tungku lain (converter) dan diembuskan gas oksigen untuk mengurangi kandungan karbon. Untuk menghilangkan kembali kandungan oksigen dalam baja cair, ditambahkan Al, Si, Mn. Proses ini disebut dioksidasi. Setelah dioksidasi, baja cair dialirkan dalam mesin cetakan kontinu berupa slab atau dicor dalam cetakan berupa ingot. Slab dan ingot itu diproses dengan penempaan panas, rolling panas, penempaan dingin, perlakuan panas, pengerasan permukaan dan lain-lain untuk dibentuk menjadi sebuah produk atau kerangka dasar dari sebuah produk. Baja merupakan paduan besi (Fe) dengan karbon (C), dimana kandungan karbon tidak lebih dari 2%. Baja banyak digunakan karena baja mempunyai sifat mekanis lebih baik dari pada besi, sifat baja antara lain : Tangguh dan ulet Mudah ditempa Mudah diproses Sifatnya dapat diubah dengan mengubah karbon Sifatnya dapat diubah dengan perlakuan panas Kadar karbon lebih rendah dibanding besi Banyak di pakai untuk berbagai bahan peralatan.
9
Walaupun baja lebih sering digunakan, namun baja mempunyai kelemahan yaitu ketahanan terhadap korosinya rendah. Baja dapat ( dua unsur atau lebih digabung sehingga dihasilkan sifat lain). Hasil pemaduannya yaitu:
Larutan padat / solid solufion (dapat memperbaiki sifat fisik / kimia)
Senyawa ( lebih keras dari larutan padat, dapat memperbaiki sifat mekanik )
2.3
Klasifikasi Baja 2.3.1
Berdasarkan Prosentase Karbon Berdasarkan tinggi rendahnya prosentase karbon di dalam baja, baja
karbon diklasifikasikan sebagai berikut: A. Baja Karbon Rendah (low carbon steel) Baja karbon rendah mengandung karbon antara 0,10 s/d 0,30 %. Baja karbon ini dalam perdagangan dibuat dalam plat baja, baja strip dan baja batangan atau profil. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandung dalam baja, maka baja karbon rendah dapat digunakan atau dijadikan baja-baja sebagai berikut: 1.
Baja karbon rendah yang mengandumg 0,04 % - 0,10% C. untuk dijadikan baja – baja plat atau strip.
2.
Baja karbon rendah yang mengandung 0,05% C digunakan untuk keperluan badan-badan kendaraan.
10
3.
Baja karbon rendah yang mengandung 0,15% - 0,30% C digunakan untuk konstruksi jembatan, bangunan, membuat baut atau dijadikan baja konstruksi. B. Baja Karbon Menengah (medium carbon steel) Baja karbon menengah mengandung karbon antara 0,30% - 0,60% C.
Baja karbon menengah ini banyak digunakan untuk keperluan alat-alat perkakas bagian mesin. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandung dalam baja maka baja karbon ini dapat digunakan untuk berbagai keperluan seperti untuk keperluan industri kendaraan, roda gigi, pegas dan sebagainya. C. Baja Karbon Tinggi (high carbon steel) Baja karbon tinggi mengandung kadar karbon antara 0,60% - 1,7% C dan setiap satu ton baja karbon tinggi mengandung karbon antara 70 – 130 kg. Baja ini mempunyai tegangan tarik paling tinggi dan banyak digunakan untuk material tools. Salah satu aplikasi dari baja ini adalah dalam pembuatan kawat baja dan kabel baja. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandung didalam baja maka baja karbon ini banyak digunakan dalam pembuatan pegas, alat-alat perkakas seperti: palu, gergaji atau pahat potong. Selain itu baja jenis ini banyak digunakan untuk keperluan industri lain seperti pembuatan kikir, pisau cukur, mata gergaji dan lain sebagainya.
11
2.3.2
Berdasarkan Komposisi Dalam prakteknya baja terdiri dari beberapa macam yaitu:
A. Baja Karbon ( Carbon Steel ) Terdiri atas beberapa unsur, yang paling utama adalah karbon ( C ), unsur yang lainya yaitu Si ( dari batu tahan api), Mn, S dan P ( dari kokas untuk Carbon Enrichment, S dan P Maksimum 0,05% ) Beberapa macam baja karbon, yaitu: Baja karbon rendah Baja karbon medium Baja karbon tinggi Sebagian kelompok baja didesain untuk laku panas dalam daerah austenit, disusul dengan pendinginan dan dekomposisi austenit secara langsung atau tak langsung membentuk ferrit dan karbida. Bila baja hanya mengandung besi dan karbon, paduannya disebut baja karbon.
B. Baja Paduan ( Alloyed Steel ) Baja paduan adalah campuran antara baja karbon dengan unsur-unsur lain yang akan mempengaruhi sifat-sifat baja misalnya sifat kekerasan, liat, kecepatan membeku, titik cair, dan sebagainya yang bertujuan memperbaiki kualitas dan kemampuannya. Penambahan unsur-unsur lain dalam baja karbon
12
dapat dilakukan dengan satu unsur atau lebih, tergantung dari karakteristik atau sifat khusus yang dikehendaki. Unsur-unsur paduan untuk baja ini dibagi dalam dua golongan yaitu : a. Unsur yang membuat baja menjadi kuat dan ulet, dengan menguraikannya ke dalam ferrite (misalnya Ni, Mn, sedikit Cr dan Mo). Unsur ini terutama digunakan untuk pembuatan baja konstruksi. b. Unsur yang bereaksi dengan karbon dalam baja dan membentuk karbida yang lebih keras dari sementit (misalnya unsur Cr, W, Mo, dan V) unsur ini terutama digunakan untuk pembuatan baja perkakas.
Baja Paduan Rendah (Low Alloyed Steel) Baja paduan rendah adalah salah satu klasifikasi dari baja paduan (alloy steel) yaitu : low alloy steel, medium alloy, dan high alloy steel. Klasifikasi ini dibedakan menurut unsur paduannya. Baja paduan rendah (low alloy steel) tergolong jenis baja karbon yang memiliki tambahan unsur paduan seperti nikel, chromium dan molybdenum. Total unsur paduannya mencapai 2,07% - 2,5%. Untuk kebanyakan baja paduan rendah (low alloy steel) fungsi utama dari elemen paduannya adalah untuk menambah kekerasan yang diinginkan untuk meningkatkan kemampuan mekanik dan keuletannya setelah dilakukan proses perlakuan panas. Di beberapa kasus, bagaimana juga tambahan unsur
13
paduan digunakan untuk mengurangi efek degradasi karena lingkungan terhadap kondisi pemakaian. Baja paduan rendah (low alloy steel) dapat diklasifikasikan lagi, yaitu :
Menurut komposisi kimia, seperti : nikel steel, nikel-chromium steels, molybdenum steels, chromium-molybdenum steels.
Menurut proses perlakuan panas, seperti : quenched and tempered (QT), normalized and tempered (NT), annealed (A) dan sebagainya.
2.4
Baja ST 40 Baja ST 40 termasuk baja karbon rendah dengan kandungan karbon kurang dari 0,3%. ST 40 ini menunjukkan bahwa baja ini dengan kekuatan tarik ≤ 40 kg / mm². (diawali dengan ST dan diikuti bilangan yang menunjukan kekuatan tarik minimumnya dalam kg/mm²). Baja ST 40 ini secara teori mempunyai nilai kekerasan yang lebih rendah dibandingkan dengan besi cor, dengan adanya perlit dan ferit karena perlit yang ada lebih banyak dari pada ferit. Aplikasi baja ST 40 antara lain : Digunakan untuk kawat, paku, wire mesh, peralatan automotif dan sebagai bahan baku welded fabrication ( kisi – kisi jendela atau pintu dan jeruji) Aplikasi khusus seperti untuk kawat elektroda berlapis untuk keperluan pengelasan. 14
2.5
Pengaruh Unsur Paduan Pada Baja Sifat baja sangat tergantung pada unsur-unsur yang terkandung didalamnya. Unsur-unsur paduan ditambahkan untuk mengurangi sifat yang tidak diinginkan pada baja karbon dan memperbaiki atau menambah sifat-sifat lain yang dikehendaki. Pengaruh dari beberapa unsur paduan terhadap sifat baja paduan dikemukakan dibawah ini: a. Karbon ( C ) Pada baja-baja perkakas, persentase karbon antara 0,1 - 0,6 %. Karbon juga merupakan unsur penting yang mempengaruhi harga kekerasan dalam pembentukan fasa martensit. Selain itu kenaikkan kandungan karbon akan berpengaruh pada kekuatan tarik (tensile strength), menaikkan keuletan (ductility) dan sifat mampu las (weldability) akan menurun dengan naiknya kandungan karbon. b. Mangan (Mn) Semua baja mengandung mangan karena sangat diperlukan dalam proses pembuatan baja. Kandungan mangan kurang lebih 0,6 % masih belum dikatakan paduan dan tidak mempegaruhi sifat baja. Dengan bertambahnya kandungan mangan suhu kritis seimbang. Baja dengan 12 % Mn adalah austenit karena itu suhu kritisnya dibawah suhu kamar akibatnya baja tidak dapat diperkeras. Unsur ini dapat berfungsi sebagai deoksidasi dari baja dan dapat mengikat sulfur dengan membentuk senyawa MnS yang titik cairnya lebih tinggi dari titik cair baja. Dengan demikian akan dapat mencegah 15
pembentukkan Fe, S, yang titik cairnya lebih rendah dari titik cair baja. Akibatnya kegetasan pada suhu tinggi dapat dihindari, disamping itu menguatkan fasa ferit. c. Silikon (Si) Silikon berfungsi sebagai deoksidasi, silikon juga dapat menaikkan hardenability dalam jumlah sedikit, tetapi dalam jumlah yang banyak akan menurunkan keuletan. Biasanya unsur-unsur kimia lainnya seperti mangan, molybdenum dan chromium akan muncul dengan adanya silikon. Kombinasi silikon dengan unsur-unsur tersebut akan menambah kekuatan dan ketangguhan dari baja. d. Chromium (Cr) Chromium ditemukan dalam jumlah yang banyak pada baja-baja perkakas dan merupakan elemen penting setelah karbon. Chromium merupakan
salah
satu
unsur-unsur
pembentuk
karbida
dan
dapat
meningkatkan ketahanan korosi dengan membentuk lapisan oksida di permukaan logam. e. Nikel (Ni) Nikel mempunyai pengaruh yang sama seperti mangan yaitu menurunkan suhu kritis dan kecepatan pendinginan kritis, memperbaiki kekuatan tarik, tahan korosi. Menaikkan ketangguhan atau ketahanan terhadap beban benturan (impact)
16
f. Vanadium (V) Vanadium dalam baja-baja perkakas berperan sebagai salah satu unsur pembentuk karbida. Vanadium juga merupakan unsur penyetabil martensit. Pada saat proses temper, karbida vanadium berpresipitat di batas butir ferit. Hal ini akan menaikan harga kekerasan. Biasanya terjadi pada temperatur temper 500 - 600°C. Vanadium dapat menurunkan hardenability karena karbida-karbida
yang
terbentuk
dapat
menghambat
pengintian
dan
pertumbuhan butir austenit. Tetapi pada temperatur tinggi, dimana karbida vanadium larut, unsur ini dapat meningkatkan hardenability. g. Molybdenum (Mo) Unsur ini dapat menguatkan fasa ferit dan menaikkan kekuatan baja tanpa kehilangan keuletan. Molybdenum juga dapat berfungsi sebagai penyetabil karbida, sehingga mencegah pembentukkan grafit pada pemanasan yang lama. Karena itu penambahan Mo kedalam baja dapat menaikkan kekuatan dan ketahanan terhadap creep pada suhu tinggi. h. Tungsten (W) Tungsten juga merupakan salah satu unsur pembentuk karbida kompleks pada baja-baja perkakas. Karbida kompleks ini terbentuk dengan adanya pendinginan yang sangat lambat. Karbida ini bersifat meningkatkan kekerasan dan kekuatannya.
17
i. Sulfur (S) Sulfur dapat membuat baja menjadi getas pada temperatur tinggi, oleh karena itu dapat merugikan baja yang digunakan pada suhu tinggi. Umumnya kadar sulfur harus dikontrol serendah-rendahnnya, yaitu kurang dari 0,05 %. j. Phospor (P) Phospor dalam jumlah besar dalam baja dapat menaikkan kekuatan dan kekerasan, tetapi juga menurunkan keuletan dan ketangguhan impak. Pada baja-baja konstruksi kandungan phosphor dibatasi dengan kandungan maksimum yang biasanya tidak lebih dari 0,05%.
2.6
Perlakuan Panas (Heat Treatment) Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat fisik logam tersebut. Baja dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan memotong meningkat, atau baja dapat dilunakkan untuk dapat memudahkan permesinan lebih lanjut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, besar butir diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet. Maksud perlakuan panas tersebut secara garis besar menyangkut: 1. Meningkatkan kekerasan dan keuletan. 2. Menghilangkan tegangan dalam 3. Melunakkan Baja.
18
4. Menormalkan keadaan baja biasa dari akibat pengaruh-pengaruh pengerjaan dan perlakuan panas sebelumnya. 5. Menghaluskan butir-butir kristal atau kombinasi dari maksud-maksud tersebut diatas Proses perlakuan panas ada beberapa macam, yaitu : 1. Softening (pelunakan) : adalah usaha untuk menurunkan sifat mekanik agar menjadi lunak dengan cara mendinginkan material yang sudah dipanaskan didalam tungku (annealing) atau mendinginkan dalam udara terbuka (normalizing). Contoh : annealing, normalizing, tempering. 2. Hardening (pengerasan) : adalah usaha untuk meningkatkan sifat material terutama kekerasan dengan cara celup cepat (quenching) material yang sudah dipanaskan ke dalam suatu media quenching berupa air, air garam, maupun oli. Contoh : surface hardening dan quenching. 3. Carburizing ( Pengerasan permukaan Luar) : adalah cara pengerasan permukaan luar dari suatu material baja atau besi kadar karbon rendah agar menjadi keras pada lapisan luar atau memiliki kadar karbon tinggi pada lapisan luarnya. Biasanya suhu pada proses karburasi adalah 17000F. setelah proses pendinginan maka pada permukaan baja dapat dilihat
dengan
mikroskop
bahwa
terdapat
bagian
–
bagian
hypereutectoid, zona yang terdiri dari perlit dan jaringan sementit yang 19
putih, diikuti zona euktektoid, hanya terdiri dari perlit dan terakhir adalah zona hypeutektoid, yang terdiri dari perlit dan ferrit, dimana jumlah ferrit meninggkat hingga pusat dicapai. Contoh : Karburasi Padat ( pack carburizing ),Karburasi Gas ( gac carburizing dan Karburasi Cair ( liquid carburizing ) Di dalam laporan ini penulis hanya membahas tentang Pack carburizing ( Karburasi Padat ). Untuk memungkinkan perlakuan panas yang tepat, susunan kimia baja harus diketahui karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat fisik. Elemen pokok dari beberapa perlakuan panas adalah siklus pemanasan (Heating Cycle), temperatur penahanan (Holding temperatur), waktu dan siklus pendinginan (Cooling cycle). Waktu pendinginan akan mempengaruhi terjadinya perubahan struktur mikro dalam baja. Berikut merupakan diagram waktu pendinginan.
Gambar
2.1
Diagram
Proses Pendinginan Fasa Austenit 9
20
Diagram diatas menggambarkan tahapan – tahapan transformasi untuk menghasilkan berbagai variasi struktur mikro yang terbentuk. Disini diasumsikan bahwa perlit, bainit, dan martensit terbentuk dari perlakuan pendinginan yang berlanjut. Dan martensit serta martensit temper digunakan untuk teknik penguatan dan perlakuan panas. Pada baja semua proses dasar pengerjaan panas berhubungan dengan transformasi atau penguraian austenite. Maka sifat dan kenyataan yang diperoleh pada hasil transformasi memperluas aneka ragam guna, sifat fisik, dan sifat mekanik logam. Sedangkan laju pendinginan memegang peranan yang sangat penting dalam transformasi austenite ke perlit maupun martensit. Pengerjaan panas efektif hanya pada paduan tertentu, karena itu hanya tergantung dari satu unsur elemen yang larut dengan yang lain, di dalam keadaan padat dengan jumlah yang berbeda pada kondisi yang berbeda pula. 2.6.1
Diagram Fasa Besi Karbon (Fe-C) Diagram fasa Fe-C atau biasa disebut diagram kesetimbangan besi
karbon merupakan diagram yang menjadi parameter untuk mengetahui segala jenis fasa yang terjadi didalam baja, serta untuk mengetahui faktor-faktor apa saja yang terjadi pada paduan baja dengan segala perlakuannya.
21
Gambar 2.2 Diagram Kesetimbangan Fe-C 10 Dari diagram fasa yang dituntujukkan pada gambar 2.2 terlihat bahwa suhu sekitar 723°C merupakan suhu transformasi austenit menjadi fasa perlit (yang merupakan gabungan fasa ferit dan sementit). Transformasi fasa ini dikenal sebagai reaksi eutectoid dan merupakan dasar proses perlakuan panas dari baja. Sedangkan daerah fasa yang prosentase larutan karbon hingga 2 % yang terjadi di temperatur 1.147°C merupakan daerah besi gamma (γ) atau disebut austenit. Pada kondisi ini biasanya austenit bersifat stabil, lunak, ulet, mudah dibentuk, tidak ferro magnetis dan memiliki struktur kristal Face Centered Cubic (FCC).
22
Besi murni pada suhu dibawah 910°C mempunyai struktur kristal Body Centered Cubic (BCC). Besi BCC dapat melarutkan karbon dalam jumlah sangat rendah, yaitu sekitar 0,02 % maksimum pada suhu 723°C. Larutan pada intensitas dari karbon didalam besi ini disebut juga besi alpha (α) atau fasa ferit. Pada suhu diantara 910°C sampai 1.390°C, atom-atom besi menyusun diri menjadi bentuk kristal Face Centred Cubic (FCC) yang juga disebut besi gamma (γ) atau fasa austenit. Besi gamma ini dapat melarutkan karbon dalam jumlah besar yaitu sekitar 2,06 % maksimum pada suhu sekitar 1.147°C. Penambahan karbon ke dalam besi FCC ditransformasikan kedalam struktur BCC dari 910°C menjadi 723°C pada kadar karbon sekitar 0,8 %. Diantara temperatur 1.390°C dan suhu cair 1.534°C, besi gamma berubah menjadi susunan BCC yang disebut besi delta (δ). Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan didalam diagram Fe – Fe3C yaitu, perubahan fasa ferit atau besi alpha (α), austenit atau besi gamma (γ), sementit atau karbida besi, perlit dan sementit akan diuraikan dibawah ini : 1. Ferrite atau besi alpha (α) Merupakan modifikasi struktur besi murni pada suhu ruang, dimana ferit menjadi lunak dan ulet karena ferit memiliki struktur BCC, maka ruang antara atom-atomnya adalah kecil dan padat sehingga atom karbon yang dapat tertampung hanya sedikit sekali.
23
2. Austenit atau besi gamma (γ) Merupakan modifikasi dari besi murni dengan struktur FCC yang memiliki jarak atom lebih besar dibandingkan dengan ferit. Meski demikian rongga-rongga pada struktur FCC hampir tidak dapat menampung atom karbon dan penyisipan atom karbon akan mengakibatkan tegangan dalam struktur sehingga tidak semua rongga dapat terisi, dengan kata lain daya larutnya jadi terbatas. 3. Karbida Besi atau Sementit Adalah paduan Besi karbon, dimana pada kondisi ini karbon melebihi batas larutan sehingga membentuk fasa kedua atau karbida besi yang memiliki komposisi Fe3C. Hal ini tidak berarti bila karbida besi membentuk molekul Fe3C, akan tetapi kisi kristal yang membentuk atom besi dan karbon mempunyai perbandingan 3 : 1. Karbida pada ferit akan meningkatkan kekerasan pada baja sifat dasar sementit adalah sangat keras. 4. Perlit Merupakan campuran khusus yang terjadi atas dua fasa yang terbentuk austenisasi, dengan komposisi eutektoid bertransformasi menjadi ferit dan karbida. Ini dikarenakan ferit dan karbida terbentuk secara bersamaan dan keluarnya saling bercampur. Apabila laju pendinginan dilakukan secara perlahan-lahan maka atom karbon dapat berdifusi lebih lama dan dapat menempuh jarak lebih jauh, sehingga di peroleh bentuk perlit besar. Dan
24
apabila laju pendinginan lebih di percepat lagi maka difusi akan terbatas pada jarak yang dekat sehingga akhirnya menghasilkan lapisan tipis lebih banyak. 5. Martensit Adalah suatu fasa yang terjadi karena pendinginan yang sangat cepat sekali,dan terjadi pada suhu dibawah eutektoid tetapi masih diatas suhu kamar. Karena struktur austenit FCC tidak stabil maka akan berubah menjadi struktur BCT secara serentak. Pada reaksi ini tidak terjadi difusi tetapi terjadi pengerasan (dislokasi). Semua atom bergerak serentak dan perubahan ini langsung dengan sangat cepat dimana semua atom yang tinggal tetap berada pada larutan padat karena terperangkap dalam kisi sehingga sukar menjadi slip, maka martensit akan menjadi kuat dan keras tetapi sifat getas dan rapuh menjadi tinggi.Martensit dapat terjadi bila austenit didinginkan dengan cepat sekali (dicelup) hingga temperatur dibawah pembentukkan bainit. Martensit terbentuk karena transformasi tanpa difusi sehingga atomatom karbon seluruhnya terperangkap dalam larutan super jenuh. Keadaan ini yang menimbulkan distorsi pada struktur kristal martensit dan membentuk BCT. Tingkat distorsi yang terjadi sangat tergantung pada kadar karbon. Karena itu martensit merupakan fasa yang sangat keras namun getas.
2.6.2
Diagram TTT (Time Temperature Transformation) Untuk mendapatkan sifat-sifat bahan yang lebih baik sesuai dengan
karakter
yang diinginkan
dapat 25
dilakukan
melalui
pemanasan dan
pendinginan. Tujuannya adalah mengubah struktur mikro sehingga bahan dikeraskan, dimudakan atau dilunakan. Pemanasan bahan dilakukan diatas garis transformasi kira-kira pada 7700C, sehingga perlit berubah menjadi austenit yang homogen karena terdapat cukup karbon. Pada suhu yang lebih tinggi ferrit menjadi austenit karena atom karbon difusi ke dalam ferrit tersebut. Untuk pengerasan baja, pendinginan dilakukan dengan cepat melalui pencelupan kedalam air, minyak atau bahan pendingin lainnya sehingga atom-atom karbon yang telah larut dalam austenit tidak sempat membentuk sementit dan ferrit akibatnya austenit menjadi sangat keras yang disebut martensit. Pada baja setelah terjadi austenit dan ferrit kadar karbonya akan menjadi makin tinggi sesuai dengan penurunan suhu dan akan membentuk hipoeutektoid. Pada saat pemanasan maupun pendinginan difusi atom karbon memerlukan waktu yang cukup. Laju difusi pada saat pemanasan ditentukan oleh unsure-unsur paduanya dan pada saat pendinginan cepat austenit yang berbutir kasar akan mempunyai banyak martensit. Fase kristal dan besarnya butir yang terjadi akan membentuk sifat baja. Apabila ferrit dan sementit didalam perlit berbutir besar, maka baja tersebut makin lunak sebagai akibat pendinginan lambat. Sebaliknya baja menjadi semakin keras apabila memiliki perlit berbutir halus yang diperoleh pada pendinginan cepat. Baja dengan unsure paduan aluminium, vanadium, titanium dan zirkonim akan cenderung memiliki kristal berbutir halus. Untuk 26
memahami macam-macam fase dan struktur kristal yang terjadi pada saat pendinginan dapat diamati dari diagram TTT . Fasa austenit stabil berada di atas suhu 7700C. Pada suhu yang lebih rendah akan terbentuk martensit dan mulai suhu tersebut martensit sudah tidak tergantung pada kecepatan pendinginan. Struktur bainit akan terbentuk setelah terbentuknya ferrit dan sementit. Jadi campuran antara ferrit dan sementit adalah bainit seperti pada perlit. Perbedaan antara bainit dengan perlit adalah bentuknya halus sedangkan perlit kasar. Diagram TTT dipengaruhi oleh kadar karbon dalam baja, makin besar kadar karbonya maka diagramnya akan semakin bergeser kekanan, demikian pula dengan unsure paduan lainya. Apabila baja dipanaskan sampai terbentuknya austenit, pendinginan akan berlangsung terus menerus tidak isotermal biarpun dilakukan dengan berbagai media pendingin. Untuk menentukan laju reaksi perubahan fasa yang terjadi dapat diperoleh dari diagram TTT (Time Temperature Transformation). Diagram TTT untuk baja karbon dengan C kurang dari 0,8% (hipoeutectoid) ditunjukan dalam gambar 2.3 , sedangkan diagram TTT untuk baja C sama dengan 0,8% (eutectoid) diberikan dalam gambar 2.4.
27
Gambar 2.3 Diagram TTT untuk baja Hipoeutectoid (C < 0,8%) 1
Gambar 2.4 Diagram TTT untuk baja eutectoid (C = 0,8%) 1 Dari gambar diatas menunjukkan bentuk hidung (nose) sebagai batasan waktu minimum dimana sebelum waktu tersebut bertransformasi austenit ke perlit tidak akan terjadi. Posisi hidung dari diagram TTT dapat 28
bergeser menurut kadar karbon. Posisi hidung bergeser makin kekanan yang berarti baja karbon itu makin mudah untuk membentuk bainit/martensit atau makin mudah untuk dikeraskan. Sedangkan Ms merupakan temperatur awal mulai terbentuknya fasa martensit dan Mf merupakan temperatur akhir dimana martensit masih bisa terbentuk. Untuk mendapatkan hubungan antara kecepatan pendinginan dan struktur mikro yang terbentuk biasanya dilakukan dengan menggabungkan diagram kecepatan pendinginan kedalam diagram TTT yang dikenal dengan diagram CCT (Continous Cooling Transformation) seperti yang terlihat dalam gambar 2.5.
Gambar 2.5 Diagram CCT (Continous Cooling Transformation) 1
29
Pada contoh gambar diagram diatas menjelaskan bahwa bila kecepatan pendinginan naik berarti bahwa waktu pendinginan dari suhu austenit turun, struktur akhir yang terjadi berubah dari campuran ferit–perlit ke campuran ferit–perlit–bainit–martensit,
ferit–bainit–martensit,
kemudian
bainit–
martensit dan akhirnya pada kecepatan yang tinggi sekali struktur yang terjadi adalah martensit.
Gambar 2.6 Kurva Pendinginan pada Diagram TTT 1
Dari diagram pendinginan diatas dapat dilihat bahwa dengan pendinginan cepat (kurva 6) akan menghasilkan struktur martensite karena 30
garis pendinginan lebih cepat daripada kurva 7 yang merupakan laju pendinginan kritis (critical cooling rate) yang nantinya akan tetap terbentuk fase austenite (unstable). Sedangkan pada kurva 6 lebih cepat daripada kurva 7, sehingga terbentuk struktur martensite yang keras , tetapi bersifat rapuh karena tegangan dalam yang besar. Jadi dapat disimpulkan bahwa dengan proses heatreatment pada baja karbon akan meningkatkan kekerasanya. Dengan meningkatnya kekerasan, maka efeknya terhadap kekuatan adalah sebagai berikut : Kekuatan
impact
(impact
strength)
akan
turun
karena
dengan
meningkatnya kekerasan, maka tegangan dalamnya akan meningkat. Karena pada pengujian impact beban yang bekerja adalah beban geser dalam satu arah, maka tegangan dalam akan mengurangi kekuatan impact. Kekuatan tarik (tensile sterngth) akan meningkat. Hal ini disebabkan karena pada pengujian tarik beban yang bekerja adalah secara aksial yang berlawanan dengan arah dari tegangan dalam, sehingga dengan naiknya kekerasan akan meningkatkan kekuatan tarik dari suatu material.
2.6.3
Hardening Hardening adalah perlakuan panas terhadap baja dengan sasaran
meningkatkan kekerasan alami baja. Perlakuan panas menuntut pemanasan benda kerja menuju suhu pengerasan didaerah atau di atas daerah kritis dan pendinginan berikutnya secara cepat dengan kecepatan pendinginan kritis. 31
Akibat penyejukan dingin dari daerah suhu pengerasan ini dicapailah suatu keadaan paksa bagi struktur baja yang membentuk kekerasan. Oleh karena itu maka proses pengerasan ini di sebut juga pengerasan kejut atau pencelupan langsung kekerasan yang tercapai pada kecepatan pendinginan kritis (martensit) ini di iringi kerapuhan yang besar dan tegangan pengejutan. Pada setiap operasi perlakuan panas, laju pemanasan merupakan faktor yang penting. Panas merambat dari luar ke dalam dengan kecepatan tertentu bila pemanasan terlalu cepat, bagian luar akan jauh lebih panas dari bagian dalam oleh karena itu kekerasan di bagian dalam benda akan lebih rendah dari pada di bagian luar,dan ada nilai batas tertentu. Namun air garam atau air akan menurunkan suhu permukaan dengan cepat, yang diikuti dengan penurunan suhu di dalam benda tersebut sehingga di peroleh lapisan keras dengan ketebalan tertentu.
2.6.4
Quenching Quenching adalah proses pendinginan setelah mengalami pemanasan.
Media quenching dapat berupa oli, air, air garam, dan lain-lain sesuai dengan material yang diquenching. Dimana kondisi sangat mempengaruhi tingkat kekerasan. Pada quenching proses yang paling cepat akan menghasilkan kekerasan tertinggi.
32
Jika suatu benda kerja diquench ke dalam medium quenching, lapisan cairan disekeliling benda kerja akan segera terpanasi sehingga mencapai titik didihnya dan berubah menjadi uap. Berikut adalah 3 tahap pendinginan :
Gambar 2.7 Diagram Tahap Pendinginan 1. Tahap A (Vapor – Blanket Stage) Pada tahap ini benda kerja akan segera dikelilingi oleh lapisan uap yang terbentuk dari cairan pendingin yang menyentuh permukaan benda Uap yang terbentuk menghalangi cairan pendingin menyentuh permukaan benda kerja. Sebelum terbentuk lapisan uap, permukaan benda kerja mengalami pendinginan yang sangat intensif. Dengan adanya lapisan uap, akan menurunkan laju pendinginan karena lapisan terbentuk dan akan berfungsi sebagai isolator. Pendinginan dalam hal ini terjadi efek radiasi melalui lapisan uap lama-kelamaan akan hilang oleh cairan pendingin yang mengelilinginya.
33
Kecepatan menghilangkan lapisan uap makin besar jika viskositas cairan makin rendah. Jika benda kerja didinginkan lebih lanjut, panas yang dikeluarkan oleh benda kerja tidak cukup untuk tetap menghasilkan lapisan uap, dengan demikian tahap B dimulai. 2. Tahap B (Vapor – Blanket Cooling Stage) Pada tahap ini cairan pendingin dapat menyentuh permukaan benda kerja
sehingga
terbentuk
gelembung
–
gelembung
udara
dan
menyingkirkan lapisan uap sehingga laju pendinginan menjadi bertambah besar. 3. Tahap C (Liquid Cooling Stage) Tahap C dimulai jika pendidihan cairan pendingin sudah berlalu sehingga cairan pendingin tersebut pada tahap ini sudah mulai bersentuhan dengan seluruh permukaan benda kerja. Pada tahap ini pula pendinginan berlangsung secara konveksi karena itu laju pendinginan menjadi rendah pada saat temperature benda kerja turun. Untuk mencapai struktur martensit yang keras dari baja karbon dan baja paduan, harus diciptakan kondisi sedemikian sehingga kecepatan pendinginan yang terjadi melampaui kecepatan pendinginan kritis dari benda kerja yang diquench, sehingga transformasi ke perlit atau bainit dapat dicegah.
34
2.6.5
Pendinginan dan Media Pendingin Seperti pemanasan, pendinginan juga bekerja tidak merata pada
keseluruhan penampang benda kerja (dari luar kedalam). Untuk proses quenching kita melakukan pendinginan secara cepat dengan menggunakan media Oli. Tujuanya adalah untuk mendapatkan struktur martensite, semakin banyak unsur karbon, maka struktur martensite yang terbentuk juga akan semakin banyak. Karena martensite terbentuk dari fase Austenite yang didinginkan secara cepat. Hal ini disebabkan karena atom karbon tidak sempat berdifusi keluar dan terjebak dalam struktur kristal dan membentuk struktur tetagonal yang ruang kosong antar atomnya kecil, sehingga kekerasanya meningkat. Untuk mendinginkan bahan di kenal berbagai macam bahan, dimana untuk memperoleh pendinginan yang merata maka bahan pendinginan tersebut hampir semuanya di sirkulasi, contohnya yaitu : 1. Air Air memberi pendinginan yang sangat cepat. Untuk memperbesar daya pendinginan air, maka kedalam air tersebut dilarutkan garam dapur dari 5 sampai 10 %. 2. Minyak / Oli Minyak / oli memberi pendinginan yang cepat, oleh karena untuk keperluan ini minyak harus memenuhi berbagai macam persyaratan.
35
3. Udara Udara memberi pendinginan yang perlahan-lahan. Udara tersebut ada yang disirkulasi dan ada pula yang tidak disirkulasi. 4. Garam Garam memberi pendinginan yang cepat dan merata. Garam tersebut terutama digunakan untuk proses Hardening.
2.6.6
Penahanan Suhu (holding time) Holding time dilakukan untuk mendapatkan kekerasan maksimum dari
suatu bahan pada proses quenching dengan menahan pada temperatur pengerasan untuk memperoleh pemanasan yang homogen sehingga struktur austenitnya homogen atau terjadi kelarutan karbida ke dalam austenit dan difusi karbon dan unsur paduannya. Pedoman untuk menentukan holding time dari berbagai jenis baja: Baja Konstruksi dari Baja Karbon dan Baja Paduan Rendah Yang mengandung karbida yang mudah larut, diperlukan holding time yang singkat, 5 - 15 menit setelah mencapai temperatur pemanasannya dianggap sudah memadai. Baja
Konstruksi
dari
Baja
Paduan
Menengah
Dianjurkan
menggunakan holding time 15 -25 menit, tidak tergantung ukuran benda kerja.
36
Low Alloy Tool Steel Memerlukan holding time yang tepat, agar kekerasan yang diinginkan dapat tercapai. Dianjurkan menggunakan 0,5 menit permilimeter tebal benda, atau 10 sampai 30 menit. High Alloy Chrome Steel Membutuhkan holding time yang paling panjang di antara semua baja perkakas, juga tergantung pada temperatur pemanasannya. Juga diperlukan kombinasi temperatur dan holding time yang tepat. Biasanya dianjurkan menggunakan 0,5 menit permilimeter tebal benda dengan minimum 10 menit, maksimum 1 jam.
2.7
Teori dasar Pengujian Kekerasan Yang dimaksud dengan kekerasan adalah suatu sifat dari bahan-bahan logam yang sangat penting karena banyak sifat-sifat lain yang berhubungan dengan kekerasannya. Pada umumnya ada tiga cara penentuan kekerasan bahan yaitu: 1. Cara Goresan Cara ini sering dilakukan dengan menggoreskan bahan logam yang lebih keras kepada bahan yang lebih lunak. Mohs telah membuat skala yang terdiri dari 1 s/d 10 standar mineral yang disusun menurut kemampuannya dari bahan yang terkeras, yaitu intan dengan skala 10 sampai bahan yang
37
terlunakkan yaitu Talk dengan angka 1. Logam-logam yang keras pada umumnya ada pada skala 4-8. 2. Cara Dinamik Cara ini adalah dengan cara menjatuhkan bola baja pada permukaan logam, tinggi pantulan bola menyatukan energi benturan sebagai ukuran kekerasan logam, dengan cara ini dinamakan cara Shore Scleroscope. 3. Cara Penekanan Pengukuran kekerasan dengan cara ini dilakukan dengan menggukan indentor yang ditekan pada benda uji dengan beban besar tertentu. Penekanan tersebut akan menyebabkan logam mengalami deformasi plasstis. Apabila penekanan oleh indentor diterusken, deformasi pada benda uji akan terus berlangsung. Kemampuan benda uji menahan tekanan indentor inilah yang diartikan sebagai kekerasan dari material, beban yang diberikan dalam uji kekerasan adalah konstan. Oleh karena itu nilai kekerasan dari benda uji akan tergantung pada luas permukaan bekas benda uji yang mengalami penekanan. Makin luas bekas penekanan tersebut, maka makin rendah sifat kekerasan dari benda uji atau benda uji tersebut bersifat lunak. Metode Rockwell Dalam metode ini penetrator ditekan dalam benda uji. Harga kekerasan didapat dari perbedaan kedalaman dari beban mayor dan minor. Beban minor adalah beban pertama yang diberikan identer kepada specimen pada saat mencapai permukaan specimen juga berfungsi sebagai 38
landasan untuk beban mayor. Sedangkan beban mayor adalah beban yang diberikan pada benda uji sampai mencapai kedalaman tertentu pada specimen dari identer. Jadi nilai kekerasan didasarkan pada kedalaman bekas penekanan. Metode ini sangat cepat dan cocok untuk pengujian massal. Karena hasilnya dapat secara langsung dibaca pada jarum penunjuk, maka metode ini sangat efektif untuk pengetesan massal. Uji kekerasan ini banyak digunakan disebabkan oleh sifat-sifatnya yang cepat dalam pengerjaannya, mampu membedakan kekerasan pada baja yang diperkeras, ukuran penekanan relative kecil, sehingga bagian yang mendapatkan perlakuan panas dapat diuji kekerasannya tanpa menimbulkan kekerasan. Uji ini menggunakan kedalaman lekukan pada beban yang konstan sebagai ukuran kekerasan. Mula-mula diberikan beban kecil sebesar 10 kgf untuk menempatkan benda uji. Hal ini untuk memperkecil kecenderungan terjadinya penumbukan keatas atau penurunan yang disebabkan oleh identer. Kemudian diberikan beban yang besar sebagai beban utama , secara otomatis kedalaman bekas penekanan akan terekam pada “gauge” penunjuk yang menyatakan angka kekerasannya. Pengujian kekerasan Rockwell didasarkan pada kedalaman masuknya penekan benda uji, makin keras benda yang akan diuji makin dangkal masuknya penekan tersebut. Sebaliknya semakin dalam 39
masuknya penekan tersebut berarti benda uji makin lunak. Cara Rockwell disukai karena dapat dengan cepat mengetahui harga kekerasan suatu material tanpa menghitung seperti cara brinell dan Vickers. Nilai kekerasan dapat langsung dibaca setelah beban utama dihilangkan, dimana beban awal masih menekan benda tersebut. Uji
kekerasan
Rockwell
mempunyai
kemampuan
ulang
(reproduciable), namun perlu diperhatikan : Penekan dan landasan harus bersih dan terpasang dengan baik. Permukaan yang diuji harus bersih, kering, halus, dan bebas dari pengotor. Permukaan harus datar dan tegak lurus terhadap penekan. Menguji permukaan silinder memberikan hasil pembacaan yang
rendah.
Pengukuran
pada
permukaan
silinder
memerlukan koreksi dimana data-data koreksinya secara teoritis dan empiris telah dipublikasikan. Kecepatan pembebanan harus sama dengan waktu pemberian beban, baik untuk pengujian pertama maupun selanjutnya. Tebal benda uji harus sedemikian rupa sehingga tidak terjadi gembung pada permukaan dibaliknya. Dianjurkan agar tebal benda uji minimal 10 kali kedalaman bekas penekanan. Pusat dari penekanan tidak boleh kurang dari 2,5 kali garis tengah
40
penekanan dari tiap sisi benda uji tersebut dan dari segala macam penekan lainnya. Tabel 2.1 Skala Kekerasan Rockwell Skala
Beban Mayor
Tipe Identor
Tipe material uji
(kg) A
60
Intan kerucut
Sangat keras, tungsten, karbida
B
100
1/16” bola baja
Kekerasan sedang, kuningan, perunggu
C
150
Intan kerucut
Baja keras, paduan yang dikeraskan, baja hasil perlakuan
D
100
1/8” bola baja
Paduan alumunium,magnesium yang diannealing
Gambar 2.8 Rockwell Hardness Tester HR-150
41
Kelebihan :
Cepat dan lebih sederhana
Mampu untuk membedakan perbedaan kekerasan kecil pada baja yang diperkeras
Ukuran lekukan kecil, sehingga bagian yang mendapat perlakuan panas yang lengkap dapat diuji kekerasan tanpa menimbulkan kerusakan. Kekurangan :
Skala kekerasan pengukuran yaitu kombinasi antara penetrator yang digunakan dan beban penekanan yang diijinkan untuk setiap material berbeda-beda, sehingga harus disesuaikan.
Dengan bekas tekanan yang kecil maka kekerasan rata-rata tidak dapat ditentukan untuk bahan yang tidak homogeny.
Dengan pembesaran dalamnya bekas tekanan yang kecil terdapat kesalahan pengukuran yang besar.
2.8
Struktur Mikro Struktur mikro yang dihasilkan akan mempengaruhi sifat mekanis logam, karena pengaruh sifat dari fasa-fasa yang terbentuk. Sifat mekanis logam seperti : kekerasan dan kekuatan tarik tidak dapat ditentukan dari sifat masing-masing fasa. Karena fasa tersebut saling berinteraksi satu sama lain, maka fasa yang lebih kuat akan menghambat slip dan mengalami pergeseran 42
dalam matriks yang lebih lemah. Hal ini dipengaruhi oleh efek kuantitas fasa, efek ukuran fasa, pengaruh bentuk dan distribusi fasa. Struktur ferit dan perlit dalam baja karbon seperti yang ditunjukkan dalam diagram fasa Fe-Fe3C merupakan fasa-fasa yang seimbang, yang dicapai melalui proses pendinginan perlahan-lahan. Struktur ferit mempunyai kekuatan dan keuletan yang cukup menengahkan struktur perlit mempunyai sifat keras dan kurang ulet. Perbedaan sifat mekanis tersebut dikarenakan kadar karbon dalam fasa ferit lebih rendah jika dibandingkan kadar karbon dalam fasa perlit. Dalam baja karbon kedua struktur ferit dan pelit biasanya terjadi bersama-sama, dalam hal ini sifat mekanis baja karbon akan ditentukan oleh volume fraksi dari masing-masing fasa. Kadar karbon dalam martensit mencapai keadaan super jenuh sehingga kekerasan sangat tinggi dibandingkan dengan struktur perlit. Kekerasan yang sangat tinggi ini menyebabkan struktur martensit ini menjadi kurang ulet dan bahkan cenderung bersifat getas. Kekerasan dan kekuatan yang tinggi dari martensit disebabkan karena struktur martensit bertindak sebagai penghalang yang sangat kuat terhadap pergerakan dislokasi. Disamping karena pengaruh jenis fasa yang terbentuk, sifat mekanis logam juga dipengaruhi oleh struktur mikronya, seperti : ukuran butir, bentuk dan distribusi butiran.
43
2.9
Batas Butiran Baja dengan butiran yang kasar memiliki sifat kurang tangguh dan kecenderungan untuk distorsi, namun baja jenis ini lebih mudah untuk permesinan dan memiliki kemampuan pengerasan yang lebih baik. Baja yang berbutir halus disamping lebih halus juga lebih ulet dan kurang peka terhadap distorsi atau retak sewaktu perlakuan panas. Besar butir dapat dikendalikan melalui komposisi pada waktu proses pembuatan akan tetapi setelah baja jadi, pengendalian dilakukan melalui perlakuan panas. Jika logam dipanaskan sampai temperatur sekitar 723°C, tidak akan terjadi perubahan fasa maupun perubahan pada ukuran butiran. Diatas garis A1 akan terjadi proses rekristalisasi atau terbentuknya butiran baru. Butiran baru tersebut terbentuk karena transformasi fasa membentuk fasa baru yaitu fasa austenit. Pada saat garis A3 proses rekristalisasi berhenti, hasil akhirnya adalah fasa austenit dan fasa ferit dengan ukuran butiran yang minimum, lihat gambar 2.15. Jika pemanasan diteruskan diatas garis A3 maka akan terjadi pertumbuhan butiran, ukuran butiran austenit ini akan menentukan besar butiran setelah pendinginan.
44
Gambar 2.9 Skema perubahan struktur mikro selama pemanasan pada baja 7
45
