BAB IV

HEAT TREATMENT

4.1 PENDAHULUAN

4.1.1 Latar Belakang

Semakin berkembangnya zaman dan kemajuan teknologi mendorong pula

kebutuhan akan material yang memiliki sifat yang diinginkan.

Material terutama logam, yang sering digunakan pada peralatan modern dimana

kebanyakan alat modern memerlukan bahan dengan kekuatan impak dan

ketahanan fatigue yang tinggi. Sebab peralatan modern saat ini banyak yang

beroperasi pada kecepatan putar dan pergerakan linear yang besar serta

peningkatan frekwensi pembebanan pada komponen yang besar pula. Maka untuk

memenuhi kriteria dari bahan tersebut dapat dilakukan dengan proses perlakuan

panas (heat treatment). Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan

pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat fisis logam

tersebut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan,

besar butiran dapat diperbesar atau diperkecil, ketangguhan dapat ditingkatkan

atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet.

Secara umum heat treatment biasa dilakukan dengan banyak cara,

misalnya saja pemanasan sampai suhu dan kecepatan tertentu dan

mempertahankannya (holding time) untuk waktu tertentu sehingga temperaturnya

merata, lalu didinginkan dengan media pendingin.

4.1.2 Tujuan praktikum

a) Untuk mendapatkan sifat mekanik suatu material yang diinginkan dengan

melakukan proses heat treatment.

b) Membuktikan pengaruh media pendinginan dan laju pendinginan terhadap

kekerasan pada material baja ST 40, ST 60, dan besi cor.

c) Menunjukkan pengaruh temperatur terhadap laju pendinginan yang dapat

mempengaruhi perubahan fisik maupun mekanik material baja ST 40,ST 60,

dan besi cor.

4.1.3 Manfaat praktikum

a) Memberikan pengalaman kepada praktikan tentang metoda, alat, dan bahan

dalam proses perlakuan panas (heat treatment).

b) Memberikan gambaran tentang proses hardening dan softening pada logam

sehingga dapat mengetahui kelebihan dan kekurangan didalamnya.

c) Untuk memenuhi tugas dari mata kuliah praktikum struktur dan sifat material.

4.2 DASAR TEORI

4.2.1 Pengertian heat treatment

Heat treatment atau perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan

pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat fisis logam

tersebut. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan kekerasan material dengan proses

heat treatment.

(sumber : B.H. Amstead.Teknilogi Mekanik.)

Adapun tujuan dari heat treament antara lain :

a) Untuk mempersiapkan material untuk pengolahan berikutnya.

b) Mempermudah proses machining.

c) Untuk mengurangi kebutuhan daya pembentukan dan kebutuhan energi.

d) Memperbaiki sifat keuletan material dan kekuatan material, dimana dalam hal

ini merupakan fungsi dari kandungan karbon yang terkandung dalam material.

e) Meningkatkan kekerasan dan tegangan tarik.

Dalam pengujian ini hanya dilakukan untuk menentukan kekerasan dari suatu

material. Kekerasan sendiri adalah suatu sifat mekanis yang berkaitan dengan

kekuatan (strength) dan merupakan fungsi dari kandungan karbon dalam logam.

Pembentukan sifat-sifat baja dalam heat treatment tergantung pada

kandungan karbon, temperatur pemanasan, sistem pendinginan, serta bentuk dan

ketebalan bahan:

1. Pengaruh komposisi carbon:

Kekerasan baja ini tergantung dari pada jumlah karbon yang terkandung di

dalam baja, dimana makin tinggi prosentase karbonnya makin keras baja.

Berdasarkan kandungan karbonnya, baja dapat dikelompokkan menjadi :

1. Baja karbon rendah (low carbon steel) yang mengandung karbon kurang dari

0.3%

2. Baja karbon sedang (medium carbon steel) yang mengandung karbon 0.3%-

0.7%

3. Baja karbon tinggi (high carbon steel) kandungan karbon sekitar 0.7%-1.3%

(Sumber : Arifin Syamsul. Ilmu Logam Jilid 1. Halaman 106)

2. Pengaruh temperatur pemanasan (holding time)

Penahanan suhu (holding), Holding time dilakukan untuk mendapatkan

kekerasan maksimum dari suatu bahan pada proses hardening dengan menahan

pada temperatur pengerasan untuk memperoleh pemanasan yang homogen

sehingga struktur austenitnya homogen atau terjadi kelarutan karbida ke dalam

austenit dan diffusi 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.

- Low Alloy Tool Steel Memerlukan holding time yang tepat, agar

kekerasan yang diinginkan dapat tercapai. Dianjurkan menggunakan 0,5

menit per milimeter 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 pema-

nasannya. Juga diperlukan kom-binasi temperatur dan holding time yang

tepat. Biasanya dianjurkan menggunakan 0,5 menit permilimeter tebal

benda dengan minimum 10 menit, maksimum 1 jam.

- Hot-Work Tool Steel Mengandung karbida yang sulit larut, baru akan larut

pada 10000 C. Pada temperatur ini kemungkinan terjadinya pertumbuhan

butir sangat besar, karena itu holding time harus dibatasi, 15-30 menit.

High Speed Steel Memerlukan temperatur pemanasan yang sangat tinggi,

1200-13000C.Untuk mencegah terjadinya pertumbuhan butir holding time

diambil hanya beberapa menit saja.

(Sumber: Muh. Iqbal Haqi Hardening In High Carbon Steel.)

3. Pengaruh pendinginan

Jika baja didinginkan dengan kecepatan minimum yang disebut dengan

kecepatan pendinginan kritis maka seluruh austenit akan berubah ke dalam

bentuk martensit. Sehingga akan dihasilkan kekerasan baja yang maksimum.

Adapun kecepatan pendinginan kritis adalah bergantung pada komposisi kimia

baja. 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.

Dari penjelasan di atas, secara umum pemanasan pada baja dapat dibuat

skema transformasi dekomposisi austenite seperti pada Gambar 4.1 di bawah

ini

Gambar 4.1 Skema Transformasi Dekomposisi Austenite

(Sumber : William D. Callister. Materials Science and Engineering)

Selain karbon, pada besi dan baja terkandung Si, Mn, dan unsur pengotor lain

seperti P, S, dll. Unsur-unsur tersebut tidak berpengaruh besar terhadap diagram fasa

seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4.2 sehingga diagram fasa dapat

dipergunakan tanpa menghiraukan adanya unsur-unsur tersebut. Paduan besi karbon

terdapat fasa karbida yang disebut sementit dan grafit, grafit lebih stabil daripada

Sementit.

Gambar 4.2 Diagram Fasa Besi-Karbida-Besi (Fe-Fe3C)

(Sumber : William D. Callister. Materials Science And Engineering 7ed)

Dilihat dari transformasinya, ada 3 macam baja yaitu:

a. Baja dengan titik transformasi A1, berupa ferit dibawah A1

dan austenit pada A3 atau di atas A1.

b. Baja dengan titik transformasi A1 dibawah temperatur kamar,

berupa austenit pada temperatur kamar.

c. Baja dengan daerah austenit yang kecil, berupa ferit sampai

temperatur tinggi pada daerah komposisi tertentu.

Dalam heat treatment yang terjadi pada baja terdapat fasa-fasa yang dialami oleh baja itu

sendiri pada saat proses berlangsung, fasa pada baja dapat dilihat pada tabel 4.1

Tabel 4.1 Tabel Fasa pada Baja

Fasa dan Simbol Struktur Pengelasan

Men

urut

kri

stal Austenit (γ)

Ferit (α)

Bainit (α)

Martensit (α’)

FCC

BCC

BCC

BCT

Paramagnetik dan stabil pada temperatur tinggi, titik mulur jelas, tidak getas pada saat dingin.Stabil pada temperatur rendah, kelarutan padat terbatas, dapat berada bersama Fe3C (sementit) atau lainnya, titik mulur jelas, getas pada temperatur rendah.Austenit metastabil didinginkan dengan laju pendinginan cepat tertentu, terjadi hanya presipitasi Fe3C, unsur paduan lainnya tetap larut.Metastabil terbentuk dengan laju pendinginan cepat, semua unsur paduan larut dalam keadaan padat.

Men

urut

kea

daan Perlit

Widmanstaetten

Dendrit

SorbitTrosit

Lapisan ferit dan Fe3C.γ dan α dalam orientasi pada presipitasi feritBerbentuk cabang-cabang seperti pohon, struktur ini terbentuk karena segregasi karbon pada pembekuan.Sorbit adalah perlit halus dan trosit adalah bainit. Nama ini tidak bnayak dipakai.

Catatan: FCC = Face Centered Cubic

BCC = Body Centered Cubic

BCT = Body Centered Tetragonal

4.2.2 Jenis-jenis Heat treatment

Pada dasarnya heat treatment dibagi menjadi dua, yaitu:

• Hardening

Mengeraskan logam sehingga tahan terhadap keausan serta deformasi

plastis

Meningkatkan kekuatan logam baik permukaan maupun keseluruhan.

• Softening

Menguletkan logam dengan memperbesar butiran serta menyeragamkan

butiran.

Menghilangkan tegangan sisa pada logam

Memudahkan proses machining untuk proses selanjutnya

1. Hardening

Hardening dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang tinggi, kekuatan

dan fatigue limit/ strength yang lebih baik. Kekerasan yang dapat dicapai

tergantung pada kadar karbon dalam baja dan kekerasan yang terjadi akan

tergantung pada temperature pemanasan (temperatur autenitising), holding time

dan laju pendinginan yang dilakukan serta seberapa tebal bagian penampang

yang menjadi keras banyak tergantung pada hardenability. Untuk memperoleh

kekerasan yang baik (martensit yang keras) maka pada saat pemanasan harus

dapat dicapai struktur austenit, karena hanya austenit yang dapat

bertransformasi menjadi martensit. Bila pada saat pemanasan masih terdapat

struktur lain maka setelah di quench akan diperoleh struktur yang tidak

seluruhnya terdiri dari martensit. Bila struktur lain itu bersifat lunak, misalnya

ferit maka tentunya kekerasan yang tercapai juga tidak akan maksimum. Untuk

menentukan temperature pemanasan yang baik untuk proses pengerasan yang

dilakukan terhadap suatu baja perlu dilakukan suatu percobaan pemanasan dan

quenching pada beberapa teperatur dan dianalisis struktur yang terjadi. Pada

beberapa literatur dan juga pada brosur dari pabrik pembuat baja dapat

diperoleh daerah temperatur pemanasan untuk hardening dari berbagai jenis

baja.

(Sumber: Adhy Prayitno, Ismet Inonu .Pengaruh Perbedaan Waktu Penahanan

Suhu Stabil Terhadap Kekerasan.1999)

Hardening dibagi menjadi 2 yaitu:

1. Surface hardening.

Suatu komponen harus mempunyai permukaan yang keras dan

tahan pakai. Sifat-sifat yang berbeda dapat digabungkan dalam suatu baja

dengan pengerasan permukaan yang dapat dilakukan dengan cara

pemanasan seluruh komponen atau sebagian pada bagian permukaan

komponen (surface hardening).

Surface hardening dengan penambahan zat :

Karburasi

Pada suatu komponen mesin dari baja adakalanya diperlukan keras

dan tahan aus pada permukaannya saja, sedangkan pada inti atau bagian

dalam tetap dalam keadaan lunak dan ulet. Hal ini akan memberikan

kombinasi yang serasi antara bagian luar atau permukaan benda kerja yang

keras dan tahan menerima beban, serta tahan aus dengan inti yang lunak dan

ulet. Karburising adalah proses menambahkan karbon ke permukaan benda,

dilakukan dengan memanaskan benda kerja dalam lingkungan yang banyak

mengandung karboin aktif, sehingga karbon berdifusi masuk ke permukaan

baja

Gambar 4.3. Jenis-jenis carburizing

(Sumber: info.lu.farmingdale.edu/.../casehardening.html)

• Karburasi padat (Pack Carburizing)

Sifat mekanis baja dipengaruhi oleh prosentase karbon dalam

paduan. Kadar karbon dapat dirubah prosentasenya dengan cara karburizing,

yaitu suatu proses untuk menaikan kadar karbon dengan cara

thermochemical heat treatment. Proses pada penelitian ini menggunakan

arang batok kelapa. Dari karborizing akan diperoleh sifat mekanis

(kekerasan, kerapuhan, keuletan, kemampuan bentuk) yang berbeda dari

sebelumnya. Prinsip dasar dari carburizing adalah difusi C dari suatu media

yang kaya dengan karbon, seperti arang ke dalam besi - (austenite) melalui

pemanasan diatas suhu kritisnya beberapa lama sehingga terbentuk lapisan

C sampai kedalaman tertentu. Media yang digunakan dalam penelitian ini

adalah pack carburizing yang merupakan proses perlakuan panas secara

kimia berupa penambahan karbon ke baja dalam bentuk padat. Metode ini

paling luas digunakan dalam proses pengerasan perrmukaan karena

sederhana dan murah. Adapun model pack carburizing seperti dibawah :

Gambar 4.4 proses karburasi padat

(sumber: rpdrc.ic.polyu.edu.hk/.../heat_treatment1.htm)

Reaksi karbon monosida :

CO2 + C ---> 2 CO

Reaksi Cementite menjadi karbon monosida :

2 CO + 3 Fe --->Fe3C + CO2

Atom – atom C ini akan masuk ke dalam baja secara difusi interstisi

(interstitial diffusion).

Kecepatan carburizing dapat ditingkatkan dengan penambahan 10 – 15%

BaCO3

BaCO3 BaO + CO2

Selanjutnya CO2 akan bereaksi dengan arang (C) dan membentuk CO

CO2 + C 2 CO

• Karburasi Cair (Liquid Carburizing)

Karburasi cair (liquid carburizing) menggunakan larutan sianida (CN)

pada baja berkarbon rendah yang dipanaskan dengan menggunakan

belanga pemanas yang dipanaskan dengan minyak atau gas. Suhunya

kira-kira 815-900° C. Proses yang dilakukan dengan kontinu dan otomatis

akan memberikan hasil akhir yang baik. Permukaan larutan ditutup dengan

grafit atau batu bara untuk mengurangi hilangnya radiasi dan dekomposisi

sianida yang berlebihan. Selain sodium dan potassium sianida, larutan

yang digunakan juga mengandung sodium dan potassium klorida dan

barium klorida yang berperan sebagai aktivator. Reaksi pada larutan

garam sianida:

BaCl2 + 2Na CN → Ba(CN)2 + 2NaCl

Ba(CN)2 + Fe → Fe(c) + BaCN2

Difusi nitrogen berguna untuk oksidasi sianida (CN) menjadi

CNO. Pada karburasi cair, jangka waktu pemanasannya pendek dan

perambatan panasnya cepat. Proses ini menghasilkan lapisan karburisasi

yang merata, tipis dan jernih (ketebalannya 0,08mm). Akan tetapi, proses

ini memerlukan pengawasan dan kehati-hatian untuk mencegah peledakan.

Pada Gambar 4.5 diterangkan tentang waktu dan temperature yang

digunakan pada proses karburasi

Gambar 4.5 Diagram Karburasi

(sumber : Ashok Sharma, Heat Treatment Principles and Techniques)

Kelebihan, karena cairan mentransfer panas dengan cepat maka

karbon yang ditambahkan juga lebih cepat. Juga pengerasan yang

dihasilkan lebih merata.

Kekurangan, beberapa nitrogen terserap bersama-sama dengan karbon

dan menyebabkan pengerasan mendadak. Juga material harus dikeringkan

setelah proses ini untuk menghindari korosi, hal tersebut memakan waktu

dan biaya.

• Karburasi Gas (Gas Carburizing)

Karburasi gas (gas carburizing). Metode ini adalah karburasi yang paling

sering digunakan. Proses ini dilakukan pada tabung kimia, pendingin tertutup,

atau tungku pemanas dengan pendorong kontinu. Suhu gas untuk karburasi

sekitar 870-950° C. Gas tersebut dihasilkan dari cairan (metanol, isopropanol)

atau gas hidrokarbon (propana dan metana). Generator gas endotermik

digunakan untuk menghasilkan gas endotermik. Senyawa propana atau metana

akan terpecah oleh udara pada tabung kimia pada generator endogas untuk

membentuk gas penghubung, dimana titik pengembunannya diatur pada +4°C

dengan rasio gas yang tepat. Komposisi gas tersebut:

Nitrogen 40%

Hidrogen 40%

Karbon monoksida 20%

Karbon dioksida 0,3%

Metana 0,5%

Uap air 0,8%

Oksigen sisanya

Gas tersebut merupakan gas penghantar dalam proses ini. Tungku

pemanas dipenuhi oleh gas tersebut sampai bertahan pada tekanan positif.

Keadaan ini akan mencegah infiltrasi udara dari atmosfer. Gas ini juga

mencegah oksidasi baja selama pemanasan. Selama karburasi gas, reaksi yang

berlangsung adalah:

(i) C3H8 → 2CH4 + C (pemecahan hidrokarbon)

(ii) CH4 + Fe → Fe(c) +2H2

(iii) CH4 + CO2 → 2CO +2H2

(iv) 2CO + Fe → Fe(c) + CO2

Karburasi terjadi sebagian besar meliputi konversi CO menjadi CO2 pada

reaksi (iv). Hidrogen bereaksi dengan CO2 dan meningkatkan konsentrasi CO

dengan reaksi:

H2 + CO2 → CO + H2O

Oksigen (O2) dihasilkan dari reaksi:

2CO → 2CO + O2

2CO + Fe → Fe(c) + O2

Gambar 4.6 Proses Gas Carburizing

( Sumber : www.rpdrc.com )

Gas digunakan sebagai bahan perantara yang sesuai untuk karburasi yang

dilakukan terus menerus. Hal itu akan menghasilkan suatu lapisan yang

tebalnya sekitar 1 mm dan memerlukan waktu sekitar 4 jam. Selama

karburasi, peralatan dimasukkan ke dalam dapur pemanas yang dipanaskan

dengan gas karbon yang sesuai. Kandungan karbon di dalam lapisan

komponen dapat dikontrol dengan mengatur komposisi gas untuk karbonasi.

Pelaksanaan karbonasi yang memerluakan waktu lama akan menyebabkan

terjadi pertumbuahan butir-butir baru, kecuali kalau baja disepuh dengan

perantaraan nikel.

Peralatan yang dikarbonasi dengan perantaraan perlakuan panas dan

menghasilkan butiran-butiran adalah suatu baja yang akan mempunyai lapisan

sekitar 0.83% karbon dan intinya sekitar 0.15% karbon. Secara berangsur-

angsur butiran akan berpindah dari lapisan luar ke arah inti sekitar 0.5 mm.

Suhu perlakuan panas untuk inti akan lebih tinggi daripada suhu untuk lapisan,

sehingga pengerjaan lapisan pada inti dilakukan secara terpisah.

Karbonitriding.

Karbonitriding adalah proses hardening yang merupakan

kombinasi dari gas carburizing dan nitriding seperti yang terlihat pada

Gambar 4.7 di bawah ini. Karbonitriding disebut juga sianida kering atau

nikarbing, yang adalah suatu proses pengerasan permukaan dimana baja

dipanaskan diatas suhu kritis didalam lingkungan gas dan terjadi penyerapan

karbon dan nitrogen. Dapat digunakan gas amonia atau gas yang kaya akan

karbon. Amonia dan gas alami dialirkan mengenai material, material yang

dihasilkan adalah kombinasi antara besi karbida (dari karbon) dan besi

nitrida (dari nitrogen). Lapisan ini tahan aus dan mempunyai ketebalan

antara 0,08 sampai 0,75 mm. Keuntungan karbonitriding adalah bahwa

kemampuan pengerasan lapisan luar meningkat bila ditambahkan nitrogen

sehingga dapat dimanfaatkan baja yang relatif murah.

Gambar 4.7 Proses Karbonitriding

(Sumber: http://www.mvslimited.com/PSA-Nitrogen-Generators.htm)

Kelebihan karbonitriding, karena dengan adanya nitrogen maka

struktur austenit berubah. Perubahan ini menyebabkan penurunan

temperatur dan pendinginan yang lambat.

Kekurangannya, prosesnya memakan waktu yang lama

dibandingkan karburasi.

Cyaniding

Cyaniding merupakan proses untuk mengeraskan permukaan

baja dengan penambahan nitrogen dan karbon. Benda yang dikeraskan

dicelupkan ke dalam cairan yang mengandung garam natrium sianida

(NaCN) pada suhu sedikit di atas daerah austenit (800-960°C), dengan

konsentrasi bervariasi antara 25% dan 90%. Sejumlah udara dimasukkan

ke dalamnya sehingga NaCN berreaksi dengan oksigen di udara dan

beroksidasi, reaksinya adalah

2NaCN + O2 → 2NaNCO

4NaNCO + O2 → Na2CO3 + 2NaCN + CO + 2N

2CO → CO2 + C

Dari reaksi diatas sodium cyanide (NaCN) dibakar, menghasilkan

sodium cyanate (NaNCO). Sodium cyanate dinaikkan konsentrasinya

dan terurai yang dalam uraiannya menghasilkan karbon monoksida

(CO). Karbon monoksida tersebut berperan dalam proses pengerasan

baja. Semakin tinggi suhu sianida yang diberikan, semakin besar

persentase karbon yang berdifusi (sampai dengan 0,8-1,2%) ke dalam

permukaan baja bereaksi dengan nitrogen (0,2-0,3%). Kemudian

material didinginkan dengan air atau oli. Setelah proses ini akan

dihasilkan kekerasan permukaan sekitar 850 VHN. Proses ini tidak

memakan banyak waktu. Cyaniding terutama diterapkan untuk heat

treatment bagian-bagian yang kecil.

.

Gambar 4.8 Proses cyaniding

(Sumber: http://www.egold.net.au/CYANIDE)

Kelebihannya yaitu biaya yang dihabiskan tidak mahal karena

baja karbon biasa dapat digunakan.

Kekurangannya adalah proses ini sangat berbahaya karena

garam sianida sangat beracun dan fatal jika terhirup.

Siliconizing

Siliconizing adalah proses pengerasan permukaan dimana silikon

berdifusi pada permukaan dasar logam. Silikon ini menghasilkan tebal

lapisan antara 0,005-0,1 inci. Pemanasan dilakukan dalam cairan yang

mengandung campuran silikon karbida dan gas chlorine hingga

suhunya mencapai 1700-1850o F. Campuran cairan tersebut dimasukkan

ke dalam sebuah tank. Bagian yang akan dikeraskan dimasukkan ke

dalam sebuah conveyor yang akan melewati tank yang berisi cairan

silikon karbida, dan gas chlorine. Tebal lapisan yang terbentuk

tergantung pada lamanya pemanasan.

Gambar 4.9 Siliconizing

(Richard A Little, Metalworking Technology)

Chromizing

Chromizing berbeda dari proses pengerasan yang lain, chromium

carbide berdifusi ke dalam logam, mengubah permukaan logam menjadi

stainless steel. Stainless steel tersebut mempunyai kekerasan yang tinggi

dan koefisien friction (geser) yang rendah. Chromizing digunakan untuk

meningkatkan daya tahan logam terhadap korosi dan daya tahan logam

terhadap panas. Proses ini tidak dibatasi hanya pada logam yang terbuat

dari besi tetapi juga pada cobalt, nikel, tungsten, dan molybdenum.

Proses chromizing mengandung carbon 0,6%. Temperatur pada proses

ini biasanya berkisar antara 1650o F-2000o F.

Nitriding

Nitriding didefinisikan sebagai suatu proses pengerasan

permukaan dengan senyawa nitrat. Dalam hal ini baja paduan spesial

dipanaskan untuk waktu yang lama dalam suatu atmosfer dari gas

nitrogen. Hasil dari pengerjaan nitrid adalah menghasilkan suatu

permukaan yang keras. Supaya dihasilkan permukaan yang keras dengan

cara dengan cara ini maka digunakan suatu baja paduan yang

mengandung sedikit unsur kromium dan alumunium sesuai dengan

kekerasan yang akan dihasilkan. Apabila baja karbon biasa yang

digunakan dalam proses ini maka proses nitrid akan membentuk seluruh

struktur dengan pengaruh yang kecil atas sifat-sifatnya. Kandungan

karbon pada baja yang dinitrid adalah sekitar 0.2-0.5% sesuai dengan

sifat-sifat inti yang diperlukan. Dan baja tersebut akan bereaksi secara

langsung terhadap pengerjaan pengerasan. Peralatan yang dinitrid diberi

pengerjaan panas selama tingkat awal daripada pengerjaan mesin, untuk

memperbaiki kekuatan intinya.

Pengerjaan ini terdiri dari proses pengerasan dengan

pendinginan tiba-tiba dalam minyak. Selanjutnya, diikuti dengan

penyepuhan pada suhu sekitar 550-750oC yang tersinggung atas

komposisi dan sifat-sifat baja yang diperlukan seperti yang tergambar

pada Gambar 4.10 di bawah ini

Gambar 4.10 Proses Nitriding

(Sumber: http://www.badgermetal.com/nitriding-control-article)

Surface hardening tanpa penambahan zat antara lain:

a. Flame hardening

Dasar dari proses pelakuan panas ini adalah pemanasan yang

cepat dilanjutkan dengan pencelupan permukaan. Tebal lapisan yang

mengeras tergantung pada kemampuan pengerasan bahan, karena selama

proses pengerjaan tidak ada penambahan unsur-unsur lainnya.

Pemanasan dilakukan dengan nyala oksi asitilen yang dibiarkan

memanasi permukaan logam sampai mencapai suhu kritis

Proses ini disebut juga proses pengerasan dalam waktu yang

singkat. Baja dengan kandungan karbon yang sesuai tingginya

dipanaskan sampai suhu pengerasan dengan busur nyala gas eitelen. Dan

seterusnya didinginkan secara cepat untuk memperoleh permukaan yang

keras.

Gambar 4.11 Flame Hardening

(Sumber: authorityflame.com/Services.htm)

Dasar pengerasan nyala adalah sama dengan pengerasan induksi

yaitu pemanasan yang cepat disusul dengan pencelupan permukaan tebal

lapisan yang mengeras tergantung pada kemampuan pengerasan bahan,

karena selama proses pengerasan tidak ada penambahan unsur-unsur

lainnya. Pemanasan di lakukan dengan nyala oksiasitelin yang dibiarkan

memanasi logam sampai suhu kritis. Pada alat dipasangkan juga aliran

pendingin sehingga setelah suhu yang diinginkan tercapai permukaan

langsung disemprot dengan air. Bila dikendalikan dengan baik, bagian-

bagian dalam tidak terpengaruh. Tebal lapisan yang keras tergantung

pada waktu pemanasan dan suhu nyala.

Pada proses ini diterapkan berbagai cara:

(1.) Pengerasan stasioner: baik nyala maupun benda yang akan

dikeraskan keduanya berada dalam keadaan diam, pengerasan

bersifat setempat.

(2.) Pengerasan progresif: nyala bergerak menuju ke benda yang diam.

Metode ini berguna untuk mengeraskan bagian yang luas, contohnya

gigi dari roda gigi yang besar.

(3). Pengerasan spinning: Nyala tetap diam sedangkan benda berotasi

Metode ini digunakan untuk pengerasan bagian melingkar.

(4).Pengerasan progresif-spinning: Nyala bergerak pada benda yang

berputar. Metode ini digunakan untuk mengeraskan permukaan

benda melingkar, contohnya rolling.

b. Pengerasan induksi ( induction hardening )

Pengerasan induksi adalah pemanasan baja dengan arus bolak-

balik berfrekuensi tinggi 500.000 Hz yang dilakuan dengan cepat,

kemudian dilanjutkan dengan pencelupan permukaan. Kekerasan yang

diperoleh melalui pengerasan induksi sama dengan pemanasan dan

tergantung dari kadar karbon

Pengerasan induksi termasuk suatu cara pengerasan permukaan.

Komponen yang akan dikeraskan ditempatkan di dalam suatu gulungan

(koil) induktor dan kemudian dimasukkan arus listrik frekuensi tinggi.

Dapur yang digunakan hampir sama dengan dapur untuk menghasilkan

baja paduan. Tetapi dapur ini dilengkapi dengan suatu silinder air

berlubang yang bersatu dengan kumparan yang dan berfungsi sebagai

unit pendingin. Permukaan komponen yang akan dikeraskan, dipanaskan

mencapai suhu pengerasan yang berlangsung sangat cepat. Selanjutnya,

didinginkan dengan cepat sewaktu komponen masih tetap di dalam

kumparan. Pengerasan lapisan yang tebalnya mencapai 3 mm dilakukan

dengan pengerjaan setempat (lokal). Hal itu ditunjukkan seperti pada

Gambar 4.12 di bawah ini.

Gambar 4.12 Induction Hardening

(sumber : www.info.lu.farmingdale.edu)

Proses pengerasan induksi lebih sesuai untuk baja dengan

kandungan karbon sekitar 0.45%. Dalam cara ini suhu yang dihasilkan

dapat dikontrol dengan pengaturan kunparannya, yaitu dengan mengatur

jarak antara kumparan dengan permukaan komponen yang dikeraskan.

Aplikasi proses induction hardening akhir-akhir ini melalui

penggunaan arus induksi dalam industri mengalami kemajuan pesat,

termasuk penggunaan arus listrik untuk pencairan logam, pengerasan,

dan perlakuan panas lainnya. Seperti pemanasan permukaan untuk

penempaan, pemanasan untuk sinter, brazing dan perlakuan jenis. Arus

bolak-balik berfrekuensi tinggi berasal dari konverter merkuri, osilator

spark atau osilator tabung. Frekuensi pada umumnya tidak melebihi

500.000 Hz. Untuk benda yang tipis digunakan frekuensi yang tinggi,

sedangkan untuk benda yang tebal digunakan frekuensi yang rendah.

Pemanasan induksi memberikan hasil yang cukup baik pada pengerasan

permukaan kurkas dan yang harus tahan aus. Berbeda dengan

pengerasan permukaan biasa, disini susunan kimia baja tidak berubah

karena pemanasan berlangsung sangat cepat dan pencelupan permukaan

tidak berpengaruh pada bagian dalamnya.

c. Laser and Electron Beam Hardening

Metoda ini dapat digunakan untuk melaksanakan proses selektif

hardening dari baja yang keras. Proses ini melaksanakan fungsi yang

sama sebagai nyala api pada proses pengerasan atau sebagai kumparan

induksi pada proses pengerasan dengan induksi. Proses ini hanya dapat

diaplikasikan untuk baja yang mempunyai karbon cukup dan komposisi

campuran logam dapat membuat proses pembekuan dapat berjalan

maksimal. Laser atau gudang elektron digunakan untuk menaikkan

temperatur permukaan material. Berkas elektron yang mengeraskan

material memerlukan ruang hampa. Laser ( berkas cahaya) tidak

memerlukan ruang hampa dan proses hardening dapat dilakukan dengan

penggunaan suatu gas. Ukuran noda berkas elektron adalah sekitar 0.010

sampai 0.015 inchi persegi. Laser dapat lebih besar tetapi pada

umumnya tidak ada yang lebih besar dari sekitar 0.150 inchi persegi.

Kedua metoda tersebut mempunyai kerugian yaitu:

( 1 ) Peralatan yang digunakan cukup mahal

( 2 ) Proses ini tidak dapat diterapkan pada campuran logam tinggi .

Proses ini hanya terbatas pada baja karbon sederhana dan kualitas

hasilnya masih belum bagus.

Gambar 4.13 Laser and Electron Beam Hardening

(Sumber: www.nuvonyx.com)

2. Quenching

Quenching adalah proses pendinginan cepat setelah mengalami

pemanasan. Media quenching dapat berupa oli, air, air garam, udara dan

lain-lain sesuai dengan material yang diquenching.

Gambar 4.14 Typical cooling curve for a small cylinder quenched

(Sumber : Sidney A Havner, Introduction To Physical Metallurgy)

Tiga tahap pendinginan, yaitu:

a. Vapor-blanket Cooling stage

Tahap pertama, suhu logam sangat tinggi sehingga medium

quenching menguap pada ermukaan logam.

b. Vapor-transport Cooling Stage

Proses ini dimulai ketika logam didinginkan pada suhu uap air dar

film tidak stabil. Permukaan logam basah oleh medium quenching dan titik

didih.yang tinggi.Tahapan ini merupakan proses pendinginan yang paling

cepat.

c. Liquid Cooling Stage

Proses ini dimulai ketika suhu permukaan logam mencapai titik

didih. Tahapan ini merupakan proses yang paling lambat.

Gambar 4.15 Diagram Proses Quenching Baja Diameter ½ inchi dengan Berbagai

Media Quenching

(Sumber: Rajan T.V., C.P. Sharma dan Ashok Sharma. Heat

Treatment Principles And Technique.)

Gambar 4.15 yang merupakan Diagram Quenching memuat berbagai

macam media pada pusat dari baja berdiameter ½ inchi. Pada sisi kiri kurva

adalah campuran brine 10 % pada 75° F. Dilanjutkan dengan tap water pada

suhu 75° F, gulf super-quench pada 125° F, fused salt pada 400° F, slow oil

pada 125° F dan yang terakhir still air pada 82° F.

Menurut media pendinginnya, quenching dapat dibagi menjadi beberapa bagian,

yaitu:

1) Quenching media brine ( air + 10 % sodium klorida )

Dari kurva diatas dapat dilihat bahwa media brine memiliki tahap

penguapan sangat pendek yang bertahan sekitar 1 detik dan kemudian

menurun dengan cepat menjadi tahap mendidih dimana tingkat

pendiginannya sangat cepat. Dan akhirnya menuju pada tahapan yang

ketiga pada sekitar 10 detik. Pada umumnya media yang digunakan

mengandung 5 - 10 % garam (sodium klorida) dalam air.

Gambar 4.16 Peralatan untuk quenching dengan media brine

(Sumber: www.monroeccce.du)

2) Quenching media tap water (air kran)

Air adalah media yang paling banyak digunakan untuk quenching, karena

biayanya yang murah, dan mudah digunakan serta pendinginannya yang

cepat. Air khususnya digunakan pada baja karbon rendah yang

memerlukan penurunan temperatur dengan cepat dengan tujuan untuk

memperoleh kekerasan dan kekuatan yang baik. Air memberikan

pendinginan yang sangat cepat, yang menyebabkan tegangan dalam,

distorsi, dan retakan.

Gambar 4.17 Peralatan quenching dengan media tap water

(Sumber: www.fhrosenheim.com)

2) Quenching dengan media oli

Oli sebagai media pendingin lebih lunak jika dibandingkan dengan air.

Digunakan pada material yang kritis, antara lain material yang mempunyai

bagian tipis atau ujung yang tajam. Karena oli lebih lunak, maka

kemungkinan adanya tegangan dalam, distorsi, dan retakan kecil. Oleh

karena itu medium olo tidak menghasilkan baja sekeras yang dihasilkan

pad medium air. Quenching dengan media air akan efektif jika dipanaskan

pada suhu 30-60 derajat Celcius.

Gambar 4.18 quenching dengan media oli

(Sumber: www.coutelcutlery.com)

3) Quenching dengan media udara

Quenching dengan media udara lebih lambat jika dibandingkan dengan

media oli maupun air. Material yang panas ditempatkan pada screen.

Kemudian udara didinginkan dengan kecepatan tinggi dialirkan dari

bawah melalui screen dan material panas. Udara mendinginkan material

panas lebih lambat dari daripada medium air dan oli. Pendinginan yang

lambat kemungkinan adanya tegangan dalam dan distorsi. Pendinginan

udara pada umumnya digunakan pada baja yang mempunyai kandungan

paduan yang tinggi.

Gambar 4.19 Quenching media udara

(Sumber: Rajan T.V., C.P. Sharma dan Ashok Sharma. Heat Treatment

Principles And Technique.)

4) Quenching dengan media air garam

Air garam adalah media yang sering digunakan pada proses quenching

terutama untuk alat-alat yang terbuat dari baja. Beberapa keuntungan

menggunakan air garam sebagai media adalah:

a. Suhunya merata pada air garam

b. Proses pendinginan merata pada semua bagian logam

c. Tidak ada bahaya oksidasi, karburisasi, atau dekarburisasi

selama proses pendinginan

5) Polimer quench

Polimer quench pendinginannnya berada diantara air dan oli, kecepatan

pendinginan dapat terpengaruh oleh variasi komponen dalam campuran yang

mana tersusun atas air dan glycol polimer. Polimer quench berkemampuan

untuk menghasilkan benda kerja dengan tingkat korosi yang rendah dari pada

air dan resiko kebakaran yang rendah pada oli. Tapi hasil yang demikian

hanya akan diperoleh bila komposisi kimia material quench selalu konstan.

Gambar 4.20 Peralatan quenching dengan media campuran oli

dan air

(Sumber: www.beautifuliron.com)

Sesuai dengan diagram medium pendinginan, urut-urutan media pendingin

berdasarkan kemampuan menghasilkan kekrasan tertinggi adalah :

1. Air dengan 10% sodium chloride (brine).

2. Larutan garam

3. Air yang mengalir (disemprotkan dengan tekanan tinggi).

4. Oli + air.

5. Oli.

6. udara

Dari proses quenching juga dapat dihasilkan diagram TTT (time,

temperature, transformation), seperti pada gambar 4.21

Gambar 4.21 Diagram TTT Proses Quenching

(Sumber: www.rpdrc.com )

Gambar 4.22 Kurva Quenching Dengan Berbagai Media

(Sumber: www.rpdrc.com )

Angka pendinginan untuk berbagai macam media dapat dilihat

pada tabel di bawah ini :

Tabel 4.2. Angka pendinginan pada specimen stainless steel

berdiameter 0,5 inci dan panjangnya 2,5 inci diquench dari

1500o F

(sumber : Richard A Little, Metalworking Technology)

2.2.2 Softening

Softening adalah proses pemanasan diikuti pendinginan secara perlahan-

lahan (untuk baja karbon tinggi).

a. Annealing

Annealing adalah proses pelunakan, sehingga baja yang keras dapat dikerjakan

melalui pemesinan atau pengerjaan dingin. Hal ini dilakukan dengan

memanaskan baja di atas suhu kritis, dibiarkan sampai suhu merata dan diikuti

dengan pendinginan secara perlahan sambil dijaga agar suhu di bagian luar dan

dalam kira-kira sam. Proses annealing bertujuan

- Menghilangkan tegangan sisa

- Meningkatkan kehalusan, kerapuhan, dan kekasaran

- Menghasilkan mikrostruktur spesifik

Tahapan-tahapan perubahan material dapat kita lihat dari diagaram

fasanya seperti yang terlihat pada Gambar 4.14 di bawah ini.

Gambar 4.23 Diagaram Tahap Annealing

( Sumber : www.info.lu.farmingdale.edu )

Sifat-sifat baja yang didefinisikan di atas dapat diartikan bahwa baja harus

dipanaskan melalui suhu pengkristalan kembali untuk membebaskan tegangan-

tegangan dalam baja. Kemudian mempertahankan pemanasannya pada suhu

tinggi untuk membuat sedikit pertumbuhan butir-butiran dan suatu struktur

lapisan austenit. Dan seterusnya didinginkan secara perlahan-lahan untuk

membuat suatu struktur lapisan perlit, mengindikasi kelunakan, dan

memperbaiki sifat-sifat pengerjaan dingin.

Jenis-jenis annealing:

1.) Annealing sempurna (Full

Anneling )

Proses ini dapat diartikan sebagai pemanasan yang dipertahankan pada

beberapa suhu di atas temperatur Ac3 kemudian menahannya pada

temperatur tersebut selama beberapa waktu (1 jam tiap ketebalan per inchi)

kemudian didinginkan bersamaan dengan dinginnya tungku. Hal itu

dilakukan sampai struktur austenit secara komplet berubah menjadi

struktur perlit. Dan terakhir didinginkan secara bebas. Agar diperoleh

suatu logam yang bersifat lunak maka suatu bahan perlu didinginkan

secara perlahan-lahan. Contohnya yaitu perubahan austenit menjadi perlit.

Pendinginan tersebut melalui suhu kritis terendah yang sesuai sampai

pemanasan baja mencapai perendaman cairan garam (biasanya sekitar 650o

C). Selanjutnya baja dikeluarkan dari dalam rendaman air garam dan

didinginkan secara bebas di udara.

(William D. Callister. Materials Science And Engineering. Halaman 226)

Gambar 4.24 Siklus Annealing Sempurna

(sumber : Amstead, B.H dkk.1989.Teknologi Mekanik edisi ke-7.)

2.) Spherodizing

Merupakan proses annealing yang digunakan untuk baja karbon

tinggi contohnya bantalan peluru. Tujuan dilakukan spherodizing adalah

meningkatkan ketangguhan baja rapuh. Langkah spherodizing adalah

memenaskan bahan hingga temperatur tepat di bawah garis ferrite-austenit

(garis di bawah garis austenit-sementit). Metode spherodizing menghasilkan

struktur cementit yang berbentuk bulat bola (spheroids) seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 4.19 di bawah ini.

Gambar 4.25 Spheroidizoid

(sumber: http://arisabadi.blogspot.com)

Dalam proses ini baja dipanaskan pada suhu sekitar 650o C. Suhu ini

cukup tinggi untuk membuat pengkristalan kembali dan struktur yang seragam.

Baja setelah dipanaskan didinginkan secara bebas di dalam udara. Apabila

proses ini digunakan untuk jenis baja karbon tinggi akan menyebabkan

cementit diperkirakan bebrbentuk bulat. Sehingga baja itu mudah untuk

dibentuk dan dikerjakan mesin perkakas. Sewaktu baja dikerjakan dengan

proses annealing dengan cara dipanaskan pada suhu tinggi dalam periode yang

cukup lama, belangsung proses oksidasi. Hal tersebut menyebabkan terjadi

pengelupasan pada bagian lapisan luar. Struktur ini meningkatkan kemampuan

mekanis dalam proses pemotongan. Spherodizing juga meningkatkan

ketahanan terhadap goresan. Struktur yang terbentuk adalah spherodite seperti

pada gambar diatas.

3.) Stress Relief Anneling

Tegangan sisa dapat meningkat dalam potongan logam sebagai respon dari:

a.) Proses plastik deformasi seperti machining (permesinan) dan grinding

(penggerindaan).

b.) Pendinginan yang tidak seragam pada potongan logam.

c.) Suatu fase transformasi yang disebabkan oleh pendinginan sehingga fase

produk memiliki kerapatan yang berbeda.

Bila tegangan sisa tersebut tidak dihilangkan maka dapat mengakibatkan

gangguan atau distorsi. Cara untuk menghilangkan tegangan sisa tersebut

adalah dengan melakukan proses stress relief anneling, karena proses ini tidak

mengurangi kekuatan material secara signifikan. Proses ini digunakan pada

situasi dimana pengawasan dimensional secara ketat diperlukan dalam proses

pengelasan, dalam proses penempaan, proses pengecoran dan lain-lain.

(Sumber: William D. Callister. Materials Science And Engineering. halaman 225 )

4.) Soft Anneling

Merupakan proses pelunakan dengan menggunakan proses pengerasan

regangan yang dilakukan dengan prosedur pemanasan yang wajar. Ditinjau dari

segi produksi, proses ini lebih cepat dibandingkan dengan paduan dan makin

besar deformasi maka makin cepat proses ini berlangsung. Pemanasan

dilakukan pada suhu 15o F. Tujuan dari soft annealing adalah untuk

menghilangkan tegangan akibat regangan akibat proses penarikan.

5.) Anil

Dilakukan pada material gelas untuk menghilangkan tegangan tegangan

sisa dan menghindarkan terjadinya retakan panas (benda mula dan benda akhir

tidak berubah kekerasannya). Prosedur pelaksanaannya berubah dengan

komposisi gelas karena suhu pemanasan harus mendekati suhu transisi gelas

agar memungkinkan penurunan tegangan tanpa melampaui titik regangan

dimana viskositas = 10 13,5 Pa. Pendinginan yang lambat ini mencegah

terjadinya tegangan termal baru. Dibawah suhu titik regangan dimana ada

peningkatan viskositas sebanyak 30 kali, pendinginan dapat berlangsung

dengan epat karena tidak mungkin terjadi tegangan sisa yang baru. Pada proses

ini tidak ada perubahan struktur mikro. Grafik annealing berdasarkan suhu

dapat kita lihat pada Gambar 4.20 di bawah ini.

Gambar 4.26 Klasifikasi annealing berdasarkan suhu pada annealing

(Rajan, T. V., C. P. Sharma, Ashok Sharma, Heat Treatment Principles and

Techniques )

Untuk full annealing, baja dipanaskan di atas suhu kritis(A3)

maksimum dan kemudian didinginkan secara lambat. Untuk partial annealing,

baja dipanaskan diantara suhu kritis maksimum (A3 or Acm) dan suhu kritis

minimum (A1). Sedangkan pada subcritial annealing, baja dipanaskan di

bawah suhu kritis (A1), dapat dilihat pada Gambar 4.18 di atas.

b. Normalizing

Proses ini seperti yang terlihat dari pada Gambar 4.21, dapat diartikan

sebagai pemanasan dan mempertahankan pemanasan pada suhu yang sesuai

diatas batas perubahan, diikuti pendinginan secara bebas di dalam udara luar

supaya terjadi perubahan ukuran butir-butiran. Pendinginan yang bebas akan

menghasilkan struktur yang lebih halus daripada struktur yang dihasilkan

dengan annealing. Pengerjaan mesin juga akan menghasilkan permukaan

pengerjaan yang lebih baik.

Gambar 4.27 Proses Normalizing

(Sumber: www.rpdrc.com )

Hal tersebut membuat struktur lebih seragam dan juga untuk memperbaiki

sifat-sifat mekanik baja tersebut. Pada proses ini baja dipanaskan untuk

membentuk struktur austenit, direndam dalam keadaan panas dan seterusnya

didinginkan secara bebas di udara

c. Tempering

Baja biasanya dipanaskan kembali pada suhu kritis terendah setelah

dilakukan pengerasan untuk memperbaiki kekutan dan kekenyalannya. Akan

tetapi hal itu mengurangi daya regang dan kekerasannya, sehingga membuat

baja lebih sesuai untuk kebutuhan untuk membuat peralatan. Proses pemanasan

kembali disebut penyepuhan. Proses tersebut menyebabkan martensit berubah

menjadi troostit dan sorbit sesuai dengan suhu penyepuhannya. Troostit dan

sorbit tersebar halus dalam bentuk karbid pada lapisan ferit. Bentuk strukturnya

tidak seperti austenit tetapi berlapis-lapis.

Suhu tempering tergantung pada sifat-sifat baja yang diperlukan, biasanya

sekitar 180oC-650oC, dan lamanya pemanasan bergantung pada tebalnya bahan.

Pemanasan biasanya dilakukan di dalam dapur sirkulasi udara dan seterusnya

direndam dalam minyak atau timbal (timah hitam). Dengan demikian, suhu

pemanasanya dapat dikontrol secara tepat. Alat-alat biasanya ditemper pada

suhu rendah. Penetapan suhu dengan cara melihat warna pada selaput oksida

yang dihasilkan dengan pemanasan.

(Sumber : Rajan T.V ., C.P. Sharma dan Ashok Sharma. Heat Treatment Principles

And Techniques. Halaman 114)

a. Austemper

Proses pencelupan tertunda seperti Gambar 4.22 di bawah ini disebut

austemper. Austenit mengalami transformasi isotermal dan berubah menjadi

bainite yang keras. Benda atau bagian harus dicelup dengan cepat sampai

mencapai suhu yang tepat, tanpa memotong ujung kurva transformasi. Baja

dibiarkan diatas garis Ms akan tetapi dibawah 430oC ( diquench dengan air

garam ). Bila dibiarkan cukup lama akan diperoleh struktur bainite. Dibawah

mikroskop struktur bainite mirip dengan martensite, akan tetapi bainite lebih

ulet dibandingkan dengan martensite temper. Proses ini diterapkan untuk benda

yang kecil dengan kemampuan kekerasan yang baik.

Gambar 4.28 Diagram Austemper

(Sumber: http://www.its.ac.id/personal/material.php?id=fahmi)

Keuntungan austemper yaitu untuk meningkatkan keuletan dan daya tahan

impak dari beberapa baja dan mengurangi distorsi dari material yang

diquenching.

Kekurangannya yaitu membutuhkan air garam khusus dan proses ini hanya

dapat digunakan pada baja tertentu, serta membutuhkan waktu pengerjaan

lama.

b. Martemper

Tujuan utama martemper adalah untuk menekan distorsi, terjadinya retak

atau timbulnya tegangan dalam akibat pencelupan dalam minyak atau air.

Struktur yang terjadi sama dengan martensit temper dan biasanya disusul

temper lagi.

Dari Gambar 1.29 di bawah ini dapat kita lihat proses Martemper. Baja

didinginkan dengan cepat dari daerah austenite sampai suhu diatas garis Ms.

Baja dibiarkan cukup lama sehingga suhu merata, artinya bagian dalam dan

luar telah mencapai suhu yang sama. Setelah itu baja biasanya didinginkan

diudara sampai mencapai suhu ruang dan terbentuklah martensite. Baja

dipanaskan kembali; suhu tergantung pada kadar karbon dan pada unsur

paduan, untuk baja karbon dengan C sama dengan 0,4 %, suhu adalah 370oC.

Gambar 4.29 Diagram Martemper

( sumber : little, Richard A. Metal Working Technology)

Beberapa macam proses tempering

1. Tempering suhu rendah (150°C - 500° C)

Untuk mengurangi tegangan kerut dan kerapuhan dari baja. Digunakan untuk

alat kerja yang tak mengalami beban berat.

2. Tempering suhu menengah (300°C - 500°C)

Untuk menambah keuletan dan kekerasan sedikit berkurang. Digunakan untuk

alat kerja yang mengalami beban berat

3. Tempering suhu tinggi (500°C - 6s0°C)

Untuk memberikan keuletan yang besar tetapi kekerasannya rendah.

Digunakan untuk roda gigi, poros, batang penggerak, dan lain-lain

Gambar 4.30 proses pada tempering

(sumber : William D. Callister. Materials Science And Engineering 7ed)

4.2.3 Aplikasi Proses Heat Treatment

Aplikasi proses heat treatment antara lain :

Aplikasi penggunaan arus induksi dalam industri akhir-akhir ini

berkembang sangat pesat. Termasuk penggunaan arus listrik untuk

mencairkan logam, pengerasan dan perlakuaan panas lainnya.

Pemanasan induksi memberikan hasil yang cukup baik pada pengerasan

permukaan krukas yang harus tahan terhadap aus, karena pemanasan

induksi ini berbeda dengan pengerasan biasa lainya yaitu struktur kima

baja tidak terpengaruh karena perubahan panas berlangsung sangat cepat

dan pencelupan tidak akan mempengaruhi bagian dalamnya. Seperti

pemanasan permukaan untuk penempaan, pemanasan untuk sinter,

brazing dan perlakuan jenis.

Duralium, paduan aluminium dengan tembaga, magnesium, dan

mangan, petama kali diperkenalkan di Jerman. Jenis ini merupakan

paduan aluninium yang dapat diberi perlakuan panas (heat treatment)

dan menghasilkan kombinasi kekuatan dan keuletan yang baik. Saat ini

paduan ini dikenal dengan nama aluminium 2017-T4. Pesawat udara

yang pertama kali memakai struktur rangka aluminium adalah Junkers

F13 yang diproduksi di Jerman pada tahun 1920 dan kemudian disusul

Douglas DC3 yang memakai aluminium 2024-T3. Keunggulan

aluminium 2024-T3 adalah memiliki tahanan fatik yang lebih baik dari

versi sejenisnya.

Pada roda gigi, di lakukan proses heat treatment yaitu proses surface

hardening tanpa penambahan zat dengan cara flame hardening.

Pada proses penyepuhan baja tahan karat (stainless) contohnya pada

sendok. Paduan aluminium, tembaga ,nikel dan magnesium dapat juga

dikeraskan dengan proses ini.

Pada poros dan alat penggerak dilakukan proses tempering suhu tinggi

Pada pembuatan pisau, mterial tersebut di panasi dulu sampai suhu

tertentu agar mudah dibentuk

(sumber : Amstead, B.H dkk.1989.Teknologi Mekanik edisi ke-7.)

4.3 METODOLOGI

4.3.1 Bahan Percobaan

Bahan yang digunakan dalam praktikum heat treatment ini adalah :

a. Baja ST 40

b. Baja ST 60

c. Besi cor

4.3.2 Peralatan percobaan

Peralatan yang digunakan dalam praktikum heat treatment adalah :

a. Sebuah perangkat Furnace Chamber HOFFMANN TYPE K 1

Gambar 4.31 Furnace Chamber HOFFMANN TYPE K 1

Gambar 4.32 Panel control Furnace Chamber HOFMANN TYPE K 1

Spesifikasi alat Chamber Hofman;

• Tipe K-1

• Tahun pembuatan 1991

• Temperatur Alat 20˚ - 850˚

• Waktu mulai penundaan 0 – 9999 menit

• Ramp End, Skip , 4 - 700˚C/h

• Dwell 0-9999 menit

• Pendinginan skip 4 -700˚C

• End 0-9999 menit ditahan

Keterangan :

1. Display

adalah layar yang yang digunakan untuk menampilkan keterangan suhu,

kecepatan pemanasan, waktu penahanan, maupun kecepatan pendinginan.

2. Unit

Bagian yang menunjukkan satuan-satuan dari angka-angka yang ditampilkan

pada bagian display.

3. Program Number

Program number merupakan untuk tiap program yang ada dalam mesin

tersebut.

4. Heating Program

Diagram pemanasan dimana pada diagram tersebut terlihat adanya kenaikan

suhu dan penahanan suhu.

A Mengontrol waktu tunggu yang telah disimpan samapi memulai proses

pemanasan.

B, D, F Mesin pemanas memanasi dg kecepatan yang telah disimpan, dapat

dipilih dari 4oC – 700oC.

C, E, G, I Suhu tidak merubah waktu tunggu.

H Mesin pemanas menurunkan suhu dengan kecepatan normal

5. Relais

Indikator untuk mengontrol sirkulasi udara luar mesin, nilai magnetik, dan

penghubungnya

6. Program Button

Adalah tombol untuk memilih-milih program yamg dinginkan, yang

selanjutnya akan ditampilkan pada layar program number (3).

7. Segment Button

Tombol yang digunakan untuk memindahkan tahapan-tahapan suhu yang

dapat dilihat pada diagram pemanasan.

8. Up/down button

Tombol untuk menaikkan atau menurunkan suhu, kecepatan pemanasan

seperti yang ditampilkan pada display (1).

9. Key Button

Adalah tombol untuk mengunci bila kita menginginkan program tersebut

menjadi salah satu program dalam mesin.

10. Relais button

Untuk mengontrol sirkulasi udara luar mesin, nilai magnetik, dan

penghubungnya.

11. Comsumption button

Untuk mengetahui energi pemakaian pada proses pemanasan sejak dimulai

program dan ditampilkan pada display

12 Start stop button

Tombol untuk memulai jalannya program dan menghentikannya

b. Rockwell Hardness Tester HR 150A

Gambar 4.33 Rockwell Hardness Tester Model HR-150A

c. Mesin ampelas/ grinding

Gambar 4.34 Mesin ampelas/ grinding

d. Vernier caliper

Gambar 4.35 Vernier Calliper

e. Media pendingin

• Air

• Udara

• Oli

4.3.3 Langkah Percobaan

1. Menyiapkan alat dan bahan yang akan dipakai dalam praktikum heat

treatment.

2.Memasukkan spesimen ke dalam Furnace Chamber sampai temperatur 8500 C

dan ditahan selama 10 menit.

3.Mendinginkan spesimen dengan media pendingin

4.Melakukan pengampelasan sampai spesimen rata

5.Menguji kekerasan spesimen dengan Rockwell Hardness Tester model HR

150A .

6.Mengulangi uji kekerasannya sampai tiga kali

7.Mengulangi uji kekerasan untuk spesimen lain.

8.Membandingkan pada spesimen yang sama untuk media pendingin yang

berbeda.

4.3.4 Digram alir percobaan

Mulai

Menyiapkan material yang akan diheat -tretman(Baja ST -40 dan Baja ST -60 )

Memasukkan material ke dalam Chambeer hoffman

Menghidupkan Chamber Hoffman

Membuat program untuk poroses heat -treatment

Memasukkan program yang digunakan dengan memperkirakan waktu ,

kecepatan bakar dan waktu penahanan

Mengecek Program

Menjalankan program dengan menekan tombol start

Menunggu sampai waktu burning selesai

Menekan tombol stop untuk menghentikan pemanasan

Mengeluarkan material dari chamber hofmann

Selesai

Yes

No

4.4 Hasil dan Pembahasan

4.4.1 Data hasil percobaan

Berikut adalah data nilai kekerasan yang diperoleh :

4.1.1 Material Non Perlakuan

No

HRA

Baja ST

40

Baja ST

60Besi Cor

1 51 57 57.5

2 51 56 57

3 51.5 56.5 56

Rat

a-

rat

a

51.167 56.5 56.833

4.1.2. Material Perlakuan

- Perlakuan panas dengan pendinginan udara

No HRA

Baja ST

40

Baja ST 60 Besi Cor

1 37.5 47 50

2 38 50 52

3 37 50 52

Rata 37.5 49 51.333

-rata

- Perlakuan panas dengan pendinginan air

No HRA

Baja ST

40

Baja ST 60 Besi Cor

1 43.5 67 74

2 43.5 66 73

3 44 69 73.5

Rata

-rata43.667 67.333 73.5

- Perlakuan panas dengan pendinginan oli

No HRA

Baja ST

40

Baja ST 60 Besi Cor

1 45 54.5 77

2 45.5 54.5 76

3 45 54 75

Rata

-rata45.167 54.333 76

4.4.2 Analisa Data

Setelah dilakukan percobaan pada baja ST 40, baja ST 60 dan besi cor dengan

non perlakuan dan perlakuan dengan berbagai media seperti media air,oli dan

juga udara dan di dapat nilai kekerasannya tiap-tiap material tersebut maka dapat

dibuat suatu analisa :

1. Dari penjelasan teori di atas media pendinginan quenching sangat

mempengaruhi kekerasan suatu material, bahwa hasil pendinginan

menggunakan media air akan lebih keras dari pada media quenching

lainnya. Berdasarkan urutan kekerasannya dapat diurutkan perlakuan panas

pendinginan air > pendinginan oli > Non perlakuan > perlakuan udara.

2. Dari hasil percobaan didapatkan hasil bahwa pendinginan dengan

air menghasilkan tingkat kekerasan material yang lebih tinggi dibandingkan

dengan pendinginan dengan udara. Hal ini disebabkan karena proses

pendinginan dengan media pendinginan air terjadi sangat cepat karena

dilakukan secara mendadak sehingga terbentuk struktur martensit yang lebih

keras, karena martensit itu sendiri merupakan butiran yang berbentuk jarum

dan mempunyai sifat yang sangat keras dan tidak stabil. Struktur kristal dari

martensit bukan BCC (Body Centered Cubic) melainkan BCT (Body

Centered Tetragonal).

Gambar 4.35 Struktur Kristal BCT ( Body Centered Tetragonal )

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

Struktur ikatan martensit tersebut dikarenakan kehadiran dari karbon yang

terjebak ditengah-tengah struktur kristal. Karena pendinginan yang cepat,

maka atom-atom logam tidak mengalami transformasi secara difusi. Dengan

pendinginan yang sangat cepat maka tidak akan ada waktu bagi austenit

untuk berubah maupun menjadi ferrit. Sedangkan pada pendinginan udara

yang merupakan jenis proses quenching, prosesnya berlangsung sangat

lambat sehingga austenit berubah menjadi perlit maupun ferrit yang lunak.

3. Baja ST-40 merupakan baja karbon rendah dengan kadar C + 0,3

%. Pada diagram fasa Fe – C dibawah, letak ST 40 pada garis warna merah.

Sehingga perubahan fase selama proses heat treatment dapat dilihat pada

diagram tersebut. Baja ST- 60 merupakan baja karbon sedang dengan

kandungan C antara 0,3 – 0,65 % pada diagram fasa dibawah letaknya

antara garis merah dan biru sehingga perubahan fase pada waktu heat

treatment dapat dilihat pada diagram fase Fe – C dibawah.

Gambar 4.36 Letak Baja ST-40 dan ST-60 dalam Diagram fasa Fe – C

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

Gambar 4.37 Representasi struktur mikro baja ST-40 dan ST-60 dalam

proses heat treatment

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

Tabel 4.7. Perbandingan berbagai sifat baja ST-40 dan ST-60 setelah proses Heat

Treatment

Perlakuan Panas Baja ST-40 Baja ST-60 Besi CorNon Perlakuan Sifatnya lebih keras

dibandingkan

dengan baja ST-40

dengan pendinginan

udara maupun oli,

tapi lebih ulet

dibandingkan ST-40

pendinginan air

Kekerasan dan

keuletannya lebih

besar dibandingkan

dengan baja ST 60

pendinginan udara ,

pendinginan air dan

pendinginan oli

Kekerasannya lebih

besar dibandingkan

dengan besi cor

pendingianan udara

tetapi lebih ulet bila

dibandingkan dengan

besi cor pendinginan

oli dan medium airPendinginan

Udara

Paling rendah

kekerasannya bila

dibandingkan

dengan baja ST 40

non perlakuan ,

pendinginan air dan

pendinginan oli

tetapi keuletannya

paling besar bila

dibandingkan

dengan baja ST-40

non perlakuan,

pendingianan air

dan pendinginan oli.

Paling rendah

kekerasannya bila

dibandingkan dengan

non perlakuan ,

pendinginan air dan

pendinginan oli tetapi

keuletannya paling

besar bila

dibandingkan dengan

baja ST-60 non

perlakuan,

pendinginan air dan

pendinginan oli.

Paling besar

keuletannya dan

paling rendah

kekerasannya bila

dibandingkan dengan

besi cor non

perlakuan,

pendinginan air, dan

pendinginan oli

Pendinginan air Paling keras dan

paling rendah

keuletannya bila

dibandingkan

dengan baja ST 40

Kekerasannya lebih

besar dibandingkan

dengan ST 60

pendinginan udara

tapi lebih ulet bila

Kekerasannya lebih

besar dibandingkan

dengan besi cor non

perlakuan maupun

pendinginan udara

non perlakuan,

pendinginan air dan

pendinginan oli

dibandingkan dengan

ST 60 non perlakuan

dan pendinginan oli

tetapi lebih ulet bila

dibandingkan dengan

besi cor pendinginan

oliPendinginan Oli Kekerasannya lebih

besar di bandingkan

dengan ST 40

Pendingianan udara

tapi lebih ulet bila

disbanding dengan

ST 40 non

perlakuan maupun

dengan medium air

Kekerasannya lebih

besar dibanding

dengan ST 60

medium udara

maupun air, tetapi

lebih ulet

dibandingkan dengan

ST 60 non perlakuan

Paling keras dan

paling rendah

keuletannya bila

dibandingkan dengan

besi cor non

perlakuan,

pendinginan udara,

dan pendingianan air

4. Penyimpangan-penyimpangan yang terjadi :

a. Nilai rata-rata kekerasan baja ST 60 pendinginan air 60.33 skala HRA dan

nilai kekerasan baja ST 60 pendinginan oli 61 sksls HRA,artinya nilai

kekerasan pendinginan oli lebih besar dibandingkan nilai kekerasan

pendinginan air

b. Nilai rata-rata kekerasan besi cor pendinginan air 74.17 skala HRA dan

nilai kekerasan besi cor pendinginan oli 76 skala HRA,artinya nilai

kekerasan pendinginan oli lebih besar dibandingkan nilai kekerasan

pendinginan air

5. Penyimpangan-penyimpangan ini dapat terjadi karena hal-hal sebagai berikut :

a. kurang ratanya atau kurang halusnya permukaan material pada saat

mengamplas sehingga terjadi perbedaan distribusi gaya yang diterima

pada permukaan material.

b. jarak identitor penetrasi dengan berikutnya terlalu dekat, sehingga nilai

kekerasannya kurang tepat.Oleh karena itu jarak antara diameter indentor

yang satu dengan yang lain harus minimal 3 (tiga) kali diameter indentor.

c. kekurang telitian praktikan dalam melihat nilai kekerasan yang terlihat

pada Rockwell tester.

d. kekurang telitian praktikan dalam melihat waktu pada saat dilakukan gaya

penekanan pada material.

4.5 KESIMPULAN DAN SARAN

4.5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil percobaan dan analisa data, dapat disimpulkan beberapa

hal yaitu :

1. Heat treatment adalah proses pendinginan dan pemanasan yang terkontrol

terhadap logam, yang disesuaikan dengan tujuan pemakaiannya.

2. Tujuan dari heat treament antara lain :

a. Untuk mempersiapkan material untuk pengolahan berikutnya.

b. Mempermudah proses machining.

c. Untuk mengurangi kebutuhan daya pembentukan dan kebutuhan

energi.

d. Memperbaiki sifat keuletan material dan kekuatan material, dimana

dalam hal ini merupakan fungsi dari kandungan karbon yang terkandung dalam

material.

e. Meningkatkan kekerasan dan tegangan tarik.

3. Pendinginan yang cepat akan meningkatkan kekerasan sedangkan pendinginan

lambat kekerasannya kurang optimal.

4. Proses-proses dalam Heat treatment pada suatu material antara lain :

1. Untuk memperbaiki sifat kekerasan material ( hardening ) :

Surface Hardening(pengerasan permukaan)

1. Dengan penambahan zat

a. Karburasi

b. Nitriding

c. Karbonitriding

d. Sianiding

e. Chromizing

f. Siliconizing

2. Tanpa Penambahan Zat

(a.) Flame Hardening

(b.) Induction Hardening

(c.) Laser and Electron Beam Hardening

Quenching

2.) Untuk memperbaiki sifat keuletan material ( softening ) :

a.) Anneling

b.) Normalizing

c.) Tempering

e. Dari data hasil percobaan didapat nilai kekerasan :

Baja ST 40 perlakuan air < non perlakuan>pendinginan oli > pendinginan

udara

Baja ST 60 perlakuan air > perlakuan oli > non perlakuan > pelakuan

udara

Besi cor perlakuan oli > perlakuan air > non perlakuan > perlakuan

udara

4.5.2 Saran

1. Waktu dan temperatur setiap material supaya diperhatikan selama

proses Heat Treatment.

2. Pada saat proses pendinginan setelah heat treatment, supaya

diperhatikan temperatur setiap perlakuan pada material tersebut.

3. Sebelum digunakan, alat harus dikalibrasi terlebih dahulu agar hasil

sesuai dengan standar.

4. Perhatikan juga proses pengukuran dan kehalusan permukaan benda

saat proses pengamplasan.

5. Praktikan seharusnya sungguh–sungguh dalam pelaksanaan praktikum,

teliti dalam pengamatan dan cermat dalam pengukuran maupun

perhitungan

6. Praktikan harus jeli dan teliti serta harus mengingat spesimen yang sedang

diamati sehingga tidak terjadi kekeliruan atau tertukarnya spesimen.