perlakuan panas (metalurgi fisik)

PERLAKUAN PANAS

Pendahuluan
Dalam pengggunaan bahan, untuk keperluan Industri ataupun konstruksi haruslah sesuai sifat-sifat yang dimiliki bahan tersebut, utamanya pada sifat-sifat mekanik, fisik dan teknologinya, namun kenyataannya para pengguna seringkali mengalami kesulitan dalam pemenuhan kebutuhannya akan bahan, tidak sesuai dengan persyaratan yang dibutuhkan.
Misalnya kebutuhan konstruksi, membutuhkan bahan yang kuat dan keras namun masih ulet dan harganya murah, hal ini dipenuhi oleh bahan baja, tetapi kesulitannya, biasa pada sifat keuletan karena baja yang kuat dan keras biasanya getas, dilain pihak baja yang ulet biasanya lemah dan lunak, untuk bahan lain seperti paduan logam non Fe (besi) harganya mahal dengan sifat-sifat tertentu. Untuk memecahkan permasalahan ini, biasanya dilakukan suatu tindakan, dengan melakukan suatu perlakuan terhadap bahan agar nantinya menghasilkan suatu bentuk bahan sesuai persyaratan yang diminta.
Berbagai perlakuan untuk mengubah sifat-sifat bahan baik sifat mekanik, struktur ataupun sifat-sifat lain, telah banyak diketahui seperti penghalusan butir, pengerasan larutan padat, struktur yang diperkuat, penguatan presipatasi dan dispersi, ataupun perlakuan panas dan lain-lainnya.
Dengan melakukan perlakuan tertentu, sesuai kemampuan bahan diharapkan dapat mengubah sifat bahan menjadi lebih baik dan sesuai kebutuhan yang kita harapkan.
Setelah membahas pokok bahasan ini diharapkan mahasiswa dapat :
1. Menjelaskan tentang jenis-jenis perlakuan yang dapat dilakukan terhadap bahan, untuk mengubah sifat bahan tersebut.
2. Menjelaskan tentang jenis sifat bahan yang dapat diubah melalui jenis perlakuannya.
3. Dapat mengklasifikasikan bahan, sesuai jenis perlakuan yang cocok dilaksanakan pada bahan tersebut.
4. Dapat menjelaskan prosedur pelaksanaan setiap jenis perlakuan yang dapat dilakukan.
Untuk mengubah dan meningkatkan sifat-sifat bahan, dalam memenuhi tuntutan penggunaan bahan dalam Industri ataupun dunia konstruksi lainnya, haruslah dilakukan perlakuan-perlakuan tertentu, sesuai kemampuan bahan, untuk menghasilkan sifat yang optimal terhadap sifat mekanik dan sifat lainnya sesuai keinginan. Dalam hal ini berdasarkan silabus yang ada, akan dijelaskan beberapa perlakuan yang dapat mengubah dan meningkatkan sifat bahan yaitu perlakuan panas, elemen paduan dan pengerasan permukaan




I. Perlakuan panas (Heat treatment)
Pengertian umum
Perlakuan panas adalah proses pemanasan dan pendinginan untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu pada batas kemampuannya.

Pengertian khusus.
Pengubahan sifat-sifat bahan dengan pemanasan dan pendinginan tertentu menghasilkan sifat bahan tertentu dan sesuai batas kemampuan dari masing-masing bahan.
Perlakuan panas dibagi 3 yaitu perlakuan panas biasa, perlakuan panas larutan dan perlakuan panas pada permukaan
Perlakuan panas biasa adalah suatu proses pemanasan dan pendingin secara kontinu, untuk menghasilkan sifat-sifat tertentu sesuai batas kemampuan bahan, proses ini banyak dilakukan pada bahan baja.
Perlakuan panas larutan adalah proses pemanasan tertentu dan pendinginan dengan laju pendinginan tertentu pada suatu kondisi tertentu untuk menghasilkan sifat-sifat tertentu pula dan ini banyak dilakukan pada senyawa-senyawa non fero, atau paduan-paduan non fero.

II. Perlakuan panas biasa
Perlakuan panas dengan pendinginan cair disebut quench dan perlakuan panas pendinginan kering disebut anil.
Perlakuan panas dengan pendinginan cair seperti air garam air biasa, solar dan olie yang lebih dikenal sebagai proses quenching atau pengerasan.
Proses pengerasan meliputi pengerasan regangan, pengerasan presipitasi dan pengerasan kulit.
Prosedur pelaksanaan perlakuan meliputi proses pemanasan dan proses pendingnan secara kontinu.

Program CCT (Cooling Continue Transformation) adalah satu bentuk tranformasi yang ada seperti Tranformasi ISO thermal, tranformasi martensite dan lain-lain.
Diagaram ini disebut juga diagram S, karena bentuknya seperti S dan dapat juga disebut diagram Isotermal atau TTT (Time, Temperatur dan Tranformation), dimana Daerah A adalah Austenit A + F adalah daerah fasa ferit dan Austenit, demikian juga untuk A+ F+P dan F + P
Untuk baja Eutektetik > 0,83% C (Tidak terdapat daerah ferit hanya perlit sebagai wujud fasa ferit dan Fe3C yang tersusun dan tersebar secara halus.
Garis Ms dan Mf adalah daerah terbentuknya martensit yaitu Ms adalah awal pembentukna martensit dan Mf adalah akhir pembentukan (Tranformasi) martensit ada 3 faktor tranformasi menjadi
1. Massa
2. Kemampuan quench
3. Sifat mampu keras bahan
Tranformasi dari Austenik ke Martensit adalah garis Ms yang tidak tergantung pada waktu tetapi pada temperatur.
Bentuk dan letak diagram S dipengauhi oleh kandungan karbon unsur lain dalam baja dan besar butir austenit, dimana makin banyak kandungan karbon, makin banyak unsur lain dan makin besar, butir austenik diagram S makin jauh letaknya dari sumbu tegak.
Pada pendinginan air garam, austenit bertransformasi ke martensit, dimana tranformasi martensit ini sifat dan mekanismenya lain dibanding dengan tranformasi-transformasi yang ada, dimana pada tranformasi umumnya mengalami pertumbuhan dan penggantian sedang tranformasi martensit terjadi karena pergeseran pada bidang kristal, yang merupakan geseran tingkat pertama dan bersifat homogen. Pergeseran ini disebut habit plane butir martensit menghasilkan sifat keras, kuat dan sangat getas, selain itu terbentuk pula, retaine austenit atau austenit sisa yaitu austenit yang tidak berubah menjadi martensit yang sifat rapuh dan getas, dengan demikian pendinginan cepat air garam menghasilkan sifat keras, kuat dan getas, dari struktur martensit yang terbentuk dimana kekerasan martensit dapat mencapai HRC 67 dan merupakan fasa terkeras yang ada pada baja, untuk pembentukan struktur pada pendinginan air biasa (H2O) terjadi pembentukan ferit yang lunak, liat dan lemah, juga perlit yang keras, kuat tapi getas yang mewakili sifat Fe3C yang keras kuat dan getas.
Pemanasan baja misalnya haruslah memberikan pemanasan dengan temperatur diatas, temperatur kristis 723oC, yang besarnya disesuaikan kadar karbon baja untuk mencapai temperatur Austenisasi, untuk itu ditinjau pada digram fase Fe-Fe3C (Besi-besi karbon).













Untuk pemanasan pada pengerasan dan lain-lain baja adalah pada temperatur kira-kria 60o diatas garis A1 dan A3 untuk mengubah struktur menjadi austenit sampai homogen, dan untuk mendapatkan kehomogenan ini perlu waktu cukup lama yaitu waktu penahanan (time holding) pada temperatur tersebut setelah itu dengan cepat sekali baja tersebut dicelupkan kedalam medium pendinginan. Medium pendinginan dapat berupa cairan yaitu air garam air biasa solar ataupun oli, juga dapat berupa pendinginan kering seperti udara, tungku.
Medium pendinginan disusun menurut kecepatan pendinginannya, mulai dari paling cepat yaitu air garam, sampai pada yang paling lambat yaitu tungku.
Yang dimaksud kecepatan pendinginan ialah turunnya temperatur pada waktu baja dicelup atau didinginkan dalam derajat / dtk. Kecepatan pendinginan ini sangat mempengaruhi perubahan sifat bahan (baja).
Untuk melihat seberapa besar perubahan sifat baja dari kecepatan pendinginan dapat dilihat pada tranforamasi pemanasan dan pendinginan terus-menerus












Ferit yang lunak liat dan lemah, karena perlit adalah baja yang tersusun dari fasa ferit dan Fe3C, sedang Austenit yang belum berubah menjadi Ferit dan perlit menjadi martensit jadi sifatnya juga kuat, keras dan getas, tetapi kekuatan kekerasan dan kegetasan lebih rendah daipada pendinginan air garam, demikian seterusnya pada solar, olie, udara dan tungku yang mempunyai kecepatan pendinginan yang berbeda akan menghasilkan perubahan sifat yang juga berbeda.
Jadi dari diagram CCT dari Diagram S akan terjadi perubahan sifat yang disebabkan kecepatan pendinginan dimana makin cepat akan menghasilkan sifat mekanis kuat keras dan getas, dan makin lambat menghasilkan sifat lunak ulet dan lemah. Hal ini terjadi baik baja hipoeutektan kadar karbon lebih rendah dari 0,83% C juga baja entektris kadar karbon lebih tinggi dari 0,83% C













Garis A-B menggambarkan penambahan kelarutan tembaga dengan naiknya temperatur dalam aluminium dalam keadaan padat.



III. Perlakunan panas larutan dan pengerasan presipitasi
Perlakuan panas yang banyak dilakukan pada logam-logam dan paduan-paduan non fero, yaitu perlakuan panas kepada logam-logam dan paduan-paduan yang tidak dapat diperlakupanaskan secara biasa seperti baja dan perlakuan panas larutan ini dapat diamati melalui perlakuan panas paduan aluminium tembaga (Al-Cu)
Jadi untuk menjalankan perlakuan panas larutan ini pada paduan Al-Cu, dibutuhkan kondisi tertentu harus ada selama pengerasan aluminiun dengan proses presipitasi.
Yaitu :
1. Harus ada unsur atau paduan cukup berarti yang kelarutan padatnya berkurang dalam aluminium seiring turunnya temperatur.
Pada paduan aluminium jenis 2xxx yaitu paduan Al-Cu bila dipanaskan, maka temparatur 482oC sampai 538oC aluminium akan manahan Cu lebih banyak daripada temperatur kamar (ruang)
Dari diagram fasa paduan Al-Cu ini terlihat bahwa pada temperatur 548oC (1018oF) Al dapat menahan Cu sampai 5,65% dalam kondisi jenuh dan kelarutan Cu dalam Al akan berkurang seiring turunnya temperatur dan pada temperatur 540oC dengan 4% Cu ditransformasikan pada pendinginan cepat air terlihat pada titik 1 tembaga dalam larutan padat, sedang pada titik 2 tembaga dalam butiran hulus yang terpencar dari Cu aluminida.
2. Jika Cu memberikan kondisi saturisasi (jenuh) dalam Al akan mengendap partikel-partikel Cu aluminida yang sangat halus pada batas butiran sepanjang bidang-bidang kristal dan menghasilkan tegangan di dalam aluminium  proses ini disebut pemanasan atau perlakuan panas presitipasi dalam proses ini partikel halus Cu aluminida berfungsi kunci yang menahan bidang-bidang slip, keadaan ini menambah kekuatan dan kekerasan tetapi berkurang keliatannya.

3. Perlakuan panas larutan dan panas buatan pada paduan Al jenis 2014
Dipanaskan untuk selang waktu tertentu lalu diquench menghasilkan kekuatan dan kekerasan tetapi ketahan korosi turun, lalu diulang yang disebut perlakuan panas selnya akan terbentuk partikel Cu aluminida halus dan tersebar menjadi kunci untuk mencegah aliran plastik dalam logam

IV. Perlakuan Panas Permukaan
Pengerasan permukaan atau pengerasan kulit (Case Hardening) (Yaitu pengarbonan, penitridan, nyala api dan lain-lain)
Pengarbonan padat digunakan arang dicampur 10% NaCO3 dan BaCO3 lalu campuran ini dimasukan ke dalam kotak sebelum kotak ditutup baja yang akan dikeraskan ditaruh ditengah-tengah campuran arang, dipanaskan 900 – 950oC, dan pada temperatur ini diharapkan terjadi difusi karbon pada permukaan baja, dengan demikian terjadi peningkatan kadar karbon pada permukaan dan struktur menjadi kasar, untuk menghaluskan dilakukan pemanasan ke 2 pada 800oC lalu ditemper pada 150-200oC
Reaksi pengarbonan adalah :
Co2 + C (arang)  2 CO
2CO + CO2 + C (Larut dalam baja)

Pengarbonan Cair  digunakan garam cair mengandung NaCN sebagai komponen utama.

Pengarbonan gas  digunakan gas yang mengandung karbon yang berasal dari butan, propan dan lain-lain, dicampur udara dan Ni sebagai katalis, pengarbonan jenis ini dapat mengontrol kadar karbon pada permukaan benda kerja dan benda kerja dapat dicelup dingin setelah pengarbonan

Penitridan  untuk membuat kulit nitrida pada permukaan baja, dengan jalan menempatkan baja dalam tungku yang dialiri gas amoniak dan dipanaskan pada temperatur 500oC struktur bagian dalam baja tidak berubah akibat telah dikeraskan dan ditemper di bawah teperatur temper. Untuk baja keperluan ini adalah baja paduan Al, Cr, Te, V, dan Si.

Penitridan Ion  Tungku Vakun diisi gas N2 atau N2 + H2 pada tekanan 1  10 torr, dengan ini tungku dibuat anoda, baja dibuat katoda, dihubungkan dengan tegangan ratusan Volt, dengan ini gas diionisasikan oleh aliran elektron dari permukaan baja menjadi panas dan proses penitridan terjadi secara simultan.
Hasil dari penitridan adalah menghasilkan kulit nitrida yang keras dan tahan aus.

Pengerasan nyala api dan frekuensi tinggi
Untuk pengerasan frekuensi tinggi baja dililit lalu lilitan dialiri arus frekuensi tinggi, dengan ini permukaan baja terpanaskan, dan mencapai temperatur celup dingin, lalu baja dicelup menghasilkan permukaan keras.

Untuk pengerasan nyala api  Menggunakan gas oksigen asitilen untuk memanaskan baja lalu dicelup dingin juga menghasilkan kekerasan tinggi.

Evaluasi
1. Jelaskan cara cara mengubah sifat bahan
2. Sifat bahan apa sajakah yang dapat berubah
3. Apakah semua bahan dapat diubah sifat-sifanya
4. Apakah perbedaan perlakuan panas biasa dengan perlakuan panas larutan dan pengerasan presipitasi.