perlakuan panas logam

A.  Kompetensi Dasar

1.  KD pada KI pengetahuan

3.4 Memahami persyaratan perlakuan panas logam

2.  KD pada KI keterampilan

4.4 Mengidentifikasi proses perlakuan panas logam

B. Indikator Pencapaian Kompetensi

1.  Indikator KD pada KI pengetahuan

a.    Menjelaskan tujuan dari proses pelunakan dan pengerasan logam

b.    Membedakan persyaratan dari proses pelunakan dan pengerasan logam

c.    Menceritakan langkah proses dari proses pelunakan dan pengerasan logam

2.  Indikator KD pada KI keterampilan

a.    Mengidentifikasikan proses pelunakan dan pengerasan logam

b.    Memilah proses pelunakan dan pengerasan logam

C. Tujuan Pembelajaran

1.    Melalui diskusi dan menggali informasi, peserta didik dapat menjelaskan tujuan dari proses pelunakan dan pengerasan logam dengan tepat sesuai materi yang telah diberikan.

2.    Melalui diskusi dan menggali informasi, peserta didik dapat membedakan persyaratan dari proses pelunakan dan pengerasan logam dengan tepat sesuai materi yang telah diberikan.

3.    Melalui diskusi dan menggali informasi, peserta didik dapat menceritakan proses pelunakan dan pengerasan logam dengan tepat sesuai materi yang telah diberikan.

4.    Melalui diskusi dan menggali informasi, peserta didik dapat mengidentifikasikan dari proses pelunakan dan pengerasan logam dengan tepat sesuai materi yang telah diberikan.

5.    Melalui diskusi dan menggali informasi, peserta didik dapat memilah proses pelunakan dan pengerasan logam dengan tepat sesuai dengan fungsi dan karakteristiknya masing-masing sesuai materi yang telah diberikan.

D.   Uraian Materi

APA ITU PERLAKUAN PANAS LOGAM?

1.    PENDAHULUAN

Perlakuan panas logam adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat mekaniknya. Logam dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan juga kemampuan memotong dapat meningkat atau dapat dilunakan untuk memudahkan proses dikerjakan di pemesinan. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, ukuran butiran dapat diperbesar atau diperkecil. Selain itu ketangguhan dapat ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling akan tetapi inti dari baja tersebut tetap ulet. Untuk memungkinkan perlakuan panas yang tepat, komposisi kimia baja harus diketahui karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat fisis. Dimana baja yang dibutuhkan dalam teknik sangatlah berbeda-beda antara lain dibutuhkan kekerasannya, ketahanan terhadap korosi, elastisitasnya, keuletannya/liat, lunak bisa diregang dan lain sebagainya seperti contoh-contoh dibawah ini:

 

Gambar 1. Contoh benda hasil perlakuan panas

Dalam memudahkan memilih temperatur pemanasan yang sesuai untuk setiap proses perlakuan panas perlu ada acuannya, yaitu sebuah diagram yang disebut diagram fasa. Diagram fasa dalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dimana terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat dengan kadar karbon. Diagram ini merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi perlakuan panas. Berikut diagram fasa Fe-Fe3C:

 

Gambar 3. Diagram Fe-Fe3C

PERLAKUAN PANAS LOGAM

PELUNAKAN Ø  Annealing Ø  Normalising

PENGERASAN

PERBAIKAN Ø  Quenching Ø  Tempering

PENGERASAN PERMUKAAN Ø  Flame Hardening Ø  Pengerasan dengan Induksi Ø  Carburizing Ø  Nitridiing

 

  

1.    PELUNAKAN

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).

a.    Annealing

Annealing ialah memanaskan baja sampai suhu tertentu, kemudian menahannya selama waktu tertentu kemudian didinginkan dengan lambat.

1)    Tujuan proses annealing:

a)    Mengurangi kekerasan,

b)    Menghilangkan tegangan sisa,

c)    Memperbaiki ductility,

d)    Menghaluskan ukuran butiran.

2)    Proses annealing:

a)    Untuk baja hypoeutectoid (<0,83%C). Baja dipanaskan 30–60ºC (50-1000ºF) diatas temperatur A3 kemudian ditahan beberapa saat baru didinginkan di dalam dapur dengan kecepatan pendinginan 10—30ºC/jam sampai temperatur 30ºC di bawah A1, kemudian didinginkan di udara.

b)    Untuk baja hyper eutectoid (>0,831%C). Pada dasarnya sama dengan baja hypo eutectoid, kecuali pada permulaan pemanasan hanya sampai daerah austenit+sementit, yaitu pada temperatur sekitar 30-60ºC di atas A1.

b.    Normalizing

Normalizing merupakan proses perlakuan panas dimana proses pemanasan mencapai temperatur austenisasi (temperatur eutectoid), dan kemuadian didinginkan perlahan pada udara (still air atau slightly agitated air).

1)    Tujuan proses Normalizing:

Untuk memperbaharui struktur butiran, agar semua pengaruh dari pengerjaan dingin atau panas dapat dihilangkan dan dapat dimanfaatkan untuk baja-baja konstruksi, baja rol, bahan yang mengalami penempaan.

2)    Proses Normalizing:

Memanaskan sampai sedikit di atas suhu kritis (60ºC di atas suhu kritis atas). Untuk hypoeutectoid temperatur pemanasan dilakukan diatas garis A3 sedangkan untuk baja hypereutectoid temperatur pemanasan dilakukan diatas garis Acm kemudian setelah suhu merata didinginkan di udara.

Gambar 4. Diagram normalizing

2.    PENGERASAN

Hardening (Pengerasan) adalah usaha untuk meningkatkan sifat tahan aus dan kekerasan yang tinggi dengan cara celup cepat (quenching) material yang sudah dipanaskan ke dalam suatu media quenching berupa air, air garam, maupun oli.

a.    Tujuan Proses Hardenging: Merubah struktur baja sedemikian rupa sehingga diperoleh struktur martensit yang keras.

b.    Proses Hardening: Baja dipanaskan sampai temperature pengerasannya (Temperatur Austenisasi) antara 770—830ºC (tergantung dari kadar karbon) kemudian ditahan pada suhu tersebut, beberapa saat, kemudian didinginkan secara mendadak dengan mencelupkan dalam air, oli atau media pendingin yang lain. Dengan pendinginan yang mendadak, tak ada waktu yang cukup bagi austenit untuk berubah menjadi perlit dan ferit atau perlit dan sementit. Pendinginan yang cepat menyebabkan austenit berubah menjadi martensit.

Gambar 5. Diagram Proses Hardening

3.    PERBAIKAN

Proses perbaikan pada perlakuan panas logam merupakan suatu proses untuk memperbaiki ataupun mengatur ulang struktur mikro pada logam, agar sesuai dengan kebutuhan. Adapun proses perbaikan dalam perlakuan panas logam adalah sebagai berikut:

a.    Quenching

Keberhasilan proses quenching ditentukan oleh media quenching yang digunakan. Untuk menentukan media quenching, sangat bergantung pada mampu keras (hardenability) dari logam, ketebalan dan bentuk dari benda uji yang akan diquenching. Serta struktur mikro yang diinginkan dari hasil proses quenching. Adapun media quenching yang sering digunakan adalah media cair (liquid) dan gas. Media quenching cair adalah oli, air, larutan polimer (aquos polymer solution), dan larutan garam. Sedangkan media quenching gas adalah helium, argon, dan nitrogen.

1)    Tujuan Proses Quenching: Secara umum pada baja (baja carbon, low alloy steel, dan tool steel) adalah untuk proses hardening, yaitu menghasilkan struktur mikro martensit pada baja tersebut.

2)    Proses Quenching: Prosesnya dilakukan dengan pendinginan yang relatif cepat dari temperatur austenisasi (umumnya pada jarak temperatur 815°C – 870°C) pada baja.

b.    Tempering

Tempering adalah memanaskan kembali baja yang telah dikeraskan.

1)    Tujuan Proses Tempering: Untuk menghilangkan tegangan dalam dan mengurangi kakerasan.

2)    Proses Tempering: Memanaskan kembali berkisar pada suhu 150—650°C dan didinginkan secara perlahan-lahan tergantung sifat akhir baja tersebut. Tempering dibagi dalam:

a)    Tempering pada sahu rendah (150—300°C). Tujuannya untuk mengurangi tegangan-tegangan kerut dan kurapuhan dari baja. Proses ini digunakan untuk alat-alat kerja yang tak mengalami beban yang berat, seperti misalnya; alat-alat potong, mata bor yang dipakai untuk kaca dan lain-lain.

b)    Tempering pada suhu menengah (300—500°C). Tujuannya untuk menambah keuletan dan kekerasannya menjadi sadikit berkurang. Proses ini digunakan pada alat-alat kerja yang mengalami beban berat, seperti palu, pahat, pegas-pegas.

c)    Tempering pada suhu tinggi (500—650°C). Tujuannya untuk memberikan daya keuletan yang besar dan sekaligus kekerasan menjadi agak rendah. Proses ini digunakan pada; roda gigi, poros, batang penggerak dan lain-lain.

4.    PENGERASAN PERMUKAAN

Seringkali komponen-komponen baja diinginkan hanya keras pada permukaannya saja sedangkan inti atau porosnya tetap lunak, hal ini memberikan kombinasi yang serasi antara permukaan yang tahan pakai dan poros yang ulet.

a.    Tujuan Proses Pengerasan Permukaan: Menghasilkan lapisan permukaan yang keras pada baja yang dianggap lunak dan ulet.

b.    Umumnya pengerasan permukaan dibagi menjadi tiga proses:

1)    Carburizing/penambahan karbon.

Proses karburizing didasarkan atas kemampuan baja untuk menyerap karbon pada temperatur antara 900—950°C. Carburizing adalah salah satu metoda yang digunakan untuk menghasilkan permukaan keras pada baja yang berkadar karbon rendah (<0,3%).

Dengan proses ini didapat lapisan baja dengan kadar karbon 0,3-1%, dengan tebal antara 0,1-2,5mm tergantung lamanya pemanasan.

Gambar 6. Grafik hubungan lama pemanasan dengan tebal pengerasan

Gambar 7. Proses Carburizing

Proses Carburizing: Baja yang akan diproses dimasukkan kedalam peti yang berisi arang kayu atau batu bara dan barium karbonat. Setelah suhu dan waktu pemanasan tercapai (tergantung ketebalan dan kekerasan yang diinginkan), dapur kemudian dimatikan, setelah mencapai suhu kira-kira 350°C, kotak kemudian dikeluarkan dan selanjutnya didinginkan di udara.

2)    Flame hardening.

Flame hardening atau pengerasan dengan nyala api adalah pengerasan yang dilakukan dengan memanaskan benda kerja pada nyala api. Nyala api tersebut dapat menggunakan Elpiji + Udara atau Acetylin + O2. Prinsip kerja dari flame hardening adalah permukaan benda kerja dipanaskan hingga suhu austenit, dengan cara menyalakan api oxy-acetylene dan diquenching dengan air. Cara ini sangat efektif untuk baja dengan kandungan karbon cukup tinggi (0,3% - 0,6 % C).

Gambar 8. Proses Flame Hardening

Pada proses ini hal-hal yang harus diperhatikan adalah:

a)    Zona yang dipanaskan harus bersih dan bebas dari kerak.

b)    Keseimbangan campuran gas oksigen dengan asetilen untuk mendapatkan nyala netral dan stabil.

c)    Laju atau kecepatan pemanasan diusahakan tetap atau stabil

d)    Sebaiknya dilanjutkan dengan proses temper, untuk mengurangi kegetasan

3)    Pengerasan dengan Induksi

Pada pengerasan induksi tidak mengalami perubahan komposisi kimia di permukaannya, zona yang dikeraskan permukaannya dipanaskan hingga temperatur austenisasi lalu didinginkan dengan cepat sehingga membentuk struktur martensit. Baja yang dikeraskan harus mempunyai sifat mampukeras (hardenability) yang baik seperti baja dengan kandungan karbon sekitar 0,3 sampai 0,6 %.

Pemanasan pada proses pengerasan induksi diperoleh dari arus bolak-balik berfrekuensi tinggi berasal dari konverter oscilator yang selanjutnya didinginkan dengan cepat (seperti terlihat pada gambar 9.1). Arus bolak-balik dengan frekuensi tinggi (10.000 sampai 50.000 Hz) ini mengakibatkan timbulnya arus Eddy dalam lapisan permukaan logam yang kemudian berubah menjadi panas. Sedangkan kedalaman pemanasan tergantung kepada daya dan frekuensi arus listrik.

Macam penggunaan frekuensi:

- 3000 Hz untuk kedalaman 3 – 6 mm.

- 9600 Hz untuk kedalaman 2 – 3 mm.

Segera setelah permukaan komponen mencapai suhu yang diperlukan untuk pendinginan, arus dimatikan dan selanjutnya permukaan serentak disemprot air melalui lubang pada blok induksi. 

Gambar 9. Proses Pengerasan dengan Induksi

4)    Nitriding/penambataan nitrogen.

Baja yang dinitriding adalah baja paduan rendah yang mengandung chromium dan molibdenium dan kadang-kadang disertai kandungan nikel dan vanadium. Beberapa baja nitriding mengandung kira-kira 1% aluminium. Baja tersebut dipanaskan pada 500°C. selama 40 hingga 90 jam dalam kotak gas yang diisi sirkulasi gas amonia. Permukaan baja akan menjadi sangat keras karena terbentuknya nitrida, sedangkan inti bahan tetap tidak terpengaruh.

Gambar 10. Proses Nitriding

E.   Soal Latihan

1.    Pada dasarnya apakah tujuan dari proses pelunakan dan proses pengerasan logam? (nilai maksimal 20)

2.    Apa perbedaan yang paling mendasar dari persyaratan proses pendinginan pada proses pelunakan dan pengerasan logam? (nilai maksimal 20)

3.    Tuliskan dengan singkat langkah proses hardening! (nilai maksimal 30)

4.    Sebuah baja dengan kadar karbon 0,5% yang telah mengalami proses pengerasan (hardening) hendak dilakukan proses pembubutan untuk mengurangi diameternya, jelaskan bagaimana langkah proses perlakuan panasnya agar baja tersebut dapat dikerjakan dengan mesin bubut! (nilai maksimal 30)

F.    Sumber Referensi

Dadang. BSE Teknik Dasar Pengerjaan Logam Kelas X Kurikulum 2013. Malang:  PPPPTK BOE Malang. 2013

Dossett, Jon L, et al. ASM Handbook Volume 4 Heat Treating. the United States of America: ASM International. 2005

-----------. (2012). Modul 9 Proses Perlakuan Panas. http://www.google.com/url?q=https://msrpnpup.files.wordpress.com/2014/11/9-proses-perlakuan-panas-d3.pdf&sa/ (diakses 12 Februari 2018)