Metalurgi Sub-Permukaan TINJAUAN PUSTAKA

r c Kecepatan makan: v = Radius Ujung Pahat 0,2 mm f = f × n mmmin .............................................................. 2.9 Waktu pemotongan: f t c v l t = min ………………….………………………. 2.10 Kecepatan penghasilan geram: Z = A × v cm 3 min …………………….……. 2.11 Dimana: A = penampang geram sebelum terpotong A = f × a mm 2 Maka: Z = v × f × a cm ............................................................. 2.12 3 min ......................................................................... 2.13

2.3. Metalurgi Sub-Permukaan

Metalurgi permukaan adalah suatu kegiatan yang mencakup pemeriksaan terhadap perubahan kekerasan mikro microhardness alteration, perubahan struktur mikro microstructure alteration, dan pembentukan lapisan putih white layer. 2.3.1. Perubahan Struktur Mikro Microstructure Struktur mikro adalah konfigurasi distribusi fasa untuk suatu komposisi tertentu. Struktur mikro dari suatu logam dapat berubah oleh karena proses perlakuan panas yang terjadi pada material tersebut. Salah satu contoh perlakuan panas yang dapat dialami oleh sebuah material adalah melalui proses permesinan machining Gandjar Kiswanto, dkk., 2005. Dimana proses perlakuan panas yang terjadi yaitu pada saat kecepatan potong yang tinggi dilanjuti dengan pendinginan udara. Perlakuan panas heat treatment dapat digunakan untuk mengatur ukuran butir dan meningkatkan sifat mekanik material Anderson, 2003. Definisi perlakuan panas 12 Universitas Sumatera Utara adalah pengubahan struktur mikro, dengan memberikan pemanasan dan mengatur laju pendinginan sehingga diperoleh struktur mikro yang diinginkan. Yang tidak berubah pada proses perlakuan panas ini adalah komposisi bahan. Contoh proses perlakuan panas adalah full anealling, normalizing, dan tempering. Pada full anealling dan normalizing baja karbon, semakin cepat laju pendinginan, semakin kecil butir yang terjadi Callister Jr, 2007. Full annealing adalah pemanasan baja ke temperatur 30 Pada Gambar 2.4 adalah gambar diagram yang menunjukkan perubahan fasa antara ferit dan sementit Fe-Fe C diatas garis A 3 atau A 1 tergantung pada kandungan karbon, ditahan pada temperatur tersebut untuk mendapatkan fasa secara lambat pada tungku. Hasil untuk baja hypoeutectoid adalah perubahan fasa dari austenit ke perlit lamellar kasar butir besar yang lunak, bebas tegangan, dan ferit yang halus. 3 C. Untuk diagram perubahan fasa antara ferit dan sementit Fe-Fe 3 C terdiri 3 jenis baja diantaranya: baja hypoeutectoid, hypereutectoid dan cast iron. Perubahan fasa yang terjadi pada ketiga jenis baja dapat ditunjukkan dengan perubahan struktur mikro yang dimulai dari ferit, perlit dan sementit. Perubahan struktur mikro yang terjadi diakibatkan oleh karena beberapa faktor diantaranya: faktor kadar karbon yang dikandung, dan tingkat laju pendinginan yang diberikan pada ketiga jenis baja tersebut. Tingkat laju pendinginan yang diberikan pada ketiga jenis baja sangat dipengaruhi oleh media pendinginan yang diberikan setelah proses perlakuan panas heat treatment. Media pendinginan yang diberikan berupa: udara, oli, air, dsb. 13 Universitas Sumatera Utara Sumber: R.E.Smallman dan R.J. Bishop 2000 Gambar 2.4. Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid Fe-Fe 3 Struktur mikro Ferit ialah suatu komposisi logam yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 0,025 C pada temperatur 723 C C, struktur kristalnya BCC Body Center Cubic dan pada temperatur kamar mempunyai batas kelarutan karbon 0,008 C. Austenit ialah suatu larutan padat yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 2 C pada temperatur 1130 C, struktur kristalnya FCC Face Center Cubic. Sementit ialah suatu senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C Universitas Sumatera Utara dengan perbandingan tertentu mempunyai rumus empiris dan struktur kristalnya Orthohombic. Lediburit ialah campuran Eutectik antara besi gamma dengan sementit yang dibentuk pada temperatur 1130 C dengan kandungan karbon 4,3 C. Bainit adalah agrerat dari ferit dan sementit Fe 3 Kata pelunakan annealing saja jika digunakan pada paduan besi Fe menunjukkan proses full anneal. Jika digunakan pada paduan non besi kata pelunakan annealing menyatakan perlakuan panas yang dirancang untuk melunakkan struktur hasil pengerjaan dingin dengan rekristalisasi dan atau kemudian pertumbuhan butir. C terbentuk pada kecepatan pendinginan sedang dimana pada kondisi ini karbon sulit berdifusi kedalam fasa austenit. Pada Gambar 2.5 menunjukkan diagram TTT untuk jenis baja hypoeutectoid, dimana garis ordinat menunjukkan temperatur sedangkan garis absis menunjukkan waktu. Melalui diagram TTT ini, dapat diketahui kapan transformasi austenit dimulai serta waktu yang dibutuhkan untuk membentuk austenit sempurna. Untuk mencapai martensit, kecepatan turunnya suhu dapat relatif dipercepat dengan menggunakkan media pendingin air. Seiring dengan turunnya suhu, pembentukan mendekati seratus persen martensit. Terbentuknya struktur mikro bainit dengan kecepatan suhu yang relatif lambat yaitu dengan menggunakan media pendinginan udara. Dimana media pendinginan udara diberikan secara alam, sehingga lamanya untuk dingin membutuhkan waktu yang lambat. 15 Universitas Sumatera Utara Sumber: R.E.Smallman dan R.J. Bishop 2000 Gambar 2.5. Diagram TTT Untuk Baja Hypoeutectoid 2.3.2. Perubahan Kekerasan Mikro Microhardness Pengertian pengerasan ialah perlakuan panas terhadap baja dengan sasaran meningkatkan kekerasan alami baja. Perlakuan panas menuntut pemanasan benda kerja menuju suhu pengerasan dan pendinginan secara cepat dengan kecepatan pendinginan kritis. Faktor penting yang dapat mempengaruhi proses hardening terhadap kekerasan baja yaitu oksidasi oksigen udara. Selain berpengaruh terhadap besi, oksigen udara berpengaruh terhadap karbon yang terikat sebagai sementit atau yang larut dalam austenit. Oleh karena itu pada benda kerja dapat berbentuk lapisan oksidasi selama proses hardening. Pencegahan kontak dengan udara selama pemanasan atau 16 Universitas Sumatera Utara hardening dapat dilakukan dengan jalan menambah temperatur yang tinggi karena bahan yang terdapat dalam baja akan bertambah kuat terhadap oksigen. Jadi, semakin tinggi temperatur, semakin mudah untuk melindungi besi terhadap oksidasi. Bila bentuk benda tidak teratur, benda harus dipanaskan perlahan-lahan agar tidak mengalami distorsi atau retak. Makin besar potongan benda, makin lama waktu yang diperlukan untuk memperoleh hasil pemanasan yang merata. Pada perlakuan panas ini, panas merambat dari luar kedalam dengan kecepatan tertentu. Bila pemanasan terlalu cepat, bagian luar akan jauh lebih panas dari bagian dalam sehingga dapat diperoleh struktur yang merata. Benda dengan ukuran yang lebih besar pada umumnya menghasilkan permukaan yang kurang keras meskipun kondisi perlakuan panas tetap sama. Hal ini disebabkan oleh terbatasnya panas yang merambat di permukaan. Oleh karena itu kekerasan dibagian dalam akan lebih rendah daripada bagian luar. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, besar butir diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan atau permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet. Karena memerlukan waktu yang lama dan mahal, dalam beberapa kasus full annealing diganti dengan normalizing. Pada normalizing, pendinginan dilakukan di udara laju pendinginan lebih cepat dibandingkan ditungku dan menghasilkan struktur perlit yang halus. Baja di normalizing untuk mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih besar dibanding jika dengan full annealing. Universitas Sumatera Utara Tempering pada baja dilakukan dengan memanaskannya pada temperatur sedikit 723 Perlakuan panas dengan pendinginan cepat mengakibatkan terbentuknya martensit, martensit hasil pendinginan cepat akan meningkatkan kekerasan yang lebih baik, untuk mendapat martensite 100 dibutuhkan pendinginan lebih besar dari pendinginan kritis austenit Smallman dan Bishop, 2000. C. Perlakuan panas ini umumnya dilakukan setelah proses celup cepat quenching. Tujuan dari tempering adalah untuk mendapatkan baja yang lebih tangguh tough dan juga liat ductile tanpa banyak mengurangi kekuatan strength. Apabila austenit didinginkan dengan cepat akan terbentuk martensit, martensit mempunyai struktur non kubik dan karena karbon terperangkat dalam kisi, tidak mudah menjadi slip. Oleh karena itu martensit bersifat keras, kuat dan rapuh Smallman dan Bishop, 2000. Pengujian kekerasan dimaksudkan untuk mendapatkan data perubahan kekerasan dari bahan akibat adanya pemesinan. Pengujian dilakukan dengan mesin uji keras Vickers Hardness Testing Machine dengan cara melakukan penekanan pada sampel menggunakan penekan berbentuk piramida intan yang dasarnya bujur sangkar. Besarnya sudut puncak identor piramida intan 136 HVN = 1854,4 × Pd . Besarnya angka kekerasan dihitung berdasarkan persamaan: 2 kgmm 2 Dimana: HVN : Angka Kekerasan Vickers Hardness Vickers Number ……………………………… 2.13 P : Beban yang digunakan kg d : Diagonal Identasi mm 18 Universitas Sumatera Utara 2.3.3. Pembentukan Lapisan Putih White Layer Pembentukan lapisan putih white layer terbentuk oleh karena hasil dari pemanasan yang sangat tinggi suhu kisaran austentik kemudian disertai oleh deformasi yang kuat cacat kisi, dan diikuti dengan langsung pendinginan, biasanya untuk suhu kamar. Dalam area lapisan putih ini, bahan ini biasanya dianggap sebagai martensit nanokristalin. Pembentukan lapisan putih menghasilkan kekerasan yang sangat tinggi juga diatas 1000 HV dan kerapuhan yang sangat tinggi juga Pacyna et. al., 2005 Pada G ambar 2.6 dijelaskan bahwa lapisan putih mudah dapat terbentuk dan tetap stabil di permukaan yang terbuat dari baja hypoeutectoid. Hal ini jarang dibentuk pada baja dengan bantuan normalisasi dan stress anil , sehingga memiliki struktur perlit Pacyna et. al., 2005. Hasil dari kerentanan tinggi roll seperti memakai perekat yang dihasilkan dari pembentukan materi yang mencuat ke permukaan . Lapisan putih namun mungkin masih hadir di bawah lapisan tersebut. Hal ini dapat dilihat pada G ambar 2.7. Namun, sementit hypereutectoid di hypereutectoid cor baja dan tambahan , diubah ledeburite dalam karbon yang tinggi paduan baja cor sangat rendah kerentanan terhadap lapisan putih pembentukan dan stabilisasi pada permukaan roll. Ini dapat dianggap sebagai hasil dari koefisien gesekan lebih rendah antara bahan digulung dan bahan-bahan roll sebagai serta kerentanan mereka terhadap permukaan 19 Universitas Sumatera Utara yang pakai . Namun, lapisan putih yang terbentuk pada permukaan ini bahan masih dapat diamati . Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.8. Sumber: Pacyna et.al 2005 Gambar 2.6. Lapisan Putih yang Etsa Pada Permukaan Baja Hardened dan Tempering dengan Nital 2 Sumber: Pacyna et.al 2005 20 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.7. Lapisan Putih yang Etsa Pada Permukaan Baja Normalized dengan Nital 2 Sumber: Pacyna et.al 2005 Gambar 2.8. Lapisan Putih yang Etsa pada Permukaan Baja Cor Adamite dengan berubah menjadi Ledeburite dengan Nital 2 Untuk membatasi munculnya pembentukan lapisan putih maka dapat dilakukan dengan cara mendistribusi secara merata presipitat dari sekunder sementit. Dimana ketika endapan dari sementit sekunder secara seragam terdistribusi dipaduan mikro, atau ketika hanya presipitat dari ditransformasikan ledeburit hadir dalam matriks paduan, maka lapisan putih dapat dengan mudah berbentuk dalam daerah bebas dari konstituen struktural yang ditentukan B. Zhang, 1997. Untuk menghindari konsekuensi dari pembentukan lapisan putih pada permukaan seperti untuk nukleasi retak misalnya, perlu untuk keseragaman dalam 21 Universitas Sumatera Utara hal mendistribusikan presipitat dari sementit sekunder pada materi struktur. Baja cor hypereutectoid berpotensi sangat menarik dari hal ini distribusi yang seragam dapat membubarkan presipitat dari sekunder sementit dalam struktur mereka dapat dicapai dengan penerapan sesuai pengubah selama pengecoran atau dengan perlakuan panas yang sesuai, seperti perlakuan panas yang dijelaskan Smallman dan Bishop, 2000.

2.4. Konsep Pemesinan Terkini