Analisis Pengaruh Waktu pada Proses Karburasi Terhadap Kekerasan dan Mikrostruktur Baja Karbon Menengah NS-1045
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Baja
Baja termasuk logam fero dan logam karbon. Dimana komposisi dasar terdiri dari
besi (Fe) dan karbon (C). Walaupun baja dapat didefenisikan sebagai campuran
karbon dan besi, tetapi tidak ada satu jenis baja pun yang hanya terdiri dari dua
elemen ini. Karena proses pembuatan dan sifat-sifat alamiah dari bahan-bahan
mentah yang digunakan, semua baja mengandung bahan-bahan mentah yang
digunakan, semua baja mengandung bahan-bahan lain yang tidak murni dalam
jumlah kecil yang bervariasi, seperti fosfor (P), mangan (Mn), silikon (Si), dan
sulfur (S) bercampur dengan elemen-elemen sisa lainnya.Kandungan karbon
dalam baja sekitar 0,1 – 1,7 %, sedangkan unsur lain dibatasi persentasenya.
Persentase dari unsur-unsur tersebut sangat mempengaruhi sifat dasar logam baja
yang dihasilkan.Produk baja sangat banyak digunakan dalam bidang teknik
maupun industri, hal ini meliputi 95% dari produk logam baja. Untuk penggunaan
tertentu baja merupakan satu-satunya logam yang meliputi persyaratan teknis
maupun ekonomi. Sebelum baja digunakan, perlu diketahui komposisi dari unsurunsur baja tersebut agar tidak terjadi kesalahan dalam penggunaanya (Amanto,
1999).
Ada beberapa cara mengklasifikasikan baja, yaitu :
1. Menurut cara pembuatannya : Baja Bessemer, Baja Siemen Martin, Baja
Listrik.
2. Menurut pemakaiannya : Baja perkakas, Baja Mesin, Baja Konstruksi,
Baja Pegas, dan Baja Tahan Karat.
3. Menurut kekuatan atau sifat mekanisnya : Baja Kekuatan Lunak, Baja
Kekuatan Tinggi.
4. Menurut struktur mikronya : Baja Eutektoid, Baja Hipoeutektoid, Baja
Universitas Sumatera Utara
Hipereutektoid, Baja Austenit, Baja Ferrit, dan Baja Martensit.
5. Menurut komposisi kimianya : Baja Karbon, Baja paduan.
6. Menurut proses laku panasnya : Baja Keras Air, dan Baja Keras Minyak.
(Surdia, 1995)
2.1.1 Baja karbon
Menurut komposisi kimianya, baja dapat dibagi dua kelompok besar, yaitu
: baja karbon dan baja paduan. Baja karbon bukan berarti baja yang sama sekali
tidak mengandung unsur lain, selain besi dan karbon. Baja karbon masih
mengandung sejumlah unsur lain tetapi masih dalam batas-batas tertentu yang
tidak banyak berpengaruh terhadap sifatnya. Unsur-unsur ini biasanya merupakan
ikatan yang berasal dari proses pembuatan baja seperti mangan dan silikon dan
beberapa unsur pengotoran, seperti belerang, fosfor, oksigen, dan nitrogen yang
biasanya ditekan sampai kadar yang sangat kecil. Baja karbon dapat digolongkan
menjadi tiga bagian berdasarkan jumlah kandungan karbon, yaitu :
1. Baja Karbon Rendah ( Low Carbon Steel )
Baja ini disebut baja ringan ( mild steel ) atau baja perkakas, baja karbon
rendah bukan baja yang keras, karena kandungan karbonnya rendah kurang
dari 0,3%. Baja ini mempunyai sifat seperti lunak, mudah dibentuk, dilas, dan
dikerjakan dengan mesin sehingga dapat dijadikan mur, baut, batang tarik dan
perkakas silinder.
2. Baja Karbon Menengah ( Medium Carbon Steel )
Baja karbon menengah mengandung karbon 0,3 - 0,6% dan kandungan
karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan sebagian dengan pengerjaan
panas (Heat – Treatment) yang sesuai. Baja karbon menengah digunakan untuk
sejumlah peralatan mesin seperti roda gigi otomotif, batang torak, rantai, dan
pegas.
Universitas Sumatera Utara
3. Baja Karbon Tinggi ( High Carbon Steel )
Baja karbon tinggi mengandung karbon 0,6 – 1,5%. Pembentukan baja ini
dilakukan dengan cara menggerinda permukaannya, misalnya bor dan batang
dasar. Baja ini digunakan untuk peralatan mesin- mesin berat, batang
pengontrol (Alexander, 1991)
2.1.2 Baja paduan
Baja paduan yaitu baja yang dicampur denga satu atau lebih unsur
campuran. Seperti nikel, kromium, molibdenum, vanadium, mangan, dan wolfram
yang berguna untuk memperoleh sifat-sifat baja yang dikehendaki ( kuat, keras,
liat ), tetapi unsur karbon tidak dianggap sebagai salah satu unsur campuran.
Kombinasi antara dua atau lebih unsur campuran memberikan sifat khas
dibandingkan dengan menggunakan satu unsur campuran, misalnya baja yang
dicampur dengan unsur kromium dan nikel akan menghasilkan baja yang
mempunyai sifat keras dan kenyal (sifat logam ini membuat baja dapat dibentuk
dengan cara dipalu, ditempa, digiling dan ditarik tanpa mengalami patah atau
retak-retak). Jika baja yang dicampur dengan kromium dan molibden ,akan
mengahasilkan baja yang mempunyai sifat keras yang baik dan sifat kenyal yang
memuaskan serta tahan terhadap panas. (Amanto, 1999)
2.2 Unsur Campuran Pada Baja
1. Unsur Campuran Dasar (Karbon)
Unsur karbon adalah unsur campuran yang paling penting dalam pembentukan
baja. Jumlah persentase dan bentuknya membawa pengaruh yang amat besar
terhadap sifatnya. Tujuan utama penambahan unsur lain ke dalam baja adalah
untuk mengubah pengaruh dari karbon. Unsur karbon dapat bercampur dalam
besi dan baja setelah didinginkan secaa perlahan-lahan pada temperatur kamar
dalam bentuk sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
a) Larut dalam besi untuk membentuk larutan pada ferit yang
mengandung karbon di atas 0,006 pada temperatur sekitar 725ºC. Ferit
bersifat lunak, tidak kuat dan kenyal.
b) Sebagai campuran kimia dalam besi, campuran ini disebut sebagai
sementit (Fe3C) yang mengandung 6,67% karbon. Sementit bersifat
keras dan rapuh.
2. Unsur Campuran Lain
Di samping campuran kimia dan besi, juga terdapat unsur-unsur campuran
lainnya yang jumlah persentasenya dikontrol. Unsur-unsur tersebut adalah
forpor (P), sulfur (S), mangan (Mn), dan silikon (Si). Pengaruh unsur tersebut
pada baja adalah sebagai berikut :
a) Unsur fospor (P)
Unsur fosfor membentuk larutan besi fosfida. Baja yang mempunyai
titik cair yang rendah tetap menghasilkan sifat yang keras dan rapuh.
Baja mengandung unsur fosfor sekitar 0,05%.
b) Unsur Sulfur (S)
Unsur sulfur membahayakan sulfida yang mempunyai titik cair rendah
dan rapuh. Kandungan sulfur harus dijaga agar serendah-rendahnya
sekitar 0,05%.
c) Unsur Silikon (Si)
Unsur ini menurunkan kemampuan pengubahan bentuk dingin oleh
karena itu hanya diijinkan 0,2% Si. Si meningkatkan sifat tahan elektris
dan digunakan di lempeng dinamo. Silikon membuat baja tidak stabil,
tetapi unsur ini menghasilkan lapisan grafit yang menyebabkan baja
tidak kuat. Baja mengandung silikon sekitar 0,1 – 0,3%.
Universitas Sumatera Utara
d) Unsur Mangan (Mn)
Dapat menaikan kekuatan dengan menurunkan kecepatan pendinginan
kritis
yang
diperlukan
untuk
memperoleh
struktur
martensit.
Penambahan unsur mangan didalam baja paduan menambah kekuatan
dan ketahanan panas baja paduan itu serta penampilan yang lebih bersih
dan berkilat.Unsur mangan yang bercampur dengan sulfur akan
menghasilkan mangan sulfida dan diikuti pembentukan besi sulfida.
Baja mengandung mangan lebih dari 1%.
e) Nikel (Ni)
Nikel mempertinggi kekuatan dan regangannya sehingga baja paduan
ini menjadi liat dan tahan tarikan serta tahan karat atau korosi. Oleh
karena itu, baja paduan ini biasa digunakan untuk membuat sudu-sudu
turbin, roda gigi, bagian-bagian mobil dan sebagainya.
f) Krom (Cr)
Unsur ini memberikan kekuatan dan kekerasan baja meningkat serta
tahan karat dan tahan aus. Penambahan unsur kromium biasanya diikuti
dengan penambahan nikel. Biasanya baja paduan ini digunakan untuk
bahan poros dan roda gigi.
g) Kobalt (Co)
Penambahan unsur ini akan memperbaiki sifat kekerasan baja
meningkat dan tahan aus serta tetap keras pada suhu yang tinggi. Baja
paduan ini banyak digunakan untuk konstruksi pesawat terbang atau
konstruksi yang harus tahan panas dan tahan aus. (Rizal, Taufan, 2005)
2.2.1 Pengaruh Unsur Campuran
Pengaruh unsur campuran sulit diketahui secara tepat untuk tiap unsur
campuran karena pengaruhnya tergantung pada jumlah campuran yang digunakan
dalam baja.
Universitas Sumatera Utara
a. Pengaruh Unsur Campuran Terhadap Perlakuan Panas Baja karbon
mempunyai kecepatan pendinginan kritis yang tinggi, artinya pendingin
harus secara drastis jika ingin menghasilkan struktur lapisan martensit.
Pendinginan yang drastis menyebabkan terjadi destorsi atau pecahanpecahan pada baja, apabila dikurangi kecepatan kritis dengan membuat
austenit berubah maka struktur martensit dapat dihasilkan dengan jalan
pendinginan kritis tetap dikurangi maka dapat digunakan pendinginan
udara.
b. Pengaruh Unsur Campuran Terhadap Sifat-sifat Baja
Sifat baja pada saat digunakan tergantung pada dasarnya reaksi terhadap
perlakuan panas dang pengaruh yang akan diuraikan, yaitu syarat-syarat
yang berhubungan langsung dengan kondisi pemakaiannya. Pengaruh akan
diperoleh sebagai hasil dari pengerjaan panas yang sesuai. (Mawani,2007).
2.3. Perlakuan Panas (Heat Treatment)
Untuk memperbaiki sifat – sifat mekanis suatu logam perlu adanya suatu
perlakuan panas. 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 butir dapat diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan atau dapat
dihasilkan suatu permukaan keras disekeliling inti yang ulet.(Amstead, 1992).
Perlakuan panas pada baja dapat dilakukan sebagai berikut:
1. Pemanasan pada temperatur rendah
Pengerjaan ini adalah tidak akan menghasilkan suatu perubahan dalam
struktur baja. Yang terjadi hanya perubahan kecil pada sifat mekaniknya.
Apabila dalam pengerjaan ini dihasilkan suatu permukaan baja yang keras,
maka dapat dihilangkan dengan cara penuangan. Pengerjaan penuangan
dapat dilakukan di dalam mesin perkakas.
Universitas Sumatera Utara
2. Pemanasan dalam suhu tinggi
Apabila baja dipanaskan terus-menerus yang mengakibatkan suhu
pemanasan naik dan mencapai suhu tertentu, maka terjadi pembentukan
butiran-butiran baru yang bentuk dan ukurannya kecil dan halus.
Pembentukan butiran dapat terjadi walaupun ukuran original sebelumnya
besar dan kasar, karena perubahan terjadi sebelum pengerjaan dingin.
Proses tersebut dikenal dengan proses pengkristalan kembali. Temperatur
pengkristalan kembali untuk beberapa logam dapat dilihat pada tabel 2.1.
Pengkristalan dapat dikatakan kompleks apabila seluruh struktur logam
terdiri dari butir-butir halus.
Tabel 2.1. Pengkristalan kembali pada beberapa logam
Jenis Logam
Wolfram
Molibdenum
Nikel
Besi
Kuningan
Perunggu
Tembaga
Perak
Aluminium
Magnesium
Seng
Timbal
Timah
(Sumber: Amanto,1999)
Temperatur (0C)
Pengkristalan
Titik Cair
kembali
1200
3410
900
2620
600
1458
450
1535
400
900-1050
400
900-1050
200
1083
200
960
150
660
150
651
70
419
20
327
20
232
3. Pemanasan secara terus menerus
Pada pemanasan baja yang dilakukan secara terus menerus, terjadi penyerapan
unsur-unsur lainnya (terutama unsur karbon) oleh butiran-butiran besi, sehingga
akan dihasilkan oleh suatu struktur yang berbentuk kasar. Proses tersebut dikenal
sebagai proses pertumbuhan butir (grain growth). Jadi pemanasan pada
temperatur tinggi akan menyebabkan terjadi pertumbuhan butiran melalui
pengkristalan kembali pada baja, yang mengakibatkan perubahan bentuk dan
Universitas Sumatera Utara
ukuran butiran-butiran. Selain itu, pertumbuhan butiran-butiran akan terjadi terusmenerus selama dilakukan pendinginan. Pengkristalan kembali dan pertumbuhan
butiran yang terjadi terhadap baja akibat pengerasn panas, berpangaruh terhadap
sifat-sifat mekanik baja.(Nirwana,2012).
2.4. Diagram Fasa
Salah satu metode untuk mempelajari logam dilakukan dengan
menggunakan diagram fase. Dari diagram fase ini dapat diamati perubahan
struktur logam akibat pengaruh temperature. Struktur dari baja dapat ditentukan
oleh komposisi baja dan karbon,
Gambar 2.1 Diagram Fasa besi- karbida besi.
Universitas Sumatera Utara
Diagram fase besi – karbida besi ( Fe - Fe3C ) memperlihatkan perubahan fase
pada pemanasan dan pendinginan yang cukup lambat. Gambar 2.1 menunjukkan
bila kadar karbon baja melampaui 0,20% suhu dimana ferrite mulai terbentuk dan
mengendap dari austenit turun. Baja yang berkadar karbon 0.80% disebut baja
eutectoid. Titik eutectoid adalah suhu terendah dalam logam dimana terjadi
perubahan dalam keaadan larutan padat dan merupakan suhu kesetimbangan
terendah dimana austenit terurai menjadi ferrite dan sementit. Bila kadar karbon
baja lebih besar dari pada eutectoid, perlu diamati garis pada diagram besi karbida
besi yang bertanda Acm. Garis ini menyatakan bahwa dimana karbida besi mulai
memisah dari austenit. Karbida besi dengan rumus Fe3C disebut sementit. Di
bawah ini di uraikan beberapa titik penting dalam perlakuan panas :
1. E : Titik yang menyatakan fase , ada hubungan nya dengan reaksi autentik
kelarutan maksimum dari karbon 2,14% paduan besi karbon sampai pada
komposisi ini disebut baja.
2. G : Titik Transformasi besi
besi . Titik transformasi A3 untuk besi.
3. P: Titik yang menyatakan ferrite , fasa
, ada hubungan reaksi dengan
uatotektoid.
4. S : Titik autotektoid. Reaksi autotectoid ini dinamakan transformasi A1, dan
fase eutectoid ini dinamakan pearlite.
5. GS : Garis yang menyatakan hubungan antara temperature dan komposisi
dimana mulai terbentuk ferrite dan austenit. Garis ini disebut garis A3.
6. A2 : Garis transformasi magnetic untuk besi atau ferrite.
7. A0 ; Garis transformasi magnetic untuk sementit.
Baja yang berkadar karbon kurang dari komposisi eutectoid (0,8%) di sebut baja
hipoeutectoid, dan yang berkadar karbon lebih dan komposisi eutectoid disebut
baja hypereutectoid, pada temperature antara 7230C dan 11300C terdapat satu fase
yaitu fase austenit dan sementit. Pada temperature 7230C butiran fase tunggal
bertransformasi dibawah keseimbangan bentuk
dan Fe3C dalam satu butiran
yang bercampur baik, dan lapisan serat – serat bajanya disebut pearlite. ( Van
vlack,2000)
Universitas Sumatera Utara
Proses perlakuan panas yaitu proses mengubah sifat logam dengan cara
mengubah struktur mikro melalui proses pemanasan dan pengaturan kecepatan
pendinginan dengan atau tanpa merubah komposisi logam yang bersangkutan.
Tujuan proses perlakuan panas untuk menghasilkan sifat-sifat logam yang
didinginkan. Perubahan sifat logam akibat proses perlakuan panas dapat
mencakup keseluruhan bagian dari logam atau sebagian dari logam.
Adanya sifat olotropik dari besi menyebabkan timbulnya variasi struktur
mikro dari berbagai jenis logam. Alatropik itu sendiri adalah merupakan
transformasi dari satu bentuk susunan atom (sel satuan) kebentuk susunan atom
yang lain. Pada temperature dibawah 900oC sel satuan Body Cubic Center (BCC),
temperatur antara 900 dan 1392oC sel satuan Face Cubic Center ( FCC )
sedangkan temperature dibawah 1392oC sel satuan kembali menjadi BCC bentuk
sel satuan di tunjukkan pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.2 Bentuk Struktur atom BCC
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Bentuk Struktur atom FCC
Perubahan bentuk atom (sel satuan) akibat pemanasan di tunjukkan pada gambar
dibawah ini
Gambar 2.4. Perubahan Bentuk struktur atom Akibat Pemanasan pada Logam
Universitas Sumatera Utara
Proses yang dilakukan dalam perlakuan panas, terdiri dari pelunakan (annealing),
penormalan (normalizing), pengerasan(hardening), dan tempering.
1. Pelunakan (Annealing)
Kristalisasi ulang bisa dilakukan dengan annealing dan pengerasan panas
ini tidak akan menghasilkan logam tersebut pada kelunakan dan kekenyalan
semula, menghilangkan efek-efek pengerasan pada pekerjaan. Pada proses
annealing pemanasan yang dilakukan diikuti dengan pendinginan perlahan-lahan.
Pendinginan yang lambat adalah hal yang utama didalam proses, yang membuat
baja selunak mungkin dan menghindari terjadinya tegangan-tegangan dalam baja
yang mengalami proses annealing, struktur butiran termasuk kasar, ferit dan
perlit, membentuk area-area terpisah. Annealing didefenisikan sebagai pemanasan
pada suhu yang sesuai, diikuti dengan kecepatan pendinginan yang sesuai. Hal ini
bertujuan untuk menginduksi kelunakan, memperbaiki sifat-sifat pengerjaan
dingin,dan membebaskan tegangan- tegangan pad baja sehingga diperoleh struktur
yang dikehendaki.
Sifat-sifat baja yang disebutkan pada defenisi diatas dapat dartikan bahwa
baja harus dipanaskan melalui suhu pengkristalan kembali untuk membebaskan
tegangan-tegangan pada baja. Kemudian mempertahankan pemanasannya pada
suhu tinggi untuk membuat pertumbuhan butiran-butiran dan suatu
lapisan austenit. Dan seterusnya
struktur
didinginkan secara perlahan-lahan untuk
membuat suatu struktur lapisan perlit, menginduksi kelunakan, dan memperbaiki
sifat-sifat pengerjaan dingin.
2.
Penormalan (Normalizing)
Proses normalizing diperlukan untuk mengembalikan baja pada kondisi
yang seragam pembuatannya. Ada beberapa persamaan dengan annealing, tetapi
dalam normalizing baja dipanaskan diatas suhu kritisis atas dan dibiarkan dingin
diuadara terbuka (still air), yang membuat suatu tingkat pendinginan yang lebih
cepat. Ini memberikan waktu yang cukup untuk pemisahan penuh dari perlit dan
semetit, dan dari pada terbentuk menjadi area-area terpisah dalam suatu struktur
Universitas Sumatera Utara
kasar, keduanya akan bercampur dengan baik sekali dalam suatu struktur yang
lebih halus.
3. Pengerasan (Hardening)
Bila baja didinginkan di atas suhu kritis atas, pendinginan berjalan cepat,
endapan karbon akan ditekan dan struktur dibekukan dalam suatu larutan padat.
Baja tersebut amat keras dan getas, bila dilihat dengan mikroskop akan terlihat
struktur seperti jarum dikenal dengan martensit. Baja-baja karbon biasa, biasanya
tidak begitu banyak. Pengerasan dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang
tinggi,kekuatan dan fatigue limit strength yang baik.
Kekerasan dapat dicapai tergantung pada karbon dalam baja dan kekerasan
yang
terjadi
akan
tergantung
pada
temperatur
pemanasan
(temperatur
austentizing), holding time dan laju pendinginan yang di lakukan 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 unsur austenit, karena hanya unsur
austenit yang dapat bertransformasi menjadi martensit.
Bila pada saat pemanasan masih terdapat struktur lain maka setelah
didinginkan akan memperoleh 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
temperatur pemanasan yang baik untuk pengerasan yang dilakukan suatu
percobaan pemanasan dan quenching pada beberapa temperatur dan dianalisis
struktur yang terjadi. Pengerasan yang dilakukan secara langsung adalah baja
dipanaskan untuk menghasilkan struktur austenit dan selanjutnya didinginkan.
Pembentukan sifat-sifat dalam baja pada kandungan karbon, temperatur
pemanasan, sistem pendingin, serta bentuk dan ketebalan bahan.
Universitas Sumatera Utara
4. Tempering
Pemanasan kedua dimana baja dipanaskan sampai dibawah titik kritis
bawah kemudian dilakukan pendinginan. Di sini kekerasan sedikit diturunkan,
tetapi baja tersebut jadi lebih kuat. Setelah dinaikkan sampai panas penyepuhan,
baja dibiarkan dingin secara perlahan-lahan. Suhu yang pasti untuk tempering itu
tergantung pada kegunaan baja tersebut. Tingkat kekerasan yang dicapai setelah
pendinginan tergantung pada kandungan karbon dalam baja, yang mengandung
kurang dari 0,3% unsur karbon tidak memperlihatkan perubahan yang nyata.
Kekerasan maksimun dicapai baja mengandung 1,2 % unsur karbon.(Love, 1982)
2.5 Karburasi (Carburizing)
Karburasi adalah suatu proses penambahan karbon ke permukaan benda
dilakukan dengan memanaskan benda dalam lingkup yang banyak mengandung
karbon aktif sehingga karbon berdifusi masuk ke permukaan baja. Kemudian
dipanaskan pada temperatur antara 900oC - 950oC dengan waktu yang lama.
Media yang biasa dipakai adalah Charcoal Activated (karbon aktif) dengan
Natrium Karbonat (NaCO3), Barium Karbonat (BaCO3) dan Kalsium Karbonat
(CaCO3). Untuk menyepuh keras baja diperlukan kadar karbon sekurangnya 0,3%
C dilihat pada baja karbon yang dapat disepuh keras. Jika mempunyai kadar
karbon kurang dari 0,3%C maka dengan cara karburasi. Dengan memanaskan
bahan sampai 950oC dalam lingkungan yang menyerahkan lalu dibiarkan
beberapa waktu lamanya pada suhu ini dan didinginkan diudara.
Tujuan dari pengerjaan panas ini adalah untuk memberi pada benda-benda
lapisan luar yang dapat disepuh keras. Hal ini memungkinkan karena pada suhu
tersebut karbon dapat meresap kedalam lapisan luar benda kerja. Karburasi dapat
juga disebut penumpukan karbon atau menyemen. Lapisan luar yang telah
mengambil karbon dinamakan lapisan karburasi. Tebalnya lapisan yang
dikarburasikan dalam lingkungan yang dapat menyerahkan karbon tergantung dari
pada waktu dan suhu.
Universitas Sumatera Utara
Akibat dari pemanasan ini diharapkan untuk dapat menyusun kedalam
permukaan baja. Dengan menyusupkan unsur karbon pada permukaan baja
tersebut akan terjadi peningkatan kandungan karbon, hal ini akan dapat
meningkatkan kekerasan dari pada permukaan baja tersebut dan tentu akan
meningkatkan daya tahan aus gesekan dan permukaan baja.
Proses karburasi umumnya dilakukan pada baja yang memiliki kadar
karbon rendah, akan tetapi dapat juga dilakukan pada kadar karbon menengah
dengan peningkatan kandungan karbon pada permukaan mencapai 45%
(Ariobima,2001).
2.5.1 Karburasi dalam zat padat
Karburasi padat adalah proses penjenuhan lapisan padat sebagai sumber
karbon. Untuk mendapatkan kekerasan yang maksimal maka media karburasi
dicampur dengan zat pengaktif karbon (energizer).
Selama didalam tungku pemanasan pada proses karburasi akan dibentuk
dua gas yaitu karbon monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO2). Gas-gas ini
bagian terbesar dari media karburasi dengan oksigen dari udara yang selalu
terdapat dari rongga – rongga media karburasi. Proses ini dapat digambarkan
dengan persamaan reaksi :
C + O2
CO2
(2.1)
2C + 2O2
2 CO2
(2.2)
Sebagai sumber karbon dioksida lainnya dapat berasal dari barium,
kalsium atau sodium karbonat yang ditambah dalam karburasi sebagai energizer
dimana komposisi yang terjadi didalam pemanasan :
Universitas Sumatera Utara
CaCO3
CaO + CO2
(2.3)
Didalam karburasi ini sendiri terjadi kesetimbangan dua gas yaitu CO dan
CO2
CO2 + C
2 CO
(2.4)
Pada temperatur yang lebih tinggi akan didapat pula karbon monoksida
(CO) yang lebih banyak persentasenya, karbon dioksida yang didalmnya
campuran gasnya sediki. Adapun reaksi karburasi yang terjadi pada permukaan
baja adalah sebagai berikut :
2 CO
CO2 + C
(2.5)
Setelah reaksi ini terjadi akan dihasilkan karbon dalam bentuk atom.
Karbon ini dalam temperatur karburasi akan di absorpsi oleh permukaan logam
dan bermigrasi secara perlahan – lahan atau berdifusi menuju inti dan pada waktu
yang bersamaan menghasilkan pembentukan molekul – molekul baru karbon
monoksida.
Difusi adalah peristiwa mengalirnya atau berpindahnya suatu zat dari
bagian konsentrasi tinggi kebagian berkonsentrasi rendah. Contoh yang sederhana
adalah penambahan karbon ke permukaan baja karbon sehingga pada baja,
karbonnya lebih besar. Difusi yang paling sering terjadi adalah difusi molekuler.
Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari suatu lapisan molekul
yang diam. Apabila suhu pada suatu material naik , akan menyebabkan atom –
atomnya bergetar dengan energinya yang lebih besar dan sejumlah kecil atom
akan berpindah dalam kisi.
Mekanisme perpindahan atom dalam suatu logam dapat terjadi secara
interistisi dan kekosongan. Perpindahan ini terjadi bila atom tidak memiliki
Universitas Sumatera Utara
ukuran yang sama. Sedangkan perpindahan secara kekosongan dapat terjadi bila
semua atom memiliki ukuran sama. Proses difusi dapat terjadi lebih cepat apabila
suhu tinggi, atom yang berdifusi kecil, ikatan struktur induk lemah (dengan titik
cair rendah), terdapat cacat – cacat dalam bahan (kekosongan atau batas butir)
(Surdia, 1995).
Kalsium karbonat adalah kalsium yang terdapat pada kapur, batu kapur
dan merupakan komponen utama yang terdapat pada kulit telur. Kalsium karbonat
merupakan serbuk putih, tidak berbau, stabil diudara, praktis tidak larut dalam air.
Kelarutan dalam air meningkat dengan adanya sedikit nitrat dengan membentuk
gelombang gas.
Salah satu sifat kimia dari kalsium karbonat adalah dapat menetralisasi
asam. Kalsium karbonat sebagai semi penguat dan memiliki harga yang relative
murah serta memberikan kekerasan, kekuatan tarik yang baik. Cara ini adalah
metode yang paling tua dan dikenal sebagai “pack hardening” yang mana benda
kerjanya dimasukan kedalam sebuak kotak besi dan secara tertutup dikelilingi
dengan bahan – bahan seperti arang kayu dan serbuk tulang. Zat kimia yang lain
misalnya kalsium karbonat yang sering dipakai sebagai pembangkit dalam proses.
Dengan tutup yang benar – benar rapat, semua benda dipanaskan dalam
dapur dengan suhu 850 – 950oC dalam waktu beberapa jam, dan pada suhu yang
tinggi ini karbon akan menyebar kebaja karbon tinggi dengan ketebalan sekitar
0,8 mm bisa dicapai setelah 3 samapi 4 jam pemanasan. Benda – benda yang tidak
dibuat dengan kulit bisa dilindungi dengan jalan pelapisan tembaga atau
dibungkus dengan tanah liat.
Sebelum pengekapan dibuka, kotak beserta isinya dibiarkan dingin secara
perlahan – lahan. Benda – benda kerja tersebut perlu disepuh, sebab butiran –
butirannya masih kasar akibat suhu kritis atas
( sekitar 900 – 915oC) lalu
didinginkan secara mendadak dalam zat cair. Ini diikuti dengan pengerasan
dengan cara memanaskan antara 750 – 760oC, lalu dicelupkan kedalam media
Universitas Sumatera Utara
pendingin. Maka terdapat peti yang sangat keras yang bisa diolah selanjutnya
dengan tempering sekitar 200oC.
2.5.1. Adsorpsi
Salah satu sifat penting dari permukaan zat adalah adsorpsi. Adsorpsi adalah suatu
proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat pada suatu
padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan
padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi dimana fluida terserap oleh fluida
lainnya dengan membentuk suatu larutan.
Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut
(soluble) yang ada dalam larutan, oleh permukaan zat atau benda penyerap,
dimana terjadi suatu ikatan kimia fisika antara substansi dengan penyerapnya.
Definisi lain menyatakan adsorpsi sebagai suatu peristiwa penyerapan pada
lapisan permukaan atau antar fasa, dimana molekul dari suatu materi terkumpul
pada bahan pengadsorpsi atau adsorben.
Adsorpsi adalah pengumpulan dari adsorbat diatas permukaan adsorben,
sedang absorpsi adalah penyerapan dari adsorbat kedalam adsorben dimana
disebut dengan fenomena sorption. Materi atau partikel yang diadsorpsi disebut
adsorbat, sedang bahan yang berfungsi sebagai pengadsorpsi disebut adsorben.
Adsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika (disebabkan
oleh gaya Van Der Waals (penyebab terjadinya kondensasi gas untuk membentuk
cairan yang ada pada permukaan adsorbens) dan adsorpsi kimia (terjadi reaksi
antara zat yang diserap dengan adsorben, banyaknya zat yang teradsorbsi
tergantung pada sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan
suhu). (Ginting,FD,2008)
Universitas Sumatera Utara
2.6 Pendinginan (Quenching)
Metode pencelupan secara cepat yang disebut Quenching pada proses ini
diperoleh struktur martensit akibat dari penurunan temperatur dan suhu austenite
ke suhu kamar yang menyebabkan logam menjadi keras. Laju pendinginan
merupakan faktor pengendali, pendinginan yang cepat lebih cepat daripada
pendinginan kritis akan menghasilkan struktur yang keras, sedangkan pendinginan
yang lambat menghasilkan struktur yang lebih lunak.(Nirwana Ginting, 2012)
2.7 Media Pendingin
Media pendingin adalah merupakan suatu sarana akan suatu zat, baik
berupa larutan, padatan maupun gas yang sifatnya sebagai pendingin terhadap
bahan logam setelah melalui proses perlakuan panas yang juga sangat
mempengaruhi perubahan fisis atau sifat-sifat mekanik dari bahan logam.
Pada umumnya media pendinngin yang dipakai pada proses perlakuan
panas tergantung pada pemanasan apa yang dilakukan serta pembentukan sifat
baru yang ingin didapatkan sehingga diperlukan adanya variasi pada media
pendingin yang juga merupakan faktor pengendali jenis serta sifat bahan logam
yang akan dihasilkan. Proses perlakuan panas yang biasanya dilakukan untuk
media pendingin dilakukan dengan temperatur yang berbeda serta dengan adanya
variasi dari konsentrasi media pendingin. Dimana dengan meningkatnya
konsentrasi larutan akan mengurangi kecepatan pendinginan. Sebagai media
pendingin yang umum dipakai tergantung dari pembentukan sifat serta sesuai
dengan proses pemanasan yang dilakukan, adalah sebagai berikut :
a. Udara
Pendinginan di udara adalah merupakan suatu pendinginan secara perlahan-lahan
di ruangan terbuka yang bertujuan untuk menormalkan kembali struktur logam
karena adanya efek pengerjaan terhadap bahan baja, pada pendinginan di udara
Universitas Sumatera Utara
terjadi pada fasa austenisasi, 500oC – 600oC di dalam daerah austenit murni.
Pendinginan di udara mencegah terjadinya segresi proetekrad yang berlebihan dan
terbentuknya struktur mikro perlit yang halus, dan proses ini disebut dengan
Normalising. Pendinginan secara perlahan-lahan dengan media pendinginan udara
terjadi pada proses Annealing dimana pada proses ini terjadi pada pendinginan
secara perlahan- lahan daripada proses Normalising, pada proses pendinginan
secara Annealing pendinginan dilakukan pada tungku (furnace) atau di ruang yang
agak tertutup sehingga jumlah udara yang masuk agak terbatas yang akan
mempengaruhi kecepatan pendinginan.
b. Oli, NaCl, NaOH, dan Air
Pendinginan di oli, NaCl, NaOH, dan air merupakan suatu pendinginan
dengan kecepatan setelah dilakukan pemanasan sampai temperatur 500C di atas
temperatur titik kritis selama beberapa waktu, proses pendinginan biasanya juga
disebut
dengan
celup
langsung.
Pendinginan
dengan
kecepatan
akan
menghasilkan martensit yang keras dan agak rapuh. Pada proses pendinginan ini
akan terbentuk austensit yang lebih padat daripada martensit dan juga lebih padat
dari ferit ditambah dengan karbida, hal ini yang merupakan masalah pada
pendinginan secara celup langsung dari autensit ke martensit Karena bagian
tengah yang lebih lambat pendinginannya bertransformasi dan muai, setelah
permukaannya lebih cepat pendinginannya menjadi martensit yang rapuh jadi
retak dapat terjadi pada baja dengan ukuran lembaran atau kawat khususnya bila
kadar karbon lebih besar dari 0,5%. (Junaidi Hakim,2013).
2.8 Karbon Aktif
Karbon aktif ( Active Carbon ) adalah suatu bahan yang berupa karbon
omorf, yang sebagian besar terdiri dari karbon bebas serta memiliki “permukaan
dalam”(Internal surface) sehingga mempunyai kemampuan daya serap yang baik.
Keaktifan untuk menyerap dari karbon aktif ini umumnya tergantung pada jumlah
senyawa karbonnya yang berkisar antara 85 % sampai 95 % karbon bebas.
Universitas Sumatera Utara
Arang, kokas, dan karbon aktif di sebut karbon amorf. Penyelidikan
dengan sinar X bahwa karbon amorf mempunyai sifat kristal yang tertentu yang
tidak menunjukkan sudut dan permukaan bentuk kristal seperti bentuk rhombis,
monoklin dan lain-lain.dari penyelidikan yang dilakukan diperoleh kesimpulan
bahwa karbon amorf terdiri dari pelat-pelat datar dimana atom C (karbon)
tersusun dari dalam kisi hexagon dan setiap atom karbon tenkat secara kovalen
dengan ato karbon yang lainnya. Pada graphite, pelat-pelat ini lebih dekat satu
dengan yang lainnya dan terikat dengan cara tertentu yang tidak dijumpai pada
karbon kristalit.
Bila suatu bahan baku amorf atau karbon aktif di panaskan, zat-zat organik
mula-mula terlepas dan terbentuk kembali struktur oromatis yang thermo-stabil
pada kisi-kisi hexagon. Transformasi ini tidak berlangsung sempurna hingga
mengakibatkan terjadinya cincin atau rantai hidrokarbon. Bentuk , ukuran dan
cara susunannya kristalit akan mempengaruhi daya serap dari karbon.
2.9 Kekerasan
Kekerasan adalah ketahanan beban terhadap deformasi plastis, karena
pembebanan setempat pada permukaan berupa goresan atau penekanan. Sifat ini
banyak berhubungan dengan sifat kekuatan, daya tahan aus, dan kemampuan
dikerjakan dengan mesin (mampu mesin). Cara pengujian kekerasan ada tiga
macam, yaitu goresan, menjatuhkan bola baja dan penekanan. Kekerasan suatu
bahan dapat berubah bila dikerjakan dengan pekerjaan dingin (cold worked),
seperti pengerolan, penarikan serta kekerasan dapat dicapai dengan kebutuhan
perlakuan panas (Smallman, 1991)
Kekerasan suatu bahan dapat diketahui dengan pengujian kekerasan
menggunakan mesin uji kekerasan (hardness tester) menggunakan tiga cara atau
Universitas Sumatera Utara
metode yang telah banyak dilakukan , yaitu : metode Brinel, Rockwell dan
Vickers.
Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang
dasarnya berbentuk bujur sangkar. Angka kekerasan piramida intan/Diamond
Piramite Hardness (DPH) atau angka kekerasan Vickers/ Vickers Hardness
Number (VHN), didefinisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan. Luas
ini dihitung dari pengukuran mikroskopi panjang diagonal jejak. DPH dapat
ditentukan dari persamaan berikut :
= 1,8544
VHN =
(2.6)
Dimana :
F = pembebanan yang diterapkan (kgf)
d = panjang diagonal rata –rata (mm)
θ = sudut antara permukaan intan yang berlawanan = 136o
Gambar 2.5. Pengujian Vickers
2.10 Mikrostruktur Baja Karbon
Jika
baja
karbon
dilihat
dibawah
mikroskop
metallurgy,
maka
strukturmikro dapat dikenali sebagai pelit, ferrit, sementit (karbida besi), austenit
atau bainit dengan beberapa variasi tergantung dari perlakuannya. Sementit atau
karbida besi merupakan struktur terkeras pada diagram karbon dengan kandungan
Universitas Sumatera Utara
karbon 6,67 % C. dalam diagram karbon telihat bahwa karbida besi (Fe3C) berada
pada bagian sebelah kanan diagram. Mikrostruktur dari baja karbon adalah
sebagai berikut :
1. Ferrit
Ferrit adalahbesi dengan struktur BBC yang mamapu melarutkan 0,008 %
C pada temperature7230C . Ferrit membentuk larutan padat dengan karbon pada
luasan yang sempit dengan struktur yang paling luas.
2. Perlit
Perlit merupakan campuran eutektoit dengan kandungan 0,8% karbon
yang tampak tersusun berlapis-lapis secara bergantian dari ferrit dan sementit.
Oleh karena itu perlit mempunyai sifat antara ferrit dan sementit yaitu cukup kuat
dan tahan terhadap korosi. Perlit terbentuk pada suhu 7230C, dimana pada saat
pendinginan 0,8% karbon akan menghasilkan 100% perlit pada
komposisi
eutectoid. Bila laju pendinginan lambat maka karbon dapat berdifusi lama sehinga
terbentuk perlit kasar, sedangkan bila laju pendinginan dipercepat maka akan
terbentuk perlit halus
3. Martensit
Struktur martensit terbentuk karena adanya pemanasan kemudian
didinginkan dngan cepat (Quenching) yang terbentuk dibawah temperatur
eutectoid tetapi masih dibawah temperatur tuang, karena austenit tidak stabil pada
pendinginan diatas, sehingga terjadi secara serentak strukturnya berubah menjadi
kubus pusat rung tetragonal (BBC). Pada keadaan ini tidak terjadi difusi
melainkan pengerasan sebab semua atom karbon tetap tertinggal dalam lapisan
padat karena strukturnya tidak berbentuk kubus maka karbon terperangkap
sehingga sulit terjadi slip sehingga dalam hal ini martensit mempunyai sifat keras,
rapuh, dan mempunyai kekuatan tarik yang tinggi.
Universitas Sumatera Utara
4. Austenit atau Besi
Austenit adalah merupakan larutan pada sela antarakrbon dan besi dengan
struktur FCC, dan mampu melarutkan maksimum 2% karbon secara intersitas
pada temperature 11290C dalam bentuk larutan padat, austenit bersifat liat dan
lunak.
5. Sementit atau karbida besi
Sementit adalah senyawa kimia antara besi dengan karbon dengan
kandungan karbon sebanyak 6,67 % karbida besi (Fe3C) menyatakan bahwa tiga
atom besi terikat oleh salah satu atom karbon yang menjadi sebuah karbida besi.
Sementit memberikan kekerasan yang tinggi pada baja. (Muhammad, Z , 2011).
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Baja
Baja termasuk logam fero dan logam karbon. Dimana komposisi dasar terdiri dari
besi (Fe) dan karbon (C). Walaupun baja dapat didefenisikan sebagai campuran
karbon dan besi, tetapi tidak ada satu jenis baja pun yang hanya terdiri dari dua
elemen ini. Karena proses pembuatan dan sifat-sifat alamiah dari bahan-bahan
mentah yang digunakan, semua baja mengandung bahan-bahan mentah yang
digunakan, semua baja mengandung bahan-bahan lain yang tidak murni dalam
jumlah kecil yang bervariasi, seperti fosfor (P), mangan (Mn), silikon (Si), dan
sulfur (S) bercampur dengan elemen-elemen sisa lainnya.Kandungan karbon
dalam baja sekitar 0,1 – 1,7 %, sedangkan unsur lain dibatasi persentasenya.
Persentase dari unsur-unsur tersebut sangat mempengaruhi sifat dasar logam baja
yang dihasilkan.Produk baja sangat banyak digunakan dalam bidang teknik
maupun industri, hal ini meliputi 95% dari produk logam baja. Untuk penggunaan
tertentu baja merupakan satu-satunya logam yang meliputi persyaratan teknis
maupun ekonomi. Sebelum baja digunakan, perlu diketahui komposisi dari unsurunsur baja tersebut agar tidak terjadi kesalahan dalam penggunaanya (Amanto,
1999).
Ada beberapa cara mengklasifikasikan baja, yaitu :
1. Menurut cara pembuatannya : Baja Bessemer, Baja Siemen Martin, Baja
Listrik.
2. Menurut pemakaiannya : Baja perkakas, Baja Mesin, Baja Konstruksi,
Baja Pegas, dan Baja Tahan Karat.
3. Menurut kekuatan atau sifat mekanisnya : Baja Kekuatan Lunak, Baja
Kekuatan Tinggi.
4. Menurut struktur mikronya : Baja Eutektoid, Baja Hipoeutektoid, Baja
Universitas Sumatera Utara
Hipereutektoid, Baja Austenit, Baja Ferrit, dan Baja Martensit.
5. Menurut komposisi kimianya : Baja Karbon, Baja paduan.
6. Menurut proses laku panasnya : Baja Keras Air, dan Baja Keras Minyak.
(Surdia, 1995)
2.1.1 Baja karbon
Menurut komposisi kimianya, baja dapat dibagi dua kelompok besar, yaitu
: baja karbon dan baja paduan. Baja karbon bukan berarti baja yang sama sekali
tidak mengandung unsur lain, selain besi dan karbon. Baja karbon masih
mengandung sejumlah unsur lain tetapi masih dalam batas-batas tertentu yang
tidak banyak berpengaruh terhadap sifatnya. Unsur-unsur ini biasanya merupakan
ikatan yang berasal dari proses pembuatan baja seperti mangan dan silikon dan
beberapa unsur pengotoran, seperti belerang, fosfor, oksigen, dan nitrogen yang
biasanya ditekan sampai kadar yang sangat kecil. Baja karbon dapat digolongkan
menjadi tiga bagian berdasarkan jumlah kandungan karbon, yaitu :
1. Baja Karbon Rendah ( Low Carbon Steel )
Baja ini disebut baja ringan ( mild steel ) atau baja perkakas, baja karbon
rendah bukan baja yang keras, karena kandungan karbonnya rendah kurang
dari 0,3%. Baja ini mempunyai sifat seperti lunak, mudah dibentuk, dilas, dan
dikerjakan dengan mesin sehingga dapat dijadikan mur, baut, batang tarik dan
perkakas silinder.
2. Baja Karbon Menengah ( Medium Carbon Steel )
Baja karbon menengah mengandung karbon 0,3 - 0,6% dan kandungan
karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan sebagian dengan pengerjaan
panas (Heat – Treatment) yang sesuai. Baja karbon menengah digunakan untuk
sejumlah peralatan mesin seperti roda gigi otomotif, batang torak, rantai, dan
pegas.
Universitas Sumatera Utara
3. Baja Karbon Tinggi ( High Carbon Steel )
Baja karbon tinggi mengandung karbon 0,6 – 1,5%. Pembentukan baja ini
dilakukan dengan cara menggerinda permukaannya, misalnya bor dan batang
dasar. Baja ini digunakan untuk peralatan mesin- mesin berat, batang
pengontrol (Alexander, 1991)
2.1.2 Baja paduan
Baja paduan yaitu baja yang dicampur denga satu atau lebih unsur
campuran. Seperti nikel, kromium, molibdenum, vanadium, mangan, dan wolfram
yang berguna untuk memperoleh sifat-sifat baja yang dikehendaki ( kuat, keras,
liat ), tetapi unsur karbon tidak dianggap sebagai salah satu unsur campuran.
Kombinasi antara dua atau lebih unsur campuran memberikan sifat khas
dibandingkan dengan menggunakan satu unsur campuran, misalnya baja yang
dicampur dengan unsur kromium dan nikel akan menghasilkan baja yang
mempunyai sifat keras dan kenyal (sifat logam ini membuat baja dapat dibentuk
dengan cara dipalu, ditempa, digiling dan ditarik tanpa mengalami patah atau
retak-retak). Jika baja yang dicampur dengan kromium dan molibden ,akan
mengahasilkan baja yang mempunyai sifat keras yang baik dan sifat kenyal yang
memuaskan serta tahan terhadap panas. (Amanto, 1999)
2.2 Unsur Campuran Pada Baja
1. Unsur Campuran Dasar (Karbon)
Unsur karbon adalah unsur campuran yang paling penting dalam pembentukan
baja. Jumlah persentase dan bentuknya membawa pengaruh yang amat besar
terhadap sifatnya. Tujuan utama penambahan unsur lain ke dalam baja adalah
untuk mengubah pengaruh dari karbon. Unsur karbon dapat bercampur dalam
besi dan baja setelah didinginkan secaa perlahan-lahan pada temperatur kamar
dalam bentuk sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
a) Larut dalam besi untuk membentuk larutan pada ferit yang
mengandung karbon di atas 0,006 pada temperatur sekitar 725ºC. Ferit
bersifat lunak, tidak kuat dan kenyal.
b) Sebagai campuran kimia dalam besi, campuran ini disebut sebagai
sementit (Fe3C) yang mengandung 6,67% karbon. Sementit bersifat
keras dan rapuh.
2. Unsur Campuran Lain
Di samping campuran kimia dan besi, juga terdapat unsur-unsur campuran
lainnya yang jumlah persentasenya dikontrol. Unsur-unsur tersebut adalah
forpor (P), sulfur (S), mangan (Mn), dan silikon (Si). Pengaruh unsur tersebut
pada baja adalah sebagai berikut :
a) Unsur fospor (P)
Unsur fosfor membentuk larutan besi fosfida. Baja yang mempunyai
titik cair yang rendah tetap menghasilkan sifat yang keras dan rapuh.
Baja mengandung unsur fosfor sekitar 0,05%.
b) Unsur Sulfur (S)
Unsur sulfur membahayakan sulfida yang mempunyai titik cair rendah
dan rapuh. Kandungan sulfur harus dijaga agar serendah-rendahnya
sekitar 0,05%.
c) Unsur Silikon (Si)
Unsur ini menurunkan kemampuan pengubahan bentuk dingin oleh
karena itu hanya diijinkan 0,2% Si. Si meningkatkan sifat tahan elektris
dan digunakan di lempeng dinamo. Silikon membuat baja tidak stabil,
tetapi unsur ini menghasilkan lapisan grafit yang menyebabkan baja
tidak kuat. Baja mengandung silikon sekitar 0,1 – 0,3%.
Universitas Sumatera Utara
d) Unsur Mangan (Mn)
Dapat menaikan kekuatan dengan menurunkan kecepatan pendinginan
kritis
yang
diperlukan
untuk
memperoleh
struktur
martensit.
Penambahan unsur mangan didalam baja paduan menambah kekuatan
dan ketahanan panas baja paduan itu serta penampilan yang lebih bersih
dan berkilat.Unsur mangan yang bercampur dengan sulfur akan
menghasilkan mangan sulfida dan diikuti pembentukan besi sulfida.
Baja mengandung mangan lebih dari 1%.
e) Nikel (Ni)
Nikel mempertinggi kekuatan dan regangannya sehingga baja paduan
ini menjadi liat dan tahan tarikan serta tahan karat atau korosi. Oleh
karena itu, baja paduan ini biasa digunakan untuk membuat sudu-sudu
turbin, roda gigi, bagian-bagian mobil dan sebagainya.
f) Krom (Cr)
Unsur ini memberikan kekuatan dan kekerasan baja meningkat serta
tahan karat dan tahan aus. Penambahan unsur kromium biasanya diikuti
dengan penambahan nikel. Biasanya baja paduan ini digunakan untuk
bahan poros dan roda gigi.
g) Kobalt (Co)
Penambahan unsur ini akan memperbaiki sifat kekerasan baja
meningkat dan tahan aus serta tetap keras pada suhu yang tinggi. Baja
paduan ini banyak digunakan untuk konstruksi pesawat terbang atau
konstruksi yang harus tahan panas dan tahan aus. (Rizal, Taufan, 2005)
2.2.1 Pengaruh Unsur Campuran
Pengaruh unsur campuran sulit diketahui secara tepat untuk tiap unsur
campuran karena pengaruhnya tergantung pada jumlah campuran yang digunakan
dalam baja.
Universitas Sumatera Utara
a. Pengaruh Unsur Campuran Terhadap Perlakuan Panas Baja karbon
mempunyai kecepatan pendinginan kritis yang tinggi, artinya pendingin
harus secara drastis jika ingin menghasilkan struktur lapisan martensit.
Pendinginan yang drastis menyebabkan terjadi destorsi atau pecahanpecahan pada baja, apabila dikurangi kecepatan kritis dengan membuat
austenit berubah maka struktur martensit dapat dihasilkan dengan jalan
pendinginan kritis tetap dikurangi maka dapat digunakan pendinginan
udara.
b. Pengaruh Unsur Campuran Terhadap Sifat-sifat Baja
Sifat baja pada saat digunakan tergantung pada dasarnya reaksi terhadap
perlakuan panas dang pengaruh yang akan diuraikan, yaitu syarat-syarat
yang berhubungan langsung dengan kondisi pemakaiannya. Pengaruh akan
diperoleh sebagai hasil dari pengerjaan panas yang sesuai. (Mawani,2007).
2.3. Perlakuan Panas (Heat Treatment)
Untuk memperbaiki sifat – sifat mekanis suatu logam perlu adanya suatu
perlakuan panas. 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 butir dapat diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan atau dapat
dihasilkan suatu permukaan keras disekeliling inti yang ulet.(Amstead, 1992).
Perlakuan panas pada baja dapat dilakukan sebagai berikut:
1. Pemanasan pada temperatur rendah
Pengerjaan ini adalah tidak akan menghasilkan suatu perubahan dalam
struktur baja. Yang terjadi hanya perubahan kecil pada sifat mekaniknya.
Apabila dalam pengerjaan ini dihasilkan suatu permukaan baja yang keras,
maka dapat dihilangkan dengan cara penuangan. Pengerjaan penuangan
dapat dilakukan di dalam mesin perkakas.
Universitas Sumatera Utara
2. Pemanasan dalam suhu tinggi
Apabila baja dipanaskan terus-menerus yang mengakibatkan suhu
pemanasan naik dan mencapai suhu tertentu, maka terjadi pembentukan
butiran-butiran baru yang bentuk dan ukurannya kecil dan halus.
Pembentukan butiran dapat terjadi walaupun ukuran original sebelumnya
besar dan kasar, karena perubahan terjadi sebelum pengerjaan dingin.
Proses tersebut dikenal dengan proses pengkristalan kembali. Temperatur
pengkristalan kembali untuk beberapa logam dapat dilihat pada tabel 2.1.
Pengkristalan dapat dikatakan kompleks apabila seluruh struktur logam
terdiri dari butir-butir halus.
Tabel 2.1. Pengkristalan kembali pada beberapa logam
Jenis Logam
Wolfram
Molibdenum
Nikel
Besi
Kuningan
Perunggu
Tembaga
Perak
Aluminium
Magnesium
Seng
Timbal
Timah
(Sumber: Amanto,1999)
Temperatur (0C)
Pengkristalan
Titik Cair
kembali
1200
3410
900
2620
600
1458
450
1535
400
900-1050
400
900-1050
200
1083
200
960
150
660
150
651
70
419
20
327
20
232
3. Pemanasan secara terus menerus
Pada pemanasan baja yang dilakukan secara terus menerus, terjadi penyerapan
unsur-unsur lainnya (terutama unsur karbon) oleh butiran-butiran besi, sehingga
akan dihasilkan oleh suatu struktur yang berbentuk kasar. Proses tersebut dikenal
sebagai proses pertumbuhan butir (grain growth). Jadi pemanasan pada
temperatur tinggi akan menyebabkan terjadi pertumbuhan butiran melalui
pengkristalan kembali pada baja, yang mengakibatkan perubahan bentuk dan
Universitas Sumatera Utara
ukuran butiran-butiran. Selain itu, pertumbuhan butiran-butiran akan terjadi terusmenerus selama dilakukan pendinginan. Pengkristalan kembali dan pertumbuhan
butiran yang terjadi terhadap baja akibat pengerasn panas, berpangaruh terhadap
sifat-sifat mekanik baja.(Nirwana,2012).
2.4. Diagram Fasa
Salah satu metode untuk mempelajari logam dilakukan dengan
menggunakan diagram fase. Dari diagram fase ini dapat diamati perubahan
struktur logam akibat pengaruh temperature. Struktur dari baja dapat ditentukan
oleh komposisi baja dan karbon,
Gambar 2.1 Diagram Fasa besi- karbida besi.
Universitas Sumatera Utara
Diagram fase besi – karbida besi ( Fe - Fe3C ) memperlihatkan perubahan fase
pada pemanasan dan pendinginan yang cukup lambat. Gambar 2.1 menunjukkan
bila kadar karbon baja melampaui 0,20% suhu dimana ferrite mulai terbentuk dan
mengendap dari austenit turun. Baja yang berkadar karbon 0.80% disebut baja
eutectoid. Titik eutectoid adalah suhu terendah dalam logam dimana terjadi
perubahan dalam keaadan larutan padat dan merupakan suhu kesetimbangan
terendah dimana austenit terurai menjadi ferrite dan sementit. Bila kadar karbon
baja lebih besar dari pada eutectoid, perlu diamati garis pada diagram besi karbida
besi yang bertanda Acm. Garis ini menyatakan bahwa dimana karbida besi mulai
memisah dari austenit. Karbida besi dengan rumus Fe3C disebut sementit. Di
bawah ini di uraikan beberapa titik penting dalam perlakuan panas :
1. E : Titik yang menyatakan fase , ada hubungan nya dengan reaksi autentik
kelarutan maksimum dari karbon 2,14% paduan besi karbon sampai pada
komposisi ini disebut baja.
2. G : Titik Transformasi besi
besi . Titik transformasi A3 untuk besi.
3. P: Titik yang menyatakan ferrite , fasa
, ada hubungan reaksi dengan
uatotektoid.
4. S : Titik autotektoid. Reaksi autotectoid ini dinamakan transformasi A1, dan
fase eutectoid ini dinamakan pearlite.
5. GS : Garis yang menyatakan hubungan antara temperature dan komposisi
dimana mulai terbentuk ferrite dan austenit. Garis ini disebut garis A3.
6. A2 : Garis transformasi magnetic untuk besi atau ferrite.
7. A0 ; Garis transformasi magnetic untuk sementit.
Baja yang berkadar karbon kurang dari komposisi eutectoid (0,8%) di sebut baja
hipoeutectoid, dan yang berkadar karbon lebih dan komposisi eutectoid disebut
baja hypereutectoid, pada temperature antara 7230C dan 11300C terdapat satu fase
yaitu fase austenit dan sementit. Pada temperature 7230C butiran fase tunggal
bertransformasi dibawah keseimbangan bentuk
dan Fe3C dalam satu butiran
yang bercampur baik, dan lapisan serat – serat bajanya disebut pearlite. ( Van
vlack,2000)
Universitas Sumatera Utara
Proses perlakuan panas yaitu proses mengubah sifat logam dengan cara
mengubah struktur mikro melalui proses pemanasan dan pengaturan kecepatan
pendinginan dengan atau tanpa merubah komposisi logam yang bersangkutan.
Tujuan proses perlakuan panas untuk menghasilkan sifat-sifat logam yang
didinginkan. Perubahan sifat logam akibat proses perlakuan panas dapat
mencakup keseluruhan bagian dari logam atau sebagian dari logam.
Adanya sifat olotropik dari besi menyebabkan timbulnya variasi struktur
mikro dari berbagai jenis logam. Alatropik itu sendiri adalah merupakan
transformasi dari satu bentuk susunan atom (sel satuan) kebentuk susunan atom
yang lain. Pada temperature dibawah 900oC sel satuan Body Cubic Center (BCC),
temperatur antara 900 dan 1392oC sel satuan Face Cubic Center ( FCC )
sedangkan temperature dibawah 1392oC sel satuan kembali menjadi BCC bentuk
sel satuan di tunjukkan pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.2 Bentuk Struktur atom BCC
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Bentuk Struktur atom FCC
Perubahan bentuk atom (sel satuan) akibat pemanasan di tunjukkan pada gambar
dibawah ini
Gambar 2.4. Perubahan Bentuk struktur atom Akibat Pemanasan pada Logam
Universitas Sumatera Utara
Proses yang dilakukan dalam perlakuan panas, terdiri dari pelunakan (annealing),
penormalan (normalizing), pengerasan(hardening), dan tempering.
1. Pelunakan (Annealing)
Kristalisasi ulang bisa dilakukan dengan annealing dan pengerasan panas
ini tidak akan menghasilkan logam tersebut pada kelunakan dan kekenyalan
semula, menghilangkan efek-efek pengerasan pada pekerjaan. Pada proses
annealing pemanasan yang dilakukan diikuti dengan pendinginan perlahan-lahan.
Pendinginan yang lambat adalah hal yang utama didalam proses, yang membuat
baja selunak mungkin dan menghindari terjadinya tegangan-tegangan dalam baja
yang mengalami proses annealing, struktur butiran termasuk kasar, ferit dan
perlit, membentuk area-area terpisah. Annealing didefenisikan sebagai pemanasan
pada suhu yang sesuai, diikuti dengan kecepatan pendinginan yang sesuai. Hal ini
bertujuan untuk menginduksi kelunakan, memperbaiki sifat-sifat pengerjaan
dingin,dan membebaskan tegangan- tegangan pad baja sehingga diperoleh struktur
yang dikehendaki.
Sifat-sifat baja yang disebutkan pada defenisi diatas dapat dartikan bahwa
baja harus dipanaskan melalui suhu pengkristalan kembali untuk membebaskan
tegangan-tegangan pada baja. Kemudian mempertahankan pemanasannya pada
suhu tinggi untuk membuat pertumbuhan butiran-butiran dan suatu
lapisan austenit. Dan seterusnya
struktur
didinginkan secara perlahan-lahan untuk
membuat suatu struktur lapisan perlit, menginduksi kelunakan, dan memperbaiki
sifat-sifat pengerjaan dingin.
2.
Penormalan (Normalizing)
Proses normalizing diperlukan untuk mengembalikan baja pada kondisi
yang seragam pembuatannya. Ada beberapa persamaan dengan annealing, tetapi
dalam normalizing baja dipanaskan diatas suhu kritisis atas dan dibiarkan dingin
diuadara terbuka (still air), yang membuat suatu tingkat pendinginan yang lebih
cepat. Ini memberikan waktu yang cukup untuk pemisahan penuh dari perlit dan
semetit, dan dari pada terbentuk menjadi area-area terpisah dalam suatu struktur
Universitas Sumatera Utara
kasar, keduanya akan bercampur dengan baik sekali dalam suatu struktur yang
lebih halus.
3. Pengerasan (Hardening)
Bila baja didinginkan di atas suhu kritis atas, pendinginan berjalan cepat,
endapan karbon akan ditekan dan struktur dibekukan dalam suatu larutan padat.
Baja tersebut amat keras dan getas, bila dilihat dengan mikroskop akan terlihat
struktur seperti jarum dikenal dengan martensit. Baja-baja karbon biasa, biasanya
tidak begitu banyak. Pengerasan dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang
tinggi,kekuatan dan fatigue limit strength yang baik.
Kekerasan dapat dicapai tergantung pada karbon dalam baja dan kekerasan
yang
terjadi
akan
tergantung
pada
temperatur
pemanasan
(temperatur
austentizing), holding time dan laju pendinginan yang di lakukan 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 unsur austenit, karena hanya unsur
austenit yang dapat bertransformasi menjadi martensit.
Bila pada saat pemanasan masih terdapat struktur lain maka setelah
didinginkan akan memperoleh 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
temperatur pemanasan yang baik untuk pengerasan yang dilakukan suatu
percobaan pemanasan dan quenching pada beberapa temperatur dan dianalisis
struktur yang terjadi. Pengerasan yang dilakukan secara langsung adalah baja
dipanaskan untuk menghasilkan struktur austenit dan selanjutnya didinginkan.
Pembentukan sifat-sifat dalam baja pada kandungan karbon, temperatur
pemanasan, sistem pendingin, serta bentuk dan ketebalan bahan.
Universitas Sumatera Utara
4. Tempering
Pemanasan kedua dimana baja dipanaskan sampai dibawah titik kritis
bawah kemudian dilakukan pendinginan. Di sini kekerasan sedikit diturunkan,
tetapi baja tersebut jadi lebih kuat. Setelah dinaikkan sampai panas penyepuhan,
baja dibiarkan dingin secara perlahan-lahan. Suhu yang pasti untuk tempering itu
tergantung pada kegunaan baja tersebut. Tingkat kekerasan yang dicapai setelah
pendinginan tergantung pada kandungan karbon dalam baja, yang mengandung
kurang dari 0,3% unsur karbon tidak memperlihatkan perubahan yang nyata.
Kekerasan maksimun dicapai baja mengandung 1,2 % unsur karbon.(Love, 1982)
2.5 Karburasi (Carburizing)
Karburasi adalah suatu proses penambahan karbon ke permukaan benda
dilakukan dengan memanaskan benda dalam lingkup yang banyak mengandung
karbon aktif sehingga karbon berdifusi masuk ke permukaan baja. Kemudian
dipanaskan pada temperatur antara 900oC - 950oC dengan waktu yang lama.
Media yang biasa dipakai adalah Charcoal Activated (karbon aktif) dengan
Natrium Karbonat (NaCO3), Barium Karbonat (BaCO3) dan Kalsium Karbonat
(CaCO3). Untuk menyepuh keras baja diperlukan kadar karbon sekurangnya 0,3%
C dilihat pada baja karbon yang dapat disepuh keras. Jika mempunyai kadar
karbon kurang dari 0,3%C maka dengan cara karburasi. Dengan memanaskan
bahan sampai 950oC dalam lingkungan yang menyerahkan lalu dibiarkan
beberapa waktu lamanya pada suhu ini dan didinginkan diudara.
Tujuan dari pengerjaan panas ini adalah untuk memberi pada benda-benda
lapisan luar yang dapat disepuh keras. Hal ini memungkinkan karena pada suhu
tersebut karbon dapat meresap kedalam lapisan luar benda kerja. Karburasi dapat
juga disebut penumpukan karbon atau menyemen. Lapisan luar yang telah
mengambil karbon dinamakan lapisan karburasi. Tebalnya lapisan yang
dikarburasikan dalam lingkungan yang dapat menyerahkan karbon tergantung dari
pada waktu dan suhu.
Universitas Sumatera Utara
Akibat dari pemanasan ini diharapkan untuk dapat menyusun kedalam
permukaan baja. Dengan menyusupkan unsur karbon pada permukaan baja
tersebut akan terjadi peningkatan kandungan karbon, hal ini akan dapat
meningkatkan kekerasan dari pada permukaan baja tersebut dan tentu akan
meningkatkan daya tahan aus gesekan dan permukaan baja.
Proses karburasi umumnya dilakukan pada baja yang memiliki kadar
karbon rendah, akan tetapi dapat juga dilakukan pada kadar karbon menengah
dengan peningkatan kandungan karbon pada permukaan mencapai 45%
(Ariobima,2001).
2.5.1 Karburasi dalam zat padat
Karburasi padat adalah proses penjenuhan lapisan padat sebagai sumber
karbon. Untuk mendapatkan kekerasan yang maksimal maka media karburasi
dicampur dengan zat pengaktif karbon (energizer).
Selama didalam tungku pemanasan pada proses karburasi akan dibentuk
dua gas yaitu karbon monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO2). Gas-gas ini
bagian terbesar dari media karburasi dengan oksigen dari udara yang selalu
terdapat dari rongga – rongga media karburasi. Proses ini dapat digambarkan
dengan persamaan reaksi :
C + O2
CO2
(2.1)
2C + 2O2
2 CO2
(2.2)
Sebagai sumber karbon dioksida lainnya dapat berasal dari barium,
kalsium atau sodium karbonat yang ditambah dalam karburasi sebagai energizer
dimana komposisi yang terjadi didalam pemanasan :
Universitas Sumatera Utara
CaCO3
CaO + CO2
(2.3)
Didalam karburasi ini sendiri terjadi kesetimbangan dua gas yaitu CO dan
CO2
CO2 + C
2 CO
(2.4)
Pada temperatur yang lebih tinggi akan didapat pula karbon monoksida
(CO) yang lebih banyak persentasenya, karbon dioksida yang didalmnya
campuran gasnya sediki. Adapun reaksi karburasi yang terjadi pada permukaan
baja adalah sebagai berikut :
2 CO
CO2 + C
(2.5)
Setelah reaksi ini terjadi akan dihasilkan karbon dalam bentuk atom.
Karbon ini dalam temperatur karburasi akan di absorpsi oleh permukaan logam
dan bermigrasi secara perlahan – lahan atau berdifusi menuju inti dan pada waktu
yang bersamaan menghasilkan pembentukan molekul – molekul baru karbon
monoksida.
Difusi adalah peristiwa mengalirnya atau berpindahnya suatu zat dari
bagian konsentrasi tinggi kebagian berkonsentrasi rendah. Contoh yang sederhana
adalah penambahan karbon ke permukaan baja karbon sehingga pada baja,
karbonnya lebih besar. Difusi yang paling sering terjadi adalah difusi molekuler.
Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari suatu lapisan molekul
yang diam. Apabila suhu pada suatu material naik , akan menyebabkan atom –
atomnya bergetar dengan energinya yang lebih besar dan sejumlah kecil atom
akan berpindah dalam kisi.
Mekanisme perpindahan atom dalam suatu logam dapat terjadi secara
interistisi dan kekosongan. Perpindahan ini terjadi bila atom tidak memiliki
Universitas Sumatera Utara
ukuran yang sama. Sedangkan perpindahan secara kekosongan dapat terjadi bila
semua atom memiliki ukuran sama. Proses difusi dapat terjadi lebih cepat apabila
suhu tinggi, atom yang berdifusi kecil, ikatan struktur induk lemah (dengan titik
cair rendah), terdapat cacat – cacat dalam bahan (kekosongan atau batas butir)
(Surdia, 1995).
Kalsium karbonat adalah kalsium yang terdapat pada kapur, batu kapur
dan merupakan komponen utama yang terdapat pada kulit telur. Kalsium karbonat
merupakan serbuk putih, tidak berbau, stabil diudara, praktis tidak larut dalam air.
Kelarutan dalam air meningkat dengan adanya sedikit nitrat dengan membentuk
gelombang gas.
Salah satu sifat kimia dari kalsium karbonat adalah dapat menetralisasi
asam. Kalsium karbonat sebagai semi penguat dan memiliki harga yang relative
murah serta memberikan kekerasan, kekuatan tarik yang baik. Cara ini adalah
metode yang paling tua dan dikenal sebagai “pack hardening” yang mana benda
kerjanya dimasukan kedalam sebuak kotak besi dan secara tertutup dikelilingi
dengan bahan – bahan seperti arang kayu dan serbuk tulang. Zat kimia yang lain
misalnya kalsium karbonat yang sering dipakai sebagai pembangkit dalam proses.
Dengan tutup yang benar – benar rapat, semua benda dipanaskan dalam
dapur dengan suhu 850 – 950oC dalam waktu beberapa jam, dan pada suhu yang
tinggi ini karbon akan menyebar kebaja karbon tinggi dengan ketebalan sekitar
0,8 mm bisa dicapai setelah 3 samapi 4 jam pemanasan. Benda – benda yang tidak
dibuat dengan kulit bisa dilindungi dengan jalan pelapisan tembaga atau
dibungkus dengan tanah liat.
Sebelum pengekapan dibuka, kotak beserta isinya dibiarkan dingin secara
perlahan – lahan. Benda – benda kerja tersebut perlu disepuh, sebab butiran –
butirannya masih kasar akibat suhu kritis atas
( sekitar 900 – 915oC) lalu
didinginkan secara mendadak dalam zat cair. Ini diikuti dengan pengerasan
dengan cara memanaskan antara 750 – 760oC, lalu dicelupkan kedalam media
Universitas Sumatera Utara
pendingin. Maka terdapat peti yang sangat keras yang bisa diolah selanjutnya
dengan tempering sekitar 200oC.
2.5.1. Adsorpsi
Salah satu sifat penting dari permukaan zat adalah adsorpsi. Adsorpsi adalah suatu
proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat pada suatu
padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan
padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi dimana fluida terserap oleh fluida
lainnya dengan membentuk suatu larutan.
Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut
(soluble) yang ada dalam larutan, oleh permukaan zat atau benda penyerap,
dimana terjadi suatu ikatan kimia fisika antara substansi dengan penyerapnya.
Definisi lain menyatakan adsorpsi sebagai suatu peristiwa penyerapan pada
lapisan permukaan atau antar fasa, dimana molekul dari suatu materi terkumpul
pada bahan pengadsorpsi atau adsorben.
Adsorpsi adalah pengumpulan dari adsorbat diatas permukaan adsorben,
sedang absorpsi adalah penyerapan dari adsorbat kedalam adsorben dimana
disebut dengan fenomena sorption. Materi atau partikel yang diadsorpsi disebut
adsorbat, sedang bahan yang berfungsi sebagai pengadsorpsi disebut adsorben.
Adsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika (disebabkan
oleh gaya Van Der Waals (penyebab terjadinya kondensasi gas untuk membentuk
cairan yang ada pada permukaan adsorbens) dan adsorpsi kimia (terjadi reaksi
antara zat yang diserap dengan adsorben, banyaknya zat yang teradsorbsi
tergantung pada sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan
suhu). (Ginting,FD,2008)
Universitas Sumatera Utara
2.6 Pendinginan (Quenching)
Metode pencelupan secara cepat yang disebut Quenching pada proses ini
diperoleh struktur martensit akibat dari penurunan temperatur dan suhu austenite
ke suhu kamar yang menyebabkan logam menjadi keras. Laju pendinginan
merupakan faktor pengendali, pendinginan yang cepat lebih cepat daripada
pendinginan kritis akan menghasilkan struktur yang keras, sedangkan pendinginan
yang lambat menghasilkan struktur yang lebih lunak.(Nirwana Ginting, 2012)
2.7 Media Pendingin
Media pendingin adalah merupakan suatu sarana akan suatu zat, baik
berupa larutan, padatan maupun gas yang sifatnya sebagai pendingin terhadap
bahan logam setelah melalui proses perlakuan panas yang juga sangat
mempengaruhi perubahan fisis atau sifat-sifat mekanik dari bahan logam.
Pada umumnya media pendinngin yang dipakai pada proses perlakuan
panas tergantung pada pemanasan apa yang dilakukan serta pembentukan sifat
baru yang ingin didapatkan sehingga diperlukan adanya variasi pada media
pendingin yang juga merupakan faktor pengendali jenis serta sifat bahan logam
yang akan dihasilkan. Proses perlakuan panas yang biasanya dilakukan untuk
media pendingin dilakukan dengan temperatur yang berbeda serta dengan adanya
variasi dari konsentrasi media pendingin. Dimana dengan meningkatnya
konsentrasi larutan akan mengurangi kecepatan pendinginan. Sebagai media
pendingin yang umum dipakai tergantung dari pembentukan sifat serta sesuai
dengan proses pemanasan yang dilakukan, adalah sebagai berikut :
a. Udara
Pendinginan di udara adalah merupakan suatu pendinginan secara perlahan-lahan
di ruangan terbuka yang bertujuan untuk menormalkan kembali struktur logam
karena adanya efek pengerjaan terhadap bahan baja, pada pendinginan di udara
Universitas Sumatera Utara
terjadi pada fasa austenisasi, 500oC – 600oC di dalam daerah austenit murni.
Pendinginan di udara mencegah terjadinya segresi proetekrad yang berlebihan dan
terbentuknya struktur mikro perlit yang halus, dan proses ini disebut dengan
Normalising. Pendinginan secara perlahan-lahan dengan media pendinginan udara
terjadi pada proses Annealing dimana pada proses ini terjadi pada pendinginan
secara perlahan- lahan daripada proses Normalising, pada proses pendinginan
secara Annealing pendinginan dilakukan pada tungku (furnace) atau di ruang yang
agak tertutup sehingga jumlah udara yang masuk agak terbatas yang akan
mempengaruhi kecepatan pendinginan.
b. Oli, NaCl, NaOH, dan Air
Pendinginan di oli, NaCl, NaOH, dan air merupakan suatu pendinginan
dengan kecepatan setelah dilakukan pemanasan sampai temperatur 500C di atas
temperatur titik kritis selama beberapa waktu, proses pendinginan biasanya juga
disebut
dengan
celup
langsung.
Pendinginan
dengan
kecepatan
akan
menghasilkan martensit yang keras dan agak rapuh. Pada proses pendinginan ini
akan terbentuk austensit yang lebih padat daripada martensit dan juga lebih padat
dari ferit ditambah dengan karbida, hal ini yang merupakan masalah pada
pendinginan secara celup langsung dari autensit ke martensit Karena bagian
tengah yang lebih lambat pendinginannya bertransformasi dan muai, setelah
permukaannya lebih cepat pendinginannya menjadi martensit yang rapuh jadi
retak dapat terjadi pada baja dengan ukuran lembaran atau kawat khususnya bila
kadar karbon lebih besar dari 0,5%. (Junaidi Hakim,2013).
2.8 Karbon Aktif
Karbon aktif ( Active Carbon ) adalah suatu bahan yang berupa karbon
omorf, yang sebagian besar terdiri dari karbon bebas serta memiliki “permukaan
dalam”(Internal surface) sehingga mempunyai kemampuan daya serap yang baik.
Keaktifan untuk menyerap dari karbon aktif ini umumnya tergantung pada jumlah
senyawa karbonnya yang berkisar antara 85 % sampai 95 % karbon bebas.
Universitas Sumatera Utara
Arang, kokas, dan karbon aktif di sebut karbon amorf. Penyelidikan
dengan sinar X bahwa karbon amorf mempunyai sifat kristal yang tertentu yang
tidak menunjukkan sudut dan permukaan bentuk kristal seperti bentuk rhombis,
monoklin dan lain-lain.dari penyelidikan yang dilakukan diperoleh kesimpulan
bahwa karbon amorf terdiri dari pelat-pelat datar dimana atom C (karbon)
tersusun dari dalam kisi hexagon dan setiap atom karbon tenkat secara kovalen
dengan ato karbon yang lainnya. Pada graphite, pelat-pelat ini lebih dekat satu
dengan yang lainnya dan terikat dengan cara tertentu yang tidak dijumpai pada
karbon kristalit.
Bila suatu bahan baku amorf atau karbon aktif di panaskan, zat-zat organik
mula-mula terlepas dan terbentuk kembali struktur oromatis yang thermo-stabil
pada kisi-kisi hexagon. Transformasi ini tidak berlangsung sempurna hingga
mengakibatkan terjadinya cincin atau rantai hidrokarbon. Bentuk , ukuran dan
cara susunannya kristalit akan mempengaruhi daya serap dari karbon.
2.9 Kekerasan
Kekerasan adalah ketahanan beban terhadap deformasi plastis, karena
pembebanan setempat pada permukaan berupa goresan atau penekanan. Sifat ini
banyak berhubungan dengan sifat kekuatan, daya tahan aus, dan kemampuan
dikerjakan dengan mesin (mampu mesin). Cara pengujian kekerasan ada tiga
macam, yaitu goresan, menjatuhkan bola baja dan penekanan. Kekerasan suatu
bahan dapat berubah bila dikerjakan dengan pekerjaan dingin (cold worked),
seperti pengerolan, penarikan serta kekerasan dapat dicapai dengan kebutuhan
perlakuan panas (Smallman, 1991)
Kekerasan suatu bahan dapat diketahui dengan pengujian kekerasan
menggunakan mesin uji kekerasan (hardness tester) menggunakan tiga cara atau
Universitas Sumatera Utara
metode yang telah banyak dilakukan , yaitu : metode Brinel, Rockwell dan
Vickers.
Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang
dasarnya berbentuk bujur sangkar. Angka kekerasan piramida intan/Diamond
Piramite Hardness (DPH) atau angka kekerasan Vickers/ Vickers Hardness
Number (VHN), didefinisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan. Luas
ini dihitung dari pengukuran mikroskopi panjang diagonal jejak. DPH dapat
ditentukan dari persamaan berikut :
= 1,8544
VHN =
(2.6)
Dimana :
F = pembebanan yang diterapkan (kgf)
d = panjang diagonal rata –rata (mm)
θ = sudut antara permukaan intan yang berlawanan = 136o
Gambar 2.5. Pengujian Vickers
2.10 Mikrostruktur Baja Karbon
Jika
baja
karbon
dilihat
dibawah
mikroskop
metallurgy,
maka
strukturmikro dapat dikenali sebagai pelit, ferrit, sementit (karbida besi), austenit
atau bainit dengan beberapa variasi tergantung dari perlakuannya. Sementit atau
karbida besi merupakan struktur terkeras pada diagram karbon dengan kandungan
Universitas Sumatera Utara
karbon 6,67 % C. dalam diagram karbon telihat bahwa karbida besi (Fe3C) berada
pada bagian sebelah kanan diagram. Mikrostruktur dari baja karbon adalah
sebagai berikut :
1. Ferrit
Ferrit adalahbesi dengan struktur BBC yang mamapu melarutkan 0,008 %
C pada temperature7230C . Ferrit membentuk larutan padat dengan karbon pada
luasan yang sempit dengan struktur yang paling luas.
2. Perlit
Perlit merupakan campuran eutektoit dengan kandungan 0,8% karbon
yang tampak tersusun berlapis-lapis secara bergantian dari ferrit dan sementit.
Oleh karena itu perlit mempunyai sifat antara ferrit dan sementit yaitu cukup kuat
dan tahan terhadap korosi. Perlit terbentuk pada suhu 7230C, dimana pada saat
pendinginan 0,8% karbon akan menghasilkan 100% perlit pada
komposisi
eutectoid. Bila laju pendinginan lambat maka karbon dapat berdifusi lama sehinga
terbentuk perlit kasar, sedangkan bila laju pendinginan dipercepat maka akan
terbentuk perlit halus
3. Martensit
Struktur martensit terbentuk karena adanya pemanasan kemudian
didinginkan dngan cepat (Quenching) yang terbentuk dibawah temperatur
eutectoid tetapi masih dibawah temperatur tuang, karena austenit tidak stabil pada
pendinginan diatas, sehingga terjadi secara serentak strukturnya berubah menjadi
kubus pusat rung tetragonal (BBC). Pada keadaan ini tidak terjadi difusi
melainkan pengerasan sebab semua atom karbon tetap tertinggal dalam lapisan
padat karena strukturnya tidak berbentuk kubus maka karbon terperangkap
sehingga sulit terjadi slip sehingga dalam hal ini martensit mempunyai sifat keras,
rapuh, dan mempunyai kekuatan tarik yang tinggi.
Universitas Sumatera Utara
4. Austenit atau Besi
Austenit adalah merupakan larutan pada sela antarakrbon dan besi dengan
struktur FCC, dan mampu melarutkan maksimum 2% karbon secara intersitas
pada temperature 11290C dalam bentuk larutan padat, austenit bersifat liat dan
lunak.
5. Sementit atau karbida besi
Sementit adalah senyawa kimia antara besi dengan karbon dengan
kandungan karbon sebanyak 6,67 % karbida besi (Fe3C) menyatakan bahwa tiga
atom besi terikat oleh salah satu atom karbon yang menjadi sebuah karbida besi.
Sementit memberikan kekerasan yang tinggi pada baja. (Muhammad, Z , 2011).
Universitas Sumatera Utara