METODE PERLAKUAN PANAS
SEBAGAI SOLUSI PENINGKATAN
KUALITAS PRODUK MANUFAKTUR
BERBASIS BAHAN DASAR BESI BAJA
Penulis:
Dwita Suastiyanti
Kontributor:
Yoga Maranatha Silaen
Felisitas Serena Nomer
UKI PRESS
Pusat Penerbitan dan Pencetakan
Buku Perguruan Tinggi
Universitas Kristen Indonesia
Jakarta
2023
METODE PERLAKUAN PANAS
SEBAGAI SOLUSI PENINGKATAN
KUALITAS PRODUK MANUFAKTUR
BERBASIS BAHAN DASAR BESI BAJA
Penulis:
Dwita Suastiyanti
Editor:
Marlin Wijaya
ISBN: 978-623-8012-44-2
Penerbit: UKI Press
Anggota APPTI
Anggota IKAPI
Redaksi: Jl. Mayjen Sutoyo No.2 Cawang Jakarta 13630
Telp. (021) 8092425
Cetakan I Jakarta: UKI Press, 2023
Hak cipta dilindungi undang-undang.
Dilarang mengutip atau memperbanyak sebagian atau
seluruh isi buku ini tanpa izin tertulis dari penerbit.
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulilah puji syukur dipanjatkan kepada Allah
SWT yang telah melimpahkan rahmat dan ridho Nya
sehingga Buku Monograf ini dapat diselesaikan dengan baik.
Penulis adalah peneliti, dosen dan Guru Besar bidang ilmu
Teknik Mesin dan Ilmu Permesinan lainnya. Monograf ini
didedikasikan untuk semua pembaca khususnya mahasiswa,
praktisi dari industri, peneliti dan teman-teman dosen lainnya
yang sangat tertarik pada bidang ilmu perlakuan panas
sebagai solusi untuk meningkatkan dan mengatasi
permasalahan komponen manufaktur berbasis logam dasar
baja. Penguasaan teknologi dalam industri manufaktur
merupakan upaya meningkatkan nilai investasi dan ekspor
yang dapat menjadi andalan untuk mengakselerasi
pertumbuhan ekonomi nasional. Industri manufaktur
membutuhkan peralatan modern yang mayoritas berbahan
dasar besi dan baja serta mempunyai sifat mekanis yang
mumpuni. Salah satu teknologi yang harus dikuasai untuk
perolehan sifat mekanis yang unggul dari komponen
manufaktur berbasis struktur baja adalah teknologi perlakuan
panas (heat treatment). Agar diperoleh disain dan pemilihan
metode perlakuan panas yang tepat diperlukan beberapa
pemahaman antara lain pemahaman tentang teori diagram
i
fasa Fe-Fe3C, struktur dan sistem kristal, diagram Time
Temperature Transformation (TTT), sifat-sifat mekanis dan
metode pengujiannya. Pemahaman tentang analisa kerusakan
/ kegagalan komponen permesinan sangat penting juga untuk
dikuasai, karena dengan melakukan analisa yang benar,
dapat ditentukan metode perlakuan panas yang tepat guna
mengatasi kegagalan tersebut. Diagram fasa Fe-Fe3C
berperan dalam penentuan temperatur pemanasan yang
ditentukan dengan % C yang dikandung oleh baja.
Pemahaman tentang struktur dan sistem kristal baja
diperlukan untuk memahami lebih dalam tentang
pembentukan fasa/struktur mikro yang ada dalam diagaram
fasa Fe-Fe3C : ferrite, pearlite, bainite, cementite, austenite
dan martensite. Keberhasilan pemilihan metode perlakuan
panas ditentukan dari pengaturan laju pendinginan yang
dipilih disesuaikan dengan pembentukan struktur mikro
dengan sifat mekanis tertentu. Struktur mikro yang
dihasilkan dari proses perlakuan panas dengan laju
pendinginan yang didisain diketahui dari diagram TTT.
Dengan diagram ini dapat diketahui apakah hasil perlakuan
panas akan menghasilkan ferrite, pearlite, bainite atau
martensite yang memiliki sifat mekanis yang berbeda-beda.
Metode pengujian sifat-sifat mekanis perlu dipahami pula
untuk mengetahui dengan tepat sifat mekanis komponen
ii
dengan struktur mikro yang dihasilkan melalui proses
perlakuan panas yang didisain. Berdasarkan hal tersebut
maka untuk pemilihan metode perlakuan panas yang tepat
diperlukan beberapa pemahaman teori yang terintegrasi dan
saling berkaitan satu dengan yang lainnya. Dalam buku ini
diberikan juga contoh pemilihan metode perlakuan panas
untuk kasus di industri manufaktur melalui beberapa
rekomendasi metode yang bisa dipilih. Buku ini masih belum
lengkap dan akan dilengkapi melalui penyusunan buku-buku
monograf lainnya khususnya yang terkait dengan metode
analisa kerusakan/kegagalan yang membutuhkan
pembahasan khusus tersendiri, diperlukan analisa kegagalan
yang detail untuk mengetahui penyebab kegagalan.
iii
DAFTAR ISI
Kata Pengantar i
Daftar Isi iv
Daftar Gambar vi
BAB 1 PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Tujuan Penulisan Buku 8
1.3 Manfaat 9
1.4 Sistematika Penulisan 9
BAB 2 MATERIAL BAJA SEBAGAI BAHAN DASAR
KOMPONEN PERMESINAN 11
2.1 Material Baja 11
2.2. Sifat Mekanis Baja 12
2.3 Pengaruh Unsur Panduan Terhadap Sifat Mekanis
Baja 18
2.4 Diagram Fasa Fe-Fe3C 19
2.5 Struktur Kristal 21
2.6 Ferrite 24
2.7 Pearlite 25
2.8 Austenite 26
2.9 Cementite 28
2.10 Martensite 29
2.11 Bainite 31
iv
2.12 Diagram Time Temperatur Transformation (TTT) 32
BAB 3 TEORI DASAR PERLAKUAN PANAS 37
3.1 Pengertian Perlakuan Panas Baja 37
3.2 Waktu Penahanan (Holding Time) Pada Temperatur
Pemanasan (Konstan) 40
BAB 4. MEKANISME DAN PENGGOLONGAN
PERLAKUAN PANAS 45
4.1 Metode Perlakuan Panas 45
4.2 Annealing (Anil) 47
4.3 Normalizing (Normalisasi) 60
4.4 Homogenisasi 64
4.5 Hardening 66
4.6 Tempering 78
4.7 Austempering 85
BAB 5 PEMECAHAN MASALAH PADA INDUSTRI
MANUFAKTUR 91
BAB 6 KESIMPULAN 103
DAFTAR PUSTAKA 105
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Pengaruh Kadar C Terhadap Kekerasan dan
Kekuatan Tarik Baja 12
Gambar 2.2 Diagram Tarik Stress vs Strain Material Baja 15
Gambar 2.3. Diagram Fasa Fe-Fe3C 20
Gambar 2.4. Sistem dan Kisi Kristal 22
Gambar 2.5 Struktur Kristal Face Centered Cubic 23
Gambar 2.6. Struktur Kristal Body Centered Cubic 23
Gambar 2.7. Struktur Kristal Closed Packed Hexagonal 23
Gambar 2.8. Struktur Mikro Ferrite (Ferit) 25
Gambar 2.9. Struktur Mikro Pearlite 26
Gambar 2.10. Struktur Mikro Austenite 28
Gambar 2.11. Struktur Mikro Cementite 29
Gambar 2.12. Struktur Mikro Martensite 30
Gambar 2.13. Struktur Mikro Bainite 31
Gambar 2.14. Diagram TTT untuk Baja dengan % Karbon
Tertentu 33
Gambar 2.15. Plot Garis Pendinginan pada Diagram TTT Baja
pada % Karbon Tertentu 35
Gambar 3.1. Siklus Panas Perlakuan Panas Baja 38
vi
Gambar 3.2. Penentuan Temperatur Pemanasan pada Perlakuan
Panas Baja 39
Gambar 4.1. Pengelompokan Perlakuan Panas Berdasarkan Laju
Pendinginan 46
Gambar 4.2. Struktur Mikro Baja Sebelum Full Annealing (a) dan
Sesudah Full Annealing (b) 49
Gambar 4.3. Struktur Mikro Sebelum (a) dan Sesudah (b)
Speroidisasi 50
Gambar 4.4. Penentuan Temperatur Spheroidized Annealing 51
Gambar 4.5. Perubahan Struktur Mikro Sebelum (a) dan Sesudah
(b) Proses Recrystallization Annealing 53
Gambar 4.6. Struktur Mikro Sebelum (a) dan Sesudah (b)
Normalisasi 61
Gambar 4.7. Penetapan Temperatur Stress Relieving 62
Gambar 4.8. Struktur Mikro Sebelum (a) dan Sesudah (b)
Homogenisasi 65
Gambar 4.9. Mekanisme Hardening yang Dilanjutkan dengan
Temper 67
Gambar 4.10. Penentuan Temperatur Austenisasi Menggunakan
Diagram Fe-Fe3C 68
Gambar 4.11. Pengaruh Temperatur Hardening Terhadap
Kekerasan 70
vii
Gambar 4.12. Penentuan Waktu Pemanasan Berdasarkan Dimensi
Benda Kerja 73
Gambar 4.13. Pengaruh Temperatur Media Quenching Terhadap
Laju Pendinginan 75
Gambar 4.14. Pengaruh % Karbon Terhadap Pembentukan
Austenite Sisa 77
Gambar 4.15. Pengaruh Temperatur Pengerasan Terhadap %
Austenite Sisa 78
Gambar 4.16. Siklus Panas Proses Hardening Diikuti dengan
Tempering 79
Gambar 4.17. Empat Tahapan Baja Pada Saat Dipanaskan 80
Gambar 4.18. Pengaruh Temperatur Temper Terhadap Kekerasan
Baja 83
Gambar 4.19. Siklus Panas Austempering, Perbandingannya
dengan Perlakuan Panas Lainnya 86
Gambar 5.1. Alternatif 1 Pemilihan Metode Perlakuan Panas 97
Gambar 5.2. Alternatif 2 Pemilihan Metode Perlakuan Panas 99
Gambar 5.3. Alternatif 3 Pemilihan Metode Perlakuan Panas 101
viii
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Salah satu faktor penentu kemajuan bangsa adalah
penguasaan teknologi manufaktur oleh bangsa tersebut.
Penguasaan teknologi dalam industri manufaktur merupakan
upaya meningkatkan nilai investasi dan ekspor yang dapat
menjadi andalan untuk mengakselerasi pertumbuhan
ekonomi nasional. Industri manufaktur adalah sekelompok
perusahaan yang memiliki kegiatan utama untuk
memproduksi dan mengolah bahan mentah atau setengah
jadi menjadi barang yang siap digunakan atau barang jadi.
Proses dalam industri manufaktur menggunakan peralatan
modern dan menerapkan program manajemen yang
terstuktur untuk melakukan produksi. Industri manufaktur
menjadi penopang untuk memenuhi kebutuhan masyarakat
sehari-hari.
Perkembangan manufaktur di Indonesia dapat
dibedakan dari fungsi dan jenisnya antara lain :
1. Industri manufaktur utama. Industri ini mengacu pada
proses yang mengubah bahan baku menjadi produk
yang dapat digunakan. Ada kalanya hasil produksi
digunakan kembali untuk bahan produksi industri lain
1
2. Industri manufaktur sekunder. Industri ini mencakup
pada kegiatan yang lebih luas dan terbagi menjadi
industri berat, ringan dan industri berteknologi tinggi.
Industri berat bersifat modal besar dan berskala besar
contoh industri pemurnian dan peleburan. Industri
ringan melibatkan produk konsumen sedangkan
industri berteknologi tinggi bersifat pada modal dan
bergantung pada penelitian dan pengembangan.
Industri manufaktur memiliki produk yang beragam yang
menjadi dasar dalam pengelompokan jenis industri
manufaktur yaitu
1. Industri Metalurgi. Industri ini mencakup proses
pemurnian, oksidasi, reduksi dan pembuatan logam
yang menghasilkan besi dan baja. Karena jumlah
permintaan yang tinggi maka industri ini menjadi
penting untuk menghasilkan beberapa ribu ton besi dan
baja sebagai bahan baku
2. Industri Teknik. Merupakan jenis industri yang
tergantung pada output industri metalurgi. Cabang dari
industri teknik adalah industri peralatan transportasi
(galangan kapal, mobil, pesawat, kereta api), listrik dan
mesin industri.
3. Industri Dasar dan Kimia. Industri dikategorikan
menjadi 3 yaitu bahan kimia berat yang cakupannya
2
menggunakan endapan mineral atau produk
sampingan, obat-obatan dan petrokimia.
4. Industri Tekstil. Industri ini tergolong industri
manufaktur tertua. Industri tekstil merupakan industri
yang paling banyak beroperasi di Indonesia. Industri
tekstil mengolah serat kayu, kapas dan bulu binatang
menjadi benang.
5. Industri Pengolahan Makanan. Industri ini merupakan
bagian dari industri ringan. Industri pengolahan
makanan melibatkan proses produksi mulai dari bahan
baku hingga menjadi bahan makanan misalnya bahan
baku gandum diolah menjadi tepung gandum.
6. Industri Hi-Tech. Industri pengembangan teknologi
menjadi industri yang banyak digunakan seiring
dengan perkembangan teknologi. Industri Hi-Tech
tergantung kepada hasil penelitian dan dapat bekerja
sama dengan industri transportasi dan energi.
Ciri-ciri dari perusahaan manufaktur antara lain :
1. Pendapatannya Berasal dari Penjualan. Perusahaan
manufaktur adalah perusahaan yang memproduksi,
menghasilkan serta menjual produk berupa barang.
Barang yang dimaksud bisa berupa barang setengah
jadi dan barang jadi seperti peralatan rumah tangga,
3
berbagai jenis makanan dan minuman. Karena
melakukan penjualan berupa barang, maka pendapatan
utama perusahaan diperoleh dari penjualan produk
barang yang menghasilkannya. Biasanya satu
manufaktur memproduksi lebih dari 1 jenis barang jadi
atau barang setengah jadi. Semakin banyak barang
yang diproduksi, semakin banyak pula pendapatan
yang masuk.
2. Memiliki Persediaan Fisik. Produk yang dijual oleh
perusahaan manufaktur adalah barang berwujud yang
dapat dilihat dan diraba, sehingga perusahaan ini
memiliki persediaan produk secara fisik. Persediaan
produknya bisa berupa persediaan barang jadi yang
siap dijual atau persediaan barang setengah jadi atau
barang dalam proses yang nantinya akan diproses
kembali menjadi barang jadi. Stok barang pun juga
harus selalu update agar proses produksi tidak
terganggu.
3. Aktivitas Perusahaan Manufaktur. Sesuai dengan
pengertiannya, aktivitas operasional utama dari
perusahaan manufaktur adalah melakukan kegiatan
produksi yaitu mengolah bahan baku atau barang
mentah menjadi barang setengah jadi atau barang jadi.
4
Tanpa adanya proses produksi, industri manufaktur
tidak dapat berjalan.
Industri manufaktur di Indonesia berhasil mencapai
peringkat sepuluh besar di dunia. Posisi ini diharapkan dapat
meningkat seiring dengan penetapan kebijakan prioritas
industri nasional. Indonesia sudah menjadi basis industri
manufaktur terbesar se-ASEAN dengan kontribusi mencapai
20,27% (website Badan Koordinasi Penanaman Modal) pada
perekonomian skala nasional. Perkembangan industri
manufaktur di Indonesia saat ini mampu menggeser peran
commodity based menjadi manufacture based. Pemerintah
berupaya untuk melakukan transformasi perekonomian agar
lebih fokus pada proses perkembangan industri non migas.
Industri manufaktur dinilai lebih produktif dan bisa
memberikan efek berantai secara luas sehingga mampu
meningkatkan nilai tambah bahan baku, memperbanyak
tenaga kerja, menghasilkan sumber devisa terbesar, serta
penyumbang pajak dan bea cukai terbesar. Berbagai sektor
manufaktur Indonesia juga dikembangkan di negara ASEAN
lainnya, seperti Filipina dan Vietnam. Hal ini tentunya akan
mendorong pertumbuhan ekonomi secara nasional dan
meningkatkan daya saing secara domestik, regional, dan
global. Perbedaan lainnya yang dimiliki oleh perekonomian
Indonesia adalah kekuatannya pada pasar dalam negeri
5
dengan persentase sebesar 80% dan sisanya merupakan pasar
ekspor, lain halnya dengan Singapura dan Vietnam yang
sistem perekonomiannya sebagian besar berorientasi pada
kegiatan ekspor.
Terjun dalam bisnis di bidang manufaktur sangatlah beresiko
karena diharuskan mengerti target pasar dalam skala tinggi.
Perusahaan jenis ini memang berfokus ke dalam jumlah
produksi yang besar. Ada beberapa faktor kunci yang harus
dilakukan dalam pengelolaan industri manufaktur yaitu :
1. Produktivitas. Stok produk yang sedikit akan membuat
cost produksi atau modal yang dibutuhkan semakin
besar. Itulah alasan mengapa sebelum berencana
membuat bisnis manufaktur harus dipikirkan strategi
pasar yang harus ditempuh. Tujuannya adalah agar
keuntungan yang didapatkan semakin maksimal.
2. Quality Control. Jika produk sebuah bisnis tidak dibuat
berkualitas, sebuah perusahaan bisa dikatakan tidak
akan mampu bertahan. Terlebih lagi, jika sudah ada
banyak perusahaan yang mampu menciptakan produk
dengan harga yang lebih murah namun tetap mampu
menjaga kualitas barangnya. Hal inilah yang tengah
dikembangkan banyak perusahaan-perusahaan di
China.
6
3. Desain Terbaik. Sebuah perusahaan yang bergerak di
dalam bidang manufaktur harus bersaing dengan para
kompetitor. Desain terbaik adalah keunggulan mutlak
agar perusahaan bisa memenangkan persaingan.
Contohnya adalah Apple sempat membuat handsfree
berwarna putih padahal dulunya kabel tersebut dirasa
sangat mengganggu. Pada akhirnya, handsfree dengan
warna putih mampu merajai pasar dunia dan Apple
mengambil untung besar karena keberanian
mengeluarkan desain yang berbeda dengan pesaingnya.
4. Pengelolaan Keuangan yang Baik. Keuangan bisnis
menjadi salah satu faktor paling penting dalam
memengaruhi keberhasilan sebuah usaha. Perusahaan
harus memikirkan bagaimana mengelola modal,
pemasukan, dan pengeluaran produksi hingga
menghasilkan keuntungan yang maksimal. Pencatatan
keuangan industri manufaktur memang sedikit berbeda
dengan perusahaan dagang maupun jasa. Hal ini karena
di dalamnya terdapat laporan Harga Pokok
Produksi.Harga pokok produksi ini dijadikan
sebuah laporan keuangan utama bagi perusahaan
manufaktur.
7
Berdasarkan uraian-uraian di atas, sangat penting untuk
mempertahankan dan mengembangkan industri manufaktur
di Indonesia terutama melalui peningkatan kualitas produk,
upaya mengatasi masalah teknis yang dapat mempengaruhi
peningkatan produktivitas yang berdampak kepada
peningkatan perekonomian bangsa. Karena pentingnya hal
tersebut, buku ini fokus kepada usaha peningkatan kualitas
produk industri teknik yang menghasilkan produk-produk
untuk keperluan permesinan berbasis bahan dasar baja dan
teknologi heat treatment (perlakuan panas).
1.2 Tujuan Penulisan Buku
Penulisan buku ini mempunyai tujuan antara lain :
1. Sebagai bagian dari bahan pembelajaran mahasiswa
pada Mata Kuliah di Program Studi Teknik Mesin :
Metalurgi Fisik, Proses Produksi, Teknologi
Pembentukan dan mata kuliah lain yang terkait dengan
bidang ilmu ini
2. Sebagai bahan short course untuk kegiatan pelatihan /
sertifikasi bagi engineer atau calon engineer di industri
manufaktur.
3. Sebagai acuan untuk industri mengatasi masalah yang
terjadi terkait dengan kegagalan fungsi komponen
akibat kerusakan berbasis analisa kerusakan
8
1.3 Manfaat
Buku ini didedikasikan untuk para dosen ilmu
keteknikan (manufaktur), mahasiswa keteknikan, pelaku
industri dan institusi riset pemerintah maupun swasta.
1.4 Sistematika Penulisan
Buku ini disusun berdasarkan sistematika sebagai
berikut :
HALAMAN JUDUL
HALAMAN PENGESAHAN
KATA PENGANTAR
DAFTAR ISI
BAB 1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
1.2 Tujuan Penulisan Buku
1.3 Manfaat
1.4 Sistematika Penulisan
BAB 2. MATERIAL BAJA SEBAGAI BAHAN
DASAR KOMPONEN PERMESINAN
BAB 3. TEORI DASAR PERLAKUAN PANAS
BAB 4. MEKANISME DAN PENGGOLONGAN
PERLAKUAN PANAS
9
BAB 5. PEMECAHAN MASALAH PADA
INDUSTRI MANUFAKTUR BERBASIS
PERLAKUAN PANAS
DAFTAR PUSTAKA
10
BAB 2
MATERIAL BAJA SEBAGAI BAHAN DASAR
KOMPONEN PERMESINAN
2.1 Material Baja
Material baja yang banyak digunakan dalam komponen
permesinan adalah paduan besi (Fe) dengan unsur paduan
utama adalah karbon (C ). Karbon mempunyai fungsi
sebagai unsur pengeras pada kisi kristal atom besi, selain
karbon sebagai unsur paduan utama pada baja terdapat unsur
– unsur lain seperti titanium, krom,nikel, vanadium, cobalt,
tungsten dll tergantung pemanfaatannya. Unsur – unsur
paduan pada baja sangat mempengaruhi sifat mekanis baja.
Persentase unsur karbon pada baja memiliki pengaruh
langsung terhadap kekerasan baja. Pada umumnya, baja yang
memiliki kandungan karbon lebih tinggi memiliki kekuatan
tarik dan kekerasan yang lebih besar, tetapi dapat
menurunkan perpanjangan atau keuletan (ductility) sehingga
menurunkan sifat pengerjaan (cenderung mudah retak). Oleh
karena itu penentuan % kadar C harus disesuaikan dengan
pemanfaatan dan kebutuhannya. Secara garis besar pengaruh
dari % C terhadap kekerasan atau kekuatan tarik ditunjukan
pada Gambar 2.1.
11
Kekerasan/Kekuatan Tarik
% Karbon
Gambar 2.1. Pengaruh Kadar C Terhadap Kekerasan dan
Kekuatan Tarik Baja
2.2. Sifat Mekanis Baja
Pemahaman tentang sifat mekanis baja berkaitan erat
dengan proses perlakuan panas yang akan disampaikan.
Untuk komponen permesinan, karakteristik pada baja yang
penting dan harus diperhatikan adalah sifat mekanis baja.
Beberapa indikator sifat mekanis baja yang harus
diperhatikan adalah :
1. Kekuatan (Strenght). Kekuatan adalah kemampuan
maksimum baja untuk menerima tegangan tanpa terjadi
perpatahan.
2. Kekakuan (stiffness). Kekakuan adalah kemampuan
baja untuk menerima tegangan atau beban tanpa
mengakibatkan terjadinya deformasi atau difleksi.
12
3. Kekenyalan (elasticity). Kekenyalan adalah
kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa
mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang
permanen setelah tegangan dihilangkan. Bila baja
mengalami tegangan maka akan terjadi perubahan
bentuk. Apabila tegangan yang bekerja besarnya tidak
melewati batas tertentu maka perubahan bentuk yang
terjadi hanya bersifat sementara, perubahan bentuk
tersebut akan hilang bersama dengan hilangnya
tegangan yang diberikan. Akan tetapi apabila tegangan
yang bekerja telah melewati batas kemampuannya,
maka sebagian dari perubahan bentuk tersebut akan
tetap ada walaupun tegangan yang diberikan telah
dihilangkan. Kekenyalan juga menyatakan seberapa
banyak perubahan bentuk elastis yang dapat terjadi
sebelum perubahan bentuk yang permanen mulai
terjadi, atau dapat dikatakan dengan kata lain adalah
kekenyalan menyatakan kemampuan bahan untuk
kembali ke bentuk dan ukuran semula setelah
menerima beban yang menimbulkan deformasi.
4. Plastisitas (plasticity). Plastisitas merupakan
kemampuan material untuk mengalami perubahan
bentuk secara permanen (deformasi palstis) tanpa
mengalami kerusakan. Material yang mempunyai
13
plastisitas tinggi dikatakan sebagai material yang ulet
(ductile), sedangkan material yang mempunyai
plastisitas rendah dikatakan sebagai material yang
getas (brittle).
5. Keuletan (ductility). Keuletan biasanya diukur dengan
suatu periode tertentu, dalam satuan % yang disebut
sebagai % regangan (strain)
6. Ketangguhan (toughness). Ketangguhan adalah
kemampuan baja untuk menyerap sejumlah energi
tanpa mengakibatkan terjadinya perpatahan atau
kerusakan.
7. Kegetasan (brittleness). Kegetasan adalah kemampuan
baja yang mempunyai sifat berlawanan dengan
keuletan yaitu mengalami perpatahan tanpa ada
indikasi awal.
8. Kelelahan (fatigue). Kelelahan merupakan
kecenderungan baja untuk patah bila menerima beban
bolak-balik (dynamic load) yang besarnya masih jauh
di bawah batas elastisnya.
9. Melar (creep). Kemampuan melar adalah
kecenderungan baja untuk mengalami perubahan
bentuk secara permanen (deformasi plastik) bila
pembebanan yang besarnya relatif tetap dilakukan
dalam waktu yang lama pada suhu yang tinggi.
14
10. Kekerasan (hardness). Kekerasan kemampuan baja
terhadap penekanan atau indentasi atau penetrasi. Sifat
ini berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance)
yaitu ketahanan material terhadap penggoresan atau
pengikisan.
Sifat kekuatan, kekenyalan, kekakuan, ketangguhan,
plastisitas, keuletan dan kegetasan dapat dibaca dari diagram
tarik stress versus strain dimana untuk baja, diagram tersebut
ditunjukan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Diagram Tarik Stress vs Strain Material Baja
15
Batas elastis σE (elastic limit). Pada Gambar 2.2,
batas elastis dinyatakan dengan titik A. Bila sebuah
bahan diberi beban sampai pada titik A, kemudian
bebannya dihilangkan, maka bahan tersebut akan
kembali ke kondisi semula (tepatnya hampir kembali
ke kondisi semula) yaitu regangan “nol” pada titik O.
Tetapi bila beban ditarik sampai melewati titik A,
hukum Hooke tidak lagi berlaku dan terdapat
perubahan permanen dari bahan. Terdapat konvensi
batas regangan permamen (permanent strain)
sehingga masih disebut perubahan elastis yaitu
kurang dari 0.02%, tetapi sebagian referensi
menyebutkan 0.005% . Tidak ada standarisasi yang
universal mengenai nilai ini.
Batas proporsional σp (proportional limit). Pada batas
ini titik sampai di mana penerapan hukum Hooke
masih bisa ditolerir. Tidak ada standarisasi tentang
nilai ini.
Deformasi plastis (plastic deformation) yaitu
perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan
semula. Pada gambar 2.2 yaitu bila bahan ditarik
sampai melewati batas proporsional dan mencapai
daerah landing.
16
Tegangan luluh atas σuy (upper yield stress).
Tegangan luluh atas adalah tegangan maksimum
sebelum bahan memasuki fase daerah landing
peralihan deformasi elastis ke plastis.
Tegangan luluh bawah σly (lower yield stress) yaitu
tegangan rata-rata daerah landing sebelum benar-
benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya
disebutkan tegangan luluh (yield stress), maka yang
dimaksud adalah tegangan ini.
Regangan luluh εy (yield strain) yaitu regangan
permanen saat bahan akan memasuki fase deformasi
plastis.
Regangan elastis εe (elastic strain) yaitu regangan
yang diakibatkan perubahan elastis bahan. Pada saat
beban dilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi
semula.
Regangan plastis εp (plastic strain) yaitu regangan
yang diakibatkan perubahan plastis. Pada saat beban
dilepaskan regangan ini tetap tinggal sebagai
perubahan permanen bahan.
Regangan total (total strain) merupakan gabungan
regangan plastis dan regangan elastis, εT = εe + εp.
Pada titik B arah OABE, regangan yang ada adalah
regangan total. Ketika beban dilepaskan, posisi
17
regangan ada pada titik E dan besar regangan yang
tinggal (OE) adalah regangan plastis.
Tegangan tarik maksimum (UTS, ultimate tensile
strength)ditunjukkan dengan titik C (σß), merupakan
besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji
tarik.
Kekuatan patah (breaking strength) ditunjukkan
dengan titik D, merupakan besar tegangan divmana
bahan yang diuji putus atau patah.
2.3 Pengaruh Unsur Panduan Terhadap Sifat Mekanis
Baja
Baja yang hanya mengandung unsur karbon tidak akan
memiliki sifat seperti yang diinginkan. Penambahan unsur-
unsur paduan lain seperti Si, Mn, Ni, Cr, V, W dan lain
sebagainya dapat menghasilkan sifat-sifat baja yang
diinginkan. Pengaruh penambahan beberapa unsur paduan
terhadap sifat baja adalah:
1. Silikon (Si). Unsur silikon mempunyai pengaruh
menaikkan tegangan tarik dan menurunkan kecepatan
pendinginan kritis (laju pendinginan minimal yang
dapat menghasilkan 100% martensit).
2. Mangan (Mn). Unsur mangan dalam proses
pembuatan baja berfungsi sebagai deoxider (pengikat
18
O2) sehingga proses peleburan dapat berlangsung baik.
Kadar Mn yang rendah dapat menurunkan pendinginan
kritis.
3. Nikel (Ni). Unsur nikel memberikan pengaruh sama
dengan Mn yaitu menurunkan suhu kritis dan
kecepatan kritis. Ni membuat struktur butiran manjadi
halus dan menambah keuletan.
4. Khrom (Cr). Unsur krom meningkatkan kekuatan tarik
dan keplastisan, menambah mampu keras,
meningkatkan daya tahan terhadap korosi dan tahan
suhu tinggi.
5. Vanadium (V) dan Wolfram (W). Unsur vanadium dan
wolfram membentuk karbida yang sangat keras dan
menyebabkan baja memiliki kekerasan yang tinggi.
Kekerasan dan tahan panas yang cukup tinggi pada
baja sangat diperlukan untuk mesin pemotong dengan
kecepatan tinggi.
2.4 Diagram Fasa Fe-Fe3C
Dalam mempelajari proses perlakuan panas sangat
penting untuk memahami terlebih dahulu diagram fasa Fe-
Fe3C. Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat
penting untuk memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja
karbon. Diagram ini ditunjukan pada Gambar 2.3.
19
Gambar 2.3. Diagram Fasa Fe-Fe3C
Karbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat
(solution) hingga 0,022% berat pada temperatur ruang. Baja
dengan atom karbon terlarut hingga jumlah tersebut memiliki
alpha ferrite pada temperatur ruang. Pada kadar karbon lebih
dari 0,022% akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk
hard intermetallic stoichiometric compound (Fe3C) yang
dikenal sebagai cementite atau carbide. Selain larutan padat
alpha-ferrite yang dalam kesetimbangan dapat ditemukan
pada temperatur ruang, terdapat fase-fase penting lainnya,
yaitu delta-ferrite dan gamma-austenite. Logam Fe bersifat
20
polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada
temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, alpha-ferrite
akan berubah menjadi gamma-austenite saat dipanaskan
melewati temperature 912°C. Pada temperatur yang lebih
o
tinggi, mendekati 1400 C gamma-austenite akan kembali
berubah menjadi delta-ferrite. Alpha dan Delta Ferrite dalam
hal ini
memiliki struktur kristal BCC sedangkan (Gamma) Austenite
memiliki struktur kristal FCC.
2.5 Struktur Kristal
Kristal logam adalah susunan atom yang teratur
dimana keteraturannya akan membentuk pola 3 dimensi.
Bentuk pola 3 dimensi tersebut dapat diilustrasikan
memenuhi sumbu x, y dan z membentuk sistem tertentu
(kristalografi). Di alam terdapat 7 macam sistem kristal dan
14 kisi kristal sebagai berikut (Gambar 2.4) :
21
Gambar 2.4. Sistem dan Kisi Kristal
Posisi atau lokasi atom-atom di dalam sistem kristal
membentuk struktur kristal, di mana struktur yang mayoritas
dimiliki oleh baja adalah Face Centered Cubic (FCC), Body
Centered Cubic (BCC) dan Closed Packed Hexagonal
(CPH) seperti ditunjukan pada Gambar 2.5 sampai dengan
2.7
22
Gambar 2.5 Struktur Kristal Face Centered Cubic
Gambar 2.6. Struktur Kristal Body Centered Cubic
Gambar 2.7. Struktur Kristal Closed Packed Hexagonal
23
Pentingnya memahami struktur kristal ini adalah ada
hubungannya dengan sifat mekanis yang dimiliki oleh fasa-
fasa baja yang terdapat pada diagram Fe-Fe3C. Logam
dengan struktur kristal yang memiliki kerapatan atom yang
tinggi (FCC = 0,74) mempunyai kekerasan dan kekuatan
yang lebih rendah daripada logam dengan struktur kristal
yang memiliki kerapatan atom yang rendah (BCC dan CPH
= 0,68).
2.6 Ferrite
Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki
struktur BCC (body centered cubic). Ferrite dalam keadaan
setimbang dapat ditemukan pada temperatur ruang, yaitu
alpha-ferrite atau pada temperatur tinggi, yaitu delta-ferrite.
Secara umum fase ini bersifat lunak (soft), ulet (ductile), dan
magnetik (magnetic) hingga temperatur tertentu, yaitu Tcurie.
Kelarutan karbon di dalam fase ini relatif lebih kecil
dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam fase larutan
padat lain di dalam baja, yaitu fase Austenite. Pada
temperatur ruang, kelarutan karbon di dalam alpha-ferrite
hanyalah sekitar 0,022%. Berbagai jenis baja dan besi tuang
dibuat dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Baja
lembaran berkadar karbon rendah dengan fase tunggal ferrite
misalnya, banyak diproduksi untuk proses pembentukan
24
logam lembaran. Dewasa ini bahkan telah dikembangkan
baja berkadar karbon ultra rendah untuk karakteristik mampu
bentuk yang lebih baik. Kenaikan kadar karbon secara umum
akan meningkatkan sifat mekanik ferrite sebagaimana telah
dibahas sebelumnya. Untuk paduan baja dengan fase tunggal
ferrite, faktor lain yang berpengaruh signifikan terhadap
sifat-sifat mekanik adalah ukuran butir. Tampilan morfologi
ferrite ditunjukan pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8. Struktur Mikro Ferrite (Ferit)
2.7 Pearlite
Pearlite adalah suatu campuran lamellar dari ferrite
dan cementite. Konstituen ini terbentuk dari dekomposisi
Austenite melalui reaksi eutectoid pada keadaan setimbang,
25
di mana lapisan ferrite dan cementite terbentuk secara
bergantian untuk menjaga keadaan kesetimbangan komposisi
eutectoid. Pearlite memiliki struktur yang lebih keras
daripada ferrite, yang terutama disebabkan oleh adanya fase
cementite atau carbide dalam bentuk lamel-lamel. Tampilan
morfologi pearlite ditunjukan pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9. Struktur Mikro Pearlite
2.8 Austenite
Fase Austenite memiliki struktur atom FCC (Face
Centered Cubic). Dalam keadaan setimbang fase Austenite
ditemukan pada temperatur tinggi. Fase ini bersifat non
magnetik dan ulet (ductile) pada temperatur tinggi. Kelarutan
atom karbon di dalam larutan padat Austenite lebih besar jika
26
dibandingkan dengan kelarutan atom karbon pada fase
Ferrite. Secara geometri, dapat dihitung perbandingan
besarnya ruang intertisi di dalam fase Austenite (atau kristal
FCC) dan fase Ferrite (atau kristal BCC). Perbedaan ini
dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena transformasi
fase pada saat pendinginan Austenite yang berlangsung
secara cepat. Selain pada temperatur tinggi, Austenite pada
sistem Ferrous dapat pula direkayasa agar stabil pada
temperatur ruang. Elemen-elemen seperti Mangan dan
Nickel misalnya dapat menurunkan laju transformasi dari
gamma-austenite menjadi alpha-ferrite. Dalam jumlah
tertentu elemen-elemen tersebut akan menyebabkan
Austenite stabil pada temperature ruang. Daerah temperatur
di mana austenite berada merupakan acuan untuk penetapan
temperatur perlakukan panas baja, sehingga temperatur
perlakuan panas baja disebut dengan temperature autenisasi.
Besarnya temperatur austenisasi untuk baja dapat dilihat
pada diagram fasa Fe-Fe3C. Tampilan morfologi austenite
ditunjukan pada Gambar 2.10.
27
Gambar 2.10. Struktur Mikro Austenite
2.9 Cementite
Cementite atau carbide dalam sistem paduan berbasis
besi adalah stoichiometric inter-metallic compund Fe3C
yang keras (hard) dan getas (brittle). Nama cementite berasal
dari kata caementum yang berarti stone chip atau lempengan
batu. Cementite sebenarnya dapat terurai menjadi bentuk
yang lebih stabil yaitu Fe dan C sehingga sering disebut
sebagai fase metastabil. Namun, untuk keperluan praktis,
fase ini dapat dianggap sebagai fase stabil. Cementite sangat
penting perannya di dalam membentuk sifat-sifat mekanik
akhir baja. Cementite dapat berada di dalam sistem besi baja
dalam berbagai bentuk seperti: bentuk bola (sphere), bentuk
lembaran (berselang seling dengan alpha-ferrite), atau
partikel-partikel carbide kecil. Bentuk, ukuran, dan distribusi
karbon dapat direkayasa melalui siklus pemanasan dan
28
pendinginan. Jarak rata-rata antar karbida, dikenal sebagai
lintasan Ferrite rata-rata (Ferrite Mean Path), adalah
parameter penting yang dapat menjelaskan variasi sifat-sifat
besi baja. Variasi sifat luluh baja diketahui berbanding lurus
dengan logaritmik lintasan ferrite rata-rata. Tampilan
morfologi cementite ditunjukan pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11. Struktur Mikro Cementite
2.10 Martensite
Martensite adalah mikro konstituen yang terbentuk
tanpa melalui proses difusi. Konstituen ini terbentuk saat
Austenite didinginkan secara sangat cepat, misalnya melalui
proses quenching pada medium air. Transformasi
berlangsung pada kecepatan sangat cepat, mendekati orde
kecepatan suara, sehingga tidak memungkinkan terjadi
proses difusi karbon. Transformasi martensite
diklasifikasikan sebagai proses transformasi tanpa difusi
yang tidak tergantung waktu (diffusionless time-independent
29
transformation). Martensite yang terbentuk berbentuk seperti
jarum yang bersifat sangat keras (hard) dan getas (brittle).
Fase martensite adalah fase metastabil yang akan
membentuk fase yang lebih stabil apabila diberikan
perlakuan panas. Martensite yang keras dan getas diduga
terjadi karena proses transformasi secara mekanik (geser)
akibat adanya atom karbon yang terperangkap pada struktur
kristal pada saat terjadi transformasi polimorf dari FCC ke
BCC. Hal ini dapat dipahami dengan membandingkan batas
kelarutan atom karbon di dalam FCC dan BCC serta ruang
intertisi maksimum pada kedua struktur kristal tersebut.
Tampilan struktur mikro martensite ditunjukan pada Gambar
2.12.
Gambar 2.12. Struktur Mikro Martensite
30
2.11 Bainite
Bainite adalah struktur ferrite dan cementite yang
berbentuk lidi atau plat tergantung pada temperatur
transformasinya. Struktur ini sangat halus sehingga
resolusinya hanya bisa dilihat dengan mikroskop elektron.
Temperatur pembentukan bainite terjadi di bawah temperatur
o
pembentukan pearlite yaitu di antara temperatur 215 C –
o
540 C. Laju pembentukan bainite akan naik dengan naiknya
temperatur. Bainite terdiri dari ferrite lancip (seperti jarum)
dengan partikel cementite sangat kecil yang tersebar di
seluruh ferrite. Bainite bertransformasi menjadi iron dan
cementite dengan waktu dan temperatur yang memadai (semi
o
stable di bawah 150 C). Tampilan morfologi bainite
ditunjukan pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13. Struktur Mikro Bainite
31
2.12 Diagram Time Temperatur Transformation (TTT)
Dalam melakukan proses perlakuan panas baja guna
memperbaiki sifat mekanis baja , disamping membutuhkan
diagram fasa Fe-Fe3C untuk mengetahui temperatur
pemanasan, dibutuhkan juga diagram Time Temperature
Transformation (TTT) guna mengetahui struktur mikro / fasa
yang terbentuk dari hasil perlakuan panas berdasarkan
variasi laju pendinginannya.
Diagram TTT merupakan diagram yang
menggambarkan hubungan antara fasa atau struktur yang
terbentuk setelah terjadinya transformasi fasa akibat
perubahan temperatur dan waktu. Diagram TTT ini biasa
disebut juga dengan isothermal transformation diagram atau
IT diagram. Isothermal menunjukkan temperatur yang tetap.
Jadi perubahan fasa terjadi pada temperatur yang konstan.
Dalam kenyataannya proses-proses perlakuan panas baja
dilakukan dengan laju pendinginan yang kontinyu. Oleh
karenanya diagram TTT sering menjadi tidak relevan untuk
mengetahui kecepatan transformasi awal dan akhir. Selain itu
temperatur pembentukan struktur baru tidak sesuai dengan
keadaan yang sebenarnya. Kekurangan tersebut dapat
dieliminasi dengan diagram yang disebut dengan Continuous
Cooling Transformation (CCT) diagram.
32
Diagram TTT digunakan untuk membantu perencanaan
siklus perlakuan panas baja, memprediksi kekerasan dan
struktur mikro baja dan digunakan untuk memperoleh
spesifikasi atau sifat-sifat mekanis baja yang diinginkan.
Bentuk diagram TTT sangat tergantung pada % unsur-unsur
pembentuk baja. Salah satu contoh pemanfaatan diagram
TTT dijelaskan pada Gambar 2.14.
Gambar 2.14. Diagram TTT untuk Baja dengan % Karbon
Tertentu
33
Dari Gambar 2.14 diketahui bahwa pada temperatur di atasu
o
garis Ae1 (723 C) fasa austenite dalam keadaan stabil.
Daerah sebelah kiri kurva mulai terjadi transformasi (A)
terdiri dari fasa austenite yang tidak stabil. Daerah sebelah
kanan, akhir transformasi (B) adalah daerah hasil
transformasi austenite pada temperatur tetap (isothermal).
Daerah antara kurva mulai sampai kurva akhir transformasi
(C) terdiri dari 3 fasa yaitu austenite, ferrite dan carbide atau
austenite + fasa (struktur) produk yang sedang
bertransformasi. Titik jauh dari kurva mulai transformasi
disebut “hidung” diagram. Garis Ms menunjukkan
temperatur awal terjadinya transformasi austenite menjadi
martensite. Garis Mf merupakan temperatur akhir
transformasi austenite menjadi martensite. Hasil transformasi
di atas hidung diagram adalah pearlite. Struktur pearlite
merupakan struktur lamellar yaitu lapisan ferrite dan
cementite saling bergantian atau selang seling. Sedikti di
bawah temperatur Ae1 terbentuk pearlite kasar dan di bawah
temperatur pearlite kasar, austenite bertransformasi menjadi
pearlite halus. Cara menggunakan diagram ini adalah dengan
memplot garis pendinginan yang didisain pada diagram TTT.
Setelah itu dilakukan pengamatan terhadap garis pendinginan
yang diplot, garis tersebut berada pada daerah struktur mikro
yang mana. Ada kalanya 1 garis pendinginan menghasilkan
34
lebih dari 1 fasa atau struktur mikro seperti ditunjukkan pada
Gambar 2.15.
Gambar 2.15. Plot Garis Pendinginan pada Diagram TTT Baja
pada % Karbon Tertentu
Gambar 2.15 menunjukkan hubungan antara struktur mikro
yang terbentuk dengan garis pendinginan yang didisain
sebagai berikut :
1. Garis pendinginan (a) menghasilkan struktur mikro
ferrite dan pearlite
2. Garis pendinginan (b) menghasilkan struktur mikro
ferrite, pearlite, martensite dan bainite
3. Garis pendinginan ( c) menghasilkan struktur mikro
martensite
35
[Halaman Ini Sengaja Dikosongkan]
36
BAB 3
TEORI DASAR PERLAKUAN PANAS
3.1 Pengertian Perlakuan Panas Baja
Perlakuan panas pada baja adalah proses pemanasan,
penahanan temperatur dan pendinginan material baja yang
terkontrol dengan maksud untuk mengubah sifat mekanis
untuk tujuan tertentu. Perubahan sifat tersebut terjadi karena
ada perubahan struktur mikro selama proses pemanasan dan
pendinginan dimana sifat logam ataupaduan sangat
dipengaruhi oleh struktur mikro. Secara umum tahapan
proses perlakuan panas adalah sebagai berikut:
1. Pemanasan material sampai suhu tertentu dengan
kecepatan tertentu pula. Temperatur awal perlakuan
panas diketahui dari diagram fasa Fe-Fe3C pada %
karbon tertentu yang dikandung oleh baja yaitu pada
daerah fasa austenite sehingga temperatur tersebut
dinamakan dengan temperatur austenisasi.
2. Mempertahankan suhu untuk waktu tertentu sehingga
temperaturnya merata. Tahap ini disebut dengan
holding time.
3. Pendinginan dengan media pendingin (air, oli, udara
atau di dalam dapur pemanas) sampai mencapai
temperature kamar.
37
Besaran waktu, temperatur dan media pendingin dari 3
indikator di atas tergantung dari material yang akan di heat
treatment dan sifat-sifat mekanis yang diharapkan.
Berdasarkan 3 indikator tersebut, siklus perlakuan panas
untuk baja ditunjukkan pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1. Siklus Panas Perlakuan Panas Baja
Bentuk dari siklus panas dipengaruhi oleh jenis benda kerja,
komposisi kimia, dimensi dan sifat akhir yang diinginkan.
Misalnya % komposisi kimia terutama C akan
mempengaruhi temperatur pemanasan (diketahui dari
diagram fasa Fe-Fe3C), dimensi benda kerja akan
mempengaruhi waktu penahanan pada temperature konstan
(holding time), sifat akhir yang diinginkan dipengaruhi oleh
laju pendinginan yang didisain. Khusus untuk penentuan
38