I. BESI DAN BAJA

PENDAHULUAN

Besi dan baja merupakan bahan yang paling banyak

digunakan sebagai bahan industri, karena selain disebabkan oleh

nilai ekonomis bahan ini juga memiliki berbagai sifat yang berfariasi.

Baja karbon rendah merupakan produk utama dalam produksi besi

dan baja. Dari unsur besi berbagai bentuk struktur logam dapat

dibuat, itulah sebabnya mengapa besi dan baja disebut dengan

bahan yang kaya dengan sifat-sifat.

A. Diagram Fasa Besi Karbon

Analisa termal ini selain untuk mengetahui titik lebur juga untuk

menginformasikan perubahan struktur kristal yang terjadi dalam

keadaan padat. Logam murni membeku pada temperatur tertentu

yang tetap, sehingga jika temperatur logam diukur setelah

serangkaian interval waktu yang sama, didapat pendinginan seperti

pada Gambar 1-1. Perubahan fase dari cair ke padat ditandai

evolusi panas peleburan yang menyebabkan terbentuknya garis

horizontal pada kurva pendinginan. Demikian juga bila perubahan

struktur kristal terjadi pada keadaan padat, panas peleburan akan

menyertai transformasi dan diskontinuitas kembali terlihat pada

kurva pendinginan. Untuk meningkatkan kepekaan pendeteksian

laju transisi, kurva dibuat dengan diagran dt/dT vs T.

2

Gambar 1-1 Kurva pendinginan ideal untuk logam murni

Selain karbon pada besi dan baja mengandung kira-kira 0,

25% Si, 0,3 – 1,5% Mn dan unsur pengotor lain seperti P, S dan

sebagainya. Unsur-unsur ini tidak mempengaruhi diagram fasa,

maka diagram fasa tersebut dapat dipergunakan tanpa

menghiraukan adanya unsur-unsur tersebut.

Pada paduan besi karbon terdapat fasa karbida yang disebut

sementit dan juga grafit. Gambar 1-2. menunjukkan diagram

kesetimbangan besi karbon sebagai dasar dari bahan Fe-Fe3C

yang berupa besi baja. Titik-titik penting pada diagram ini adalah:

Titik cair

Waktu

Suh

u

3

A: Titik besi Cair B: Titik pada cairan yang ada hubungannya dengan reaksi peritektik. H: Larutan padat ∂ yang ada hubungan dengan reaksi peritektik.

Kelarutan Karbon maksimum adalah 0,10% J: Titik peritektik. Selama pendinginan austenit pada komposisi J,

fasa γ terbentuk dari larutan padat ∂ pada komposisi H dan cairan pada komposisi B.

Gambar 1-2 Diagram Keseimbangan Besi Karbon

600

500

400

200

100

300

0

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0

H A

N

B

J

Sistim meta stabil Sistim stabil

E2,11% o

E2,14% 1147oC

738oC

A1727oC

D

D

C 4,32%

G911

oC

Te

mpe

ratu

r (o C

) 1500

1400

1600

1100

1000

1300

1200

700

900

800

δ

A2780oC

0,69% S’

S0,765%

P0,0208%

P0, 0218%

A0213o

F’

F

K’

K

1550

1450

1500

N 1392 oC

0,18%

1400

J

A

B 0,51%

δ

1494 oC 1536 oC

0,2 0,4 0,6 0,8

C (%) C (%)

L

L

4,28% C’

γ

H

4

N: Titik transformasi dari besi ∂ ↔besi γ, titik transformasi ini dari besi murni.

C: Titik eutektik. Selama pendinginan fasa γ dengan komposisi E dan sementit pada komposisi F (6,67%C) terbentuk dari ciran pda komposisi C. Fasa eutektik disebut ledeburit.

E: Titik yang menyatakan fasa γ, ada hubungannya dengan reaksi eutetik.

Kelarutan maksimum dari karbon 2,14%. Paduan besi karbon sampai pada komposisi ini disebut baja.

G: Titik transformasi besi γ ↔ besi α. P: Titik yang menyatakan ferit, fasa α, ada hubungan dengan reaksi

eutektoid. Kelarutan maksimum dari karbon kira-kira 0,025%. S: Titik eutektoid. Selama pendinginan, ferit pada komposisi P dan

sementit pada komposisi K ( sama dengan F) terbentuk simultan dari austentit pada komposisi S.

GS: Garis yang menyatakan hubungan antara temperatur dan komposisi, dimana mulai terbentuk perlit dari austenit.

ES: Garis yang menyatakan hubungan antara temperatur dan komposisi; dimana mulai terbentuk sementit dan austernit.

Baja yang berkadar karbon, komposisi eutektoid dinamakan

baja eutektoid, yang berkadar karbon kurang dari komposisi

eutektoid disebut baja hipoeutektoid, dan yang berkadar karbon

lebih dari komposisi eutektoid disebut baja hipereutektoid. Gambar

1-3 menunjukkan struktur mikro baja apabila baja didinginkan

perlahan-lahan dari 50-1000C diatas garis GS (A3) dan garis SE

(Acm) pada Gambar 1-2.

Pada baja eutektoid transformasi terjadi pada titik tetap S,

menjadi struktur yang disebut perlit. Pada baja hipereutektoid

terbentuk fasa ferlit mendekati besi murni yang komposisinya sama

dengan P dan perlit, sedangkan pada hipereutektoid terbentuk perlit

dan sementit pada batas butir.

5

Gambar 1-3. Struktur Mikro Baja Carbon

Pada Gambar 1-3 ditunjukkan bahwa: (a): 0,06 % C, besar butir medium (ASTM No. 7) x 100; (b): 0,25 % C baja dinormalkan pada 9300 C x 500; (c): 0,30 % C baja diaustenitkan pada 9300 C

ditransformasikan isotermal pada 7000C, ferit dan perlit kasar x 1000;

(d): 0,45 % C baja dinormalkan pada 8400 C, ferit dan perlit x 500;

(e): 0,80 % C baja diaustenitkan pada 11500 C, didinginkan di tungku x 2000;

(f): 1,0 % C baja dirol panas pada 1050 C, pendinginan udara, matriks perlit, sementit pada batas butir (garis putih) x 500.

6

B. Perubahan Struktur pada Perlakuan Panas

Besi dan baja diharapkan mempunyai kekuatan statik dan

dinamik, ulet, mudah diolah, tahan korosi dan mempunyai sifat

elektromagnet agar dapat dipakai sebagai bahan untuk konstruksi

dan permesinan. Dilihat dari transformasi ada tiga macam baja

yaitu:

1) Baja dengan titik transformasi A1, berupa ferit dibawah A1, dan

austenit pada A3, atau diatas A1.

2) Baja dengan titik transformasi A1 dibawah temperatur kamar,

berupa austenit pada temperatur kamar.

3) Baja dengan daerah austenit yang kecil, berupa ferit sampai

temperatur tinggi pada daerah komposisi tertentu.

Baja yang tergolong 1) berupa ferit pada temperatur kamar

(dalam keseimbangan), dapat diproses menjadi berbagai struktur

dengan jalan perlakuan panas. Struktur tersebut dapat dilihat pada

Tabel 1-1. Fasa-fasa tersebut memiliki sifat-sifat khas. Ferit

mempunyai sel satuan kubus pusat badan atau body centered cubic

(bcc), menunjukkan titik mulur yang jelas dan menjadi getas pada

temperatur rendah. Austenit mempunyai sel satuan kubus pusat

muka atau face centered cubic (fcc) menunjukkan titik mulur yang

jelas tanpa kegetasan pada keadaan dingin. Akan tetapi bila berupa

fasa metastabil bisa berubah menjadi α ’ pada temperatur rendah

dengan pengerjaan. Martensit adalah fasa larutan padat lewat jenuh

dari karbon dalam sel satuan tetragonal pusat badan atau body

centered tetragonal (bct). Makin tinggi derajad kejenuhan karbon,

makin besar perbandingan sumbu sel satunya dan makin keras

serta makin getas martensit tersebut. Bainit memiliki sifat-sifat

antara martensit dan ferit.

7

Sesuai dengan keaneka ragaman strukturnya, maka dapat

diperoleh berbagai sifat baja termasuk kekuatan dan keuletan.

Faktor-faktor yang menentukan sifat-sifat mekanik adalah macam

fasa, kadar unsur paduan dalam fasa, banyak fasa, ukuran dan

bentuk senyawa. Untuk mendapatkan sifat-sifat mekanik yang

diinginkan perlu mendapat struktur yang cocok dengan komposisi

kimia dan perlakuan panas yang tepat.

Tabel 9-1 Fasa-fasa pada baja

Fasa dan simbol Struktur Pengelasan

Me

nuru

t kr

ista

l

Austenit (γ )

Ferit (α )

Bainit (α )

Martensit (α ’)

fcc

bcc

bcc

bct

Paramagnetik dan stabil pada temperatur tinggi. Stabil pada temperatur rendah, kelarutan pada terbatas, dapat berada bersama Fe3C (sementit) atau lainnya. Austenit metastabil didinginkan dengan laju pendinginan cepat tertentu. Terjadi hanya presipitasi Fe3C, unsur paduan lainnya tetap larut. Fasa metastabil terbentuk dari laju pendinginan cepat, semua unsur paduan masih larut dalam keadaan padat.

Me

nuru

t ke

ada

an Perlit

Widmanstaetten

Dedrit

Sorbit

Torstit

Lapisan ferit dan Fe3C. γ danα dalam orientasi pada persipitasi ferit. Berbentuk cabang-cabang seperti pohon, struktur ini terbentuk karena segregesi karbon pada pembekuan. Sorbit adalah perlit halus dan trostit adalah bainit. Nama ini tidak banyak dipakai.

C. Heat treatment

Heat treatment adalah proses pemanasan dan pendinginan

yang terkontrol dengan maksud mengubah sifat fisik dari lagam.

Heat treatment secara umum dilakukan dengan cara:

1) Pemanasan sampai suhu dan kecepatan yag tertentu.

8

2) Mempertahankan suhu untuk waktu tertentu sehingga

temperaturnya merata.

3) Pendinginan dengan media pendingin (air, minyak, atau udara).

Ketiga hal tersebut tergantung dari sifat-sifat yang diinginkan.

Syarat-syarat heat treatment

1) Suhu pemanasan harus baik secara teratur dan merata.

2) Alat ukur suhu hendaknya seteliti mungkin.

Klasifikasi proses heat treatment

Secara umum heat treatment dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

Anneling

Normalizing

Hardening

Tempering

Gambar 1-4. Diagram suhu heat treatment untuk baja karbon biasa.

Normalizing

Full anneling And hardening

Tem

peri

ng

500

600

700

800

900

1000

% Carbon

A1

A3

°C

ACm

0 02 04 06 08 10 12 14 16 . . . . . . . . .

Process anneal

9

Anneling

Anneling adalah salah satu proses heat treatment yang dapat

digunakan untuk:

1) Mengurangi kekerasan.

2) Menghilangkan tegangan sisa.

3) Memperbaiki kekuatan.

4) Memperbaiki ductility.

5) Menghaluskan ukuran butiran.

Macam-macam proses annealing:

a. Full annealing.

b. Recrystallisation annealing.

c. Strees relief annealing.

d. Spheroidization.

a. Full annealing

Tujuan :

Untuk mengubah bentuk lapisan sementit didalam-pearlit dan

sementit pada batasan-batasan butiran dari baja karbon tinggi

menjadi bentuk spheroidical (bentuk bola).

Proses :

Untuk baja hypoeutectoid (< 0,83%C), baja dipanaskan 30 -

60°C (50 - 100°F) diatas temperatur A3, kemudian ditahan beberapa

saat, baru didinginkan didalam dapur dengan kecepatan pendingin

10 - 30°C di bawah A1, kemudian didinginkan di udara.

Untuk baja hyper eutectoid (> 0,83%C), pada dasarnya sama

dengan baja hypo eutectoid, kecuali pada permulaan pemanasan

10

hanya sampai daerah austenit + sementit, yaitu pada temperatur

sekitar 30 - 60°C di atas A1.

b. Recrystallisation annealing

Tujuan :

Melunakkan baja hasil pengerjaan, karena adanya rekristalisasi dan

pengembangan bentuk strukturnya.

Penggunaan :

Untuk baja hasil pengerjaan dingin yang berat.

Proses :

Baja dipanaskan pada suhu kira-kira 700°C (sedikit di bawah

temperatur A1), tahan pada temperatur tersebut utuk mencapai

kelunakan, kemudian didinginkan dengan kecepatan tertentu

(biasanya di udara).

Hasil :

- Menghasilkan baja/benda kerja dengan permukaan yang

halus (tidak bersisik).

- Mempermudah pengerjaan cold working tanpa mengalami

keretakkan.

c Stress-relief annealing

Tujuan :

Untuk menghilangkan sisa (tegangan dalam) dalam baja tuang yang

tebal, juga pada logam yang sudah mengalami pengelasan.

Proses :

Benda kerja dipanaskan sampai suhu di bawah A1 (550 – 650) °C

dipertahankan beberapa saat kemudian didinginkan perlahan-lahan.

11

Hasil :

Memperbaiki sifat mampu mesin.

d. Spherodization

Tujuan :

Membentuk/menghaluskan struktur sementit dengan

menghancurkan bentuk spheroids (bulatan kecil) dalam kandungan

ferrit.

Proses :

1. Memperpanjang waktu pemanasan pada suhu tepat di

bawah A1, diikuti dengan pendinginanyang lambat.

2. Memperpanjang periode di sekitar suhu A1 yaitu sedikit di

atas dan di bawahnya.

3. Untuk tool steel atau high alloy steel, pemanasan antara

750 - 800°C atau lebih tinggi dan dipertahankan pada suhu

tersebut untuk beberapa jam, diikuti oleh pendinginan yang

perlahan-lahan.

Hasil :

Benda mudah dimesin.

Normalizing

Tujuan :

Untuk mendapatkan struktur butiran yang halus dan seragam, juga

utuk menghilangkan tegangan dalam.

Pemakaian :

Untuk baja-baja konstruksi, baja rol, material yang mengalami

penempaan, tidak mempunyai struktur yang sama karena jumlah

12

beban tidak sebanding dan karena perubahan bentuk pada tahap-

tahap pendinginan yang tidak merata untukbenda yang

ketebalannya tidak sama.

Proses :

Memanaskan sampai sedikit di atas suhu kritis (± 60°C di atas suhu

kritis atas), kemudian setelah suhu merata didinginkan di udara.

Hasil :

Diperoleh sifat mampu mesin.

Gambar 1-5 Diagram suhu-waktu untuk proses normalizing Hardening Tujuan :

Merubah struktur baja sedemikian rupa sehingga diperoleh struktur

martensit yang keras.

Proses :

Baja dipanaskan sampai suhu tertentu antara 770 - 830°C

(tergantung dari kadar karbon) kemudian ditahan pada suhu

Tem

pera

tur

suhu normalizing

pendinginan perlahan

13

tersebut beberapa saat, kemudian didiginkan secara mendadak

dengan mencelupkan dalam air oli atau media pendingin yang lain.

Dengan pendinginan yang mendadak, tak ada waktu yang

cukup bagi austenit untuk berubah menjadi perlit dan ferit atau perlit

dan sementit.

Pendinginan yang cepat menyebabkan austenit berubah menjadi

martensit.

Hasil :

Kekerasan tinggi, kekenyalan (ductility) rendah.

Gambar 1-6. Diagram suhu-waktu untuk proses hardening

Pengerasan permukaan :

Seringkali komponen-komponen baja didinginkan hanya keras pada

permukaannya saja sedangkan inti atau porosnya tetap lunak, hal

ini memberikan kombinasi yang serasi antara permukaan yang

tahan pakai dan poros yang ulet.

Waktu

Tem

pera

tur

Temperatur hardening

Pendinginan cepat

14

Tujuan :

Menghasilkan lapisan permukaan yang keras pada baja yang

dianggap lunak dan ulet.

Umumnya, pengerasan permukaan dibagi menjadi tiga proses :

a) Carburuzing / penambahan karbon.

b) Flame hardening.

c) Nitriding / penambahan nitrogen.

Carburizing

Proses carburuzing didasarkan atas kemampuan baja untuk

menyerap karbon pada temperatur antara 900 - 950°C. Carburizing

adalah salah satu metoda yang digunakan untuk menghasilkan

permukaan keras pada baja yang berkadar karbon rendah (0,3 %).

Dengan proses ini didapat lapisan baja dengan kadar karbon 0,3 – 1

%, dengan tebal antara 0,1 – 2,5 mm tergantung lamanya

pemanasan (lihat Gambar 1-7)

Gambar 1-7. Grafik hubungan antara lama pemanasan

dengan tebal lapisan karbon.

. . . . . . 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

50 40 30 20 10

900°C

950°C

15

Proses Carburizing :

Baja yang akan diproses dimasukkan ke dalam peti yang

berisi arang kayu atau batu bara dan batrium karbonat. Setelah

suhu dan waktu pemanasan tercapai (tergantung ketebalan dan

kekerasan yang diinginkan), dapur kemudian dimatikan, setelah

mencapai suhu kira-kira 350°C, kotak kemudian dikeluarkan dan

selanjutnya didinginkan di udara.

Gambar 1-8. Penyusunan benda pada pelaksanaan carburizing.

Tempering

Tempering adalah memanaskan kembali baja yang telah

dikeraskan untuk menghilangkan tegangan dalam dan mengurangi

kekerasan. Prosesnya dengan memanaskan kembali berkisar pada

X = Jarak antara benda minimum 30 mm

X

Lapisan yang tercarburizing

16

suhu 150 - 650°C dan didinginkan secara perlahan-lahan tergantung

sifaf akhir baja tersebut.

Tempering dibagi dalam :

a. Tempering pada suhu rendah (150 - 300°C)

Tujuannya hanya untuk mengurangi tegangan-tegangan kerut

dan kerapuhan dari baja. Proses ini digunakan untuk alat-alat kerja

yang tak mengalami beban yang berat, seperti misalnya, alat-alat

potong, mata bor yang dipakai untuk kaca, dan lain-lain.

b. Tempering pada suhu menengah (300-500°C)

Tujuannya, menambah keuletan, dan kekerasannya menjadi

sedikit berkurang. Proses ini digunakan pada alat-alat kerja yang

mengalami beban berat, seperti palu, pahat, pegas-pegas.

c. Tempering pada suhu tinggi (500-650°C)

Tujuannya untuk memberikan daya keuletan yang besar dan

sekaligus kekerasan menjadi agak rendah. Proses ini digunakan

pada roda gigi, poros, batang penggerak, dan lain-lain.

Gambar 1-9. Diagram suhu-waktu untuk proses hardening dan

tempering

Waktu

Tem

pera

tur

Temperatur hardening

Pendinginan cepat

Pendinginan perlahan

17

Diagram T - T - T.

Pelaksanaan perlakuan panas terhadap baja melibatkan

penggunaan bermacam-macam kecepatan pendinginan. Meskipun

pengaruh waktu tidak terlihat secara jelas pada diagram besi – zat

arang. Dengan demikian studi tentang phenomena transformasi

menjadi penting dan phase transformasi untuk bermacam-macam

baja dicata dengan hubungannya terhadap perubahan waktu dan

temperatur. Hal ini disajikan dengan diagram transformasi

isothermal, gambar 1.9. untuk suatu baja perkakas. Diagram ini

disebut kurva TTT ( waktu-temperatur-transformasi) atau kadang-

kadang juga disebut curva S sesuai dengan bentuk garisnya.Tipe

diagram ini menunjukkan pembentukan struktur jika suatu baja

didinginkan dari temperatur austenit atau pengerasan ke temperatur

yang diberikan (ditunjukkan oleh ordinatnya dan untuk selang waktu

tertentu (dibaca pada absis). Curva-curva juga menunjukkan

temperatur relatif, waktu yang dibutuhkan untuk awal dan akhir

transformasi dari austenit. Diagram ini juga mencatat temperatur

pada mana martensit terbentuk.

18

Gambar 1- 10. Diagram T-T-T suatu baja perkakas dengan 0,8 % C, 0,8% Mn setelah pemanasan sampai temperatur 750°°°°C

Evaluasi

a. Gambarkan diagram keseimbangan besi-karbon

b. Jelaskan perbedakan struktur mikro dari kesembilan jenis baja

karbon

c. Jelaskan perubahan struktur baja karbon pada perlakuan

panas

d. Jelaskan yang dimaksud dengan heat treatment, termasuk di

dalamnya terdapat proses:

1) Anneling,

2) Normalizing,

3) Hardening, dan

4) Tempering

800

700

600

500

400

300

200

100 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10 102

Waktu (Jam)

F + C

50% 50%

M

A Tra

nsfo

rmas

i Tem

pera

tur °C

Keterangan: A = Austenit M = Martensit F + C = Ferit + Cementit

19

Daftar Pustaka

Shackelford, James F..1992. Introcduction to Materials Science for Engineers, New York: Macmillan Publishing Company

Smallman, R. E.. 1991. Metalurgi Fisik Modern, Jakarta: PT

Gramedia Pustaka Utama. Surdia, Tata, dkk. 1992. Pengetahuan Bahan Teknik,Jakarta: PT

Pradnya Paramita