LOGAM DAN PADUAN BERBASIS BESI

Rahmat Saptono - Departemen Metalurgi dan Material FTUI 2008 34

BAB 3

3.1 Pendahuluan

Logam dan paduan berbasis besi adalah salah satu jenis bahan yang paling

banyak dan luas aplikasinya di bidang rekayasa. Besi atau Fe terdapat di alam

sebagai oksida atau bijih besi. Logam besi sebagian besar diperoleh melalui

serangkaian proses pemurnian dan reduksi bijih besi. Melalui proses ini

diperoleh lelehan besi mentah atau pig iron yang masih mengandung pengotorpengotor,

terutama, karbon, silkon, mangan, sulfur, dan fosfor.

Namun, logam Fe hampir tidak pernah digunakan untuk aplikasi rekayasa

dalam keadaan murni karena keterbatasan sifat-sifat mekaniknya. Paduan

berbasis besi (ferrous alloy) yang paling banyak digunakan untuk aplikasi

rekayasa adalah paduan besi-karbon dengan kandungan karbon tertentu

beserta unsur-unsur paduan lainya. Keberadaan unsur karbon di dalam larutan

padat Fe memiliki pengaruh yang signifikan terhadap peningkatan sifat-sifat

mekanik logam besi. Sebagai ilustrasi, nilai kekuatan luluh untuk Fe murni

dengan kadar karbon terlarut 0% hanyalah sekitar 3 Ksi dibandingkan dengan

30 Ksi pada kadar karbon terlarut 0.005% yang merupakan batas kelarutan

maksimum karbon di dalam larutan padat Fe. Penambahan karbon dan unsurunsur

paduan lain pada kadar yang lebih tinggi sangat penting di dalam

mendesain dan merekayasa sifat-sifat mekaniknya.

Baja karbon (carbon steel) adalah salah satu jenis logam paduan besi

karbon terpenting dengan prosentase berat karbon hingga 2,11%. Baja karbon

diklasifikasikan menjadi baja karbon (1) rendah (low), (2) sedangn

(medium), dan (3) tinggi (high) berdasarkan kadar karbon-nya. Jika

penambahan elemen-elemen lain selain karbon untuk tujuan-tujuan tertentu

cukup signifikan, maka baja diklasifikasikan sebagai baja paduan (alloy

steel) atau baja paduan rendah (low alloy steel). Jenis baja lainnya yang

cukup penting adalah baja perkakas (tool steel) dan baja nirkarat

(stainless steel).

Selain baja, paduan berbasis besi karbon lain yang juga penting adalah besi

tuang atau besi cor (cast iron), yaitu besi dengan kadar karbon lebih dari

2,11% hingga 4-6%. Besi tuang diklasifikasikan lebih lanjut berdasarkan

struktur mikro dan sifat-sifatnya ke dalam besi tuang kelabu (grey cast iron),

besi tuang ulet atau nodular (ductile or nodular cast iron), besi tuang putih

(white cast iron), besi tuang mampu tempa (malleable cast iron).

3.2 Proses Pembuatan Baja

Gambar 3-1 Proses Pembuatan Baja

Proses pembuatan baja dimulai dengan proses ekstraksi bijih besi. Proses

reduksi umumnya terjadi di dalam tanur tiup (blast furnace) di mana di

dalamnya bijih besi (iron ore) dan batu gamping (limestone) yang telah

mengalami pemanggangan (sintering) diproses bersama-sama dengan kokas

(cokes) yang berasal dari batubara. Serangkaian reaksi terjadi di dalam tanur

pada waktu dan lokasi yang berbeda-beda, tetapi reaksi penting yang

mereduksi bijih besi menjadi logam besi adalah sebagai berikut:

Fe2O3 + 3CO �� 2Fe + 3CO2

Luaran utama dari proses ini adalah lelehan besi mentah (molten pig iron)

dengan kandungan karbon yang cukup tinggi (4%C) beserta pengotor-pengotor

lain seperti silkon, mangan, sulfur, dan fosfor . Besi mentah ini belum dapat

dimanfaatkan secara langsung untuk aplikasi rekayasa karena sifat-sifat

(mekanis)-nya belum sesuai dengan yang dibutuhkan karena pengotorpengotor

tersebut. Besi mentah berupa lelehan atau coran selanjutnya dikirim

menuju converter yang akan mengkonversinya menjadi baja.

Proses pembuatan baja umumnya berlangsung di tungku oksigen-basa

(basic-oxygen furnace). Di dalam tungku ini besi mentah cair dicampur

dengan hingga 30% besi tua (scrap) yang terlebih dahulu dimasukkan ke dalam

tanur. Selanjutnya, oksigen murni ditiupkan dari bagian atas ke dalam leburan,

bereaksi dengan Fe membentuk oksida besi FeO. Beberapa saat sebelum

reaksi dengan oksigen mulai berlangsung, fluks pembentuk slag dimasukkan

dalam jumlah tertentu.

Oksida besi atau FeO selanjutnya akan bereaksi dengan karbon di dalam besi

mentah sehingga diperoleh Fe dengan kadar karbon lebih rendah dan gas

karbon monoksida. Reaksi penting yang terjadi di dalam tungku adalah sebagai

berikut:

FeO + C �� Fe + CO

Selama proses berlangsung (sekitar 22 menit), terjadi penurunan kadar karbon

dan unsur-unsur pengotor lain seperti P, S, Mn, dalam jumlah yang signifikan.

3.3 Diagram Fe-Fe3C

Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk memahami

struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon, suatu jenis logam paduan besi (Fe)

dan karbon (C). Karbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat (solid

solution) hingga 0,05% berat pada temperatur ruang. Baja dengan atom

karbon terlarut hingga jumlah tersebut memiliki alpha ferrite pada temperatur

ruang. Pada kadar karbon lebih dari 0,05% 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 polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada

temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, alpha-ferrite akan berubah

menjadi gamma-austenite saat dipanaskan melewati temperature 910oC. Pada

temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400oC 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.

Gambar 3-2 Diagram Kesetimbangan Fasa Fe-Fe3C

3.3.1 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 0,05%.

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 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-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.

3.3.2 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 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 temperatur ruang. Contoh baja paduan

dengan fase Austenite pada temperatur ruang misalnya adalah Baja Hadfield

(12%Mangan) dan Baja Stainless 18-8 (8%Ni).

3.3.3 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

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.

3.3.4 Reaksi-reaksi Invarian dan Konstituen Mikro Penting

Secara keseluruhan ada tiga reaksi penting di dalam diagram Kesetimbangan

Fase Fe-Fe3C, yaitu: Reaksi Peritectic, Reaksi Eutectic, dan Reaksi Eutectoid

sebagaimana terlihat di dalam diagram kesetimbangan. Untuk sistem Besi

Baja, reaksi Eutectoid adalah reaksi yang sangat penting karena dengan

mengontrol Reaksi Eutectoid kita dapat memperoleh berbagai konstituen mikro

atau micro constituent yang diinginkan untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu.

Berdasarkan kadar karbonnya, baja dapat pula diklasifikasikan menjadi (1) baja

eutectoid, (2) baja hypoeutectoid, dan (3) baja hypereutectoid.

Gambar 3-3 Reaksi-reaksi Invarian di dalam Sistem Fe-Fe3C

Sistem penamaan yang telah dikenal luas adalah sistem AISI-SAE yang

menggunakan 4-5 Angka. Dua angka pertama menunjukkan elemen-elemen

paduan utama (Major Alloying Elements) dan Dua atau Tiga angka sisanya

menunjukkan prosentase karbonnya.

Baja dengan nama AISI-SAE 1080 misalnya, adalah jenis baja karbon (plain

carbon steel) dengan kadar karbon 0.8%. Contoh dari baja jenis ini adalah

baja kawat piano. Kawat piano memiliki struktur pearlite seluruhnya dan

kekuatannya yang tinggi terutama diperoleh dari proses pengerjaan dingin pada

proses produksinya.

Gambar 3-4 Sistem Penamaan 4-5 Angka AISI-SAE

3.4 Baja Karbon

Baja karbon adalah paduan besi baja dengan elemen utama Fe dan C. Baja

karbon memiliki kadar C hingga 1.2% dengan Mn 0.30%-0.95%. Baja dengan

kadar karbon sangat rendah memiliki kekuatan yang relatif rendah tetapi

memiliki keuletan yang relatif tinggi. Baja jenis ini umumnya digunakan untuk

proses pembentukan logam lembaran. Dengan meningkatnya kadar karbon

maka baja karbon menjadi semakin kuat tetapi berkurang keuletannya.

Beberapa jenis baja karbon, klasifikasi dan aplikasinya berdasarkan AISI-SAE

dapat dilihat pada Tabel 1-1.

Umumnya baja karbon (Plain Carbon Steel) diklasifikasikan menjadi (1) Baja

karbon rendah (Low Carbon Steel), (2) Baja karbon menengah (Medium Carbon

Steel), dan (3) Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel) berdasarkan prosentase

karbonnya. Baja AISI-SAE 1020-1040, dengan kadar karbon 0,4%-0,4%,

diklasifikasikan sebagai baja karbon menengah. Baja jenis ini digunakan secara

luas sebagai bahan poros (shaft) dan roda gigi (gear). Baja dengan kadar

karbon di atas 0,60% umumnya dikategorikan sebagai baja karbon tinggi.

Aplikasi dari baja karbon tinggi misalnya untuk pembuatan cetakan-cetakan

logam (dies, punch, block), kawat-kawat baja (kawat pegas, kawat musik,

kawat kekuatan tinggi), dan alat-alat potong (cutter, shear blade).

Tabel 3-1 Beberapa jenis baja karbon berdasarkan klasifikasi AISI-SAE

Baja karbon rendah atau sangat rendah, seperti telah dijelaskan sebelumnya,

banyak digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran, misalnya untuk

badan dan rangka kendaraan serta komponen-komponen otomotif lainnya.

Baja jenis ini dibuat dan diaplikasikan dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite.

Ferrite adalah salah satu fasa penting di dalam baja yang bersifat lunak dan

ulet. Baja karbon rendah umumnya memiliki kadar karbon di bawah komposisi

eutectoid dan memiliki struktur mikro hampir seluruhnya ferrite. Pada

lembaran baja kadar karbon sangat rendah atau ultra rendah, jumlah atom

karbon-nya bahkan masih berada dalam batas kelarutannya pada larutan padat

sehingga struktur mikronya adalah ferrite seluruhnya (Gambar 3-5). Hingga

batas kelarutannya di dalam larutan padat ferrite, penambahan karbon

berpengaruh terhadap sifat-sifat mekanik lembaran (lihat Gambar 3-6).

Gambar 3-5 Struktur Mikro Baja Karbon Ultra Rendah. Seluruhnya Ferrite.

Gambar 3-6 Pengaruh Karbon terhadap Sifat Mekanik Baja dengan Karbon

Sangat Rendah.

Pada kadar karbon lebih tinggi akan mulai terbentuk endapan cementite atau

fase pearlite pada batas butirnya sebagaimana terlihat pada Gambar 3-7.

Gambar 3-7 Struktur Mikro Baja Karbon Rendah

Telah dijelaskan sebelumnya bahwa sifat cementite atau carbide yang keras

dan getas berperan penting di dalam meningkatkan sifat-sifat mekanik baja.

Salah satu parameter penting yang menunjukkan hal tersebut, sebagaimana

telah dijelaskan sebelumnya adalah a mean ferrite path. A mean ferrite path

menunjukkan jarak antar cementite, baik pada pearlite maupun sphreodite.

Jarak antar carbide di dalam pearlite secara khusus dikenal sebagai

interlamellar spacing atau spasi antar lamel atau lembaran.

Gambar 3-8 Pengaruh Mean Ferrite Path terhadap Tegangan Luluh

Selain kadar karbon, sifat-sifat mekanik baja karbon rendah dengan fase

tunggal ferrite (ferritic low carbon steel) ditentukan pula oleh dimensi atau

ukuran butir-butir ferrite. Secara umum diketahui bahwa baja dengan ukuran

butir lebih kecil akan memiliki kekuatan yang lebih tinggi pada suhu kamar.

Hubungan tersebut secara kuantitatif dikenal sebagai Persamaan Hall-Petch.

Gambar 3-9 menunjukkan hubungan antara akar kuadrat diameter butir ferrite

pada baja karbon rendah dengan fase ferrite.

2

1

0

= + k d − y y σ σ

Persamaan Hall-Petch ini sangat penting dalam menjelaskan hubungan antara

struktur mikro dan sifat-sifat baja. Hubungan ini dimanfaatkan di dalam

pemrosesan baja, yaitu dengan mengatur atau mengendalikan ukuran butir

untuk meningkatkan kekuatan baja. Penguatan baja dengan cara ini dilakukan

melalui proses thermomekanika (thermomechanical process), proses perlakuan

panas (heat treatment), dan pemberian paduan mikro (micro alloying).

Gambar 3-9 Pengaruh Ukuran Butir terhadap Tegangan Luluh

Untuk aplikasi proses pembentukan logam lembaran, sifat-sifat ferrite yang ulet

sangat penting. Diketahui bahwa keuletan adalah salah satu sifat intrinsik yang

penting. Namun, di samping %elongasi maksimum yang menggambarkan

keuletan baja karbon, terdapat parameter penting lain yang lebih

menggambarkan karakteristik mampu bentuk logam lembaran adalah nilai n

(koefisien pengerasan regangan) dan nilai r (rasio regangan plastis). Nilai n

secara umum menggambarkan kemampuan lembaran baja untuk

mendistribusikan regangan secara merata. Pada pengujian tarik dapat dilihat

dari besarnya regangan uniform yang mampu dicapai oleh logam. Nilai r secara

umum menggambarkan ketahanan logam lembaran terhadap penipisan. Dalam

hal ini, terhadap hubungan yang cukup kuat antara nilai r dan LDR atau batas

rasio penarikan logam lembaran. Nilai r terutama berhubungan dengan tekstur

kristalografi pada baja, yaitu adanya orientasi kristal yang lebih disukai

(preferred orientation). Di samping itu, dilaporkan pula terdapat hubungan

antara Lankford Value atau nilai r dengan ukuran besar butir.

3.5 Proses Perlakuan Panas Baja Karbon

Telah dijelaskan sebelumnya bahwa reaksi eutectoid sangat penting di dalam

mengendalikan struktur mikro baja. Dengan mengendalikan reaksi eutectoid,

dapat diperoleh 3 konstituen mikro penting yaitu: (1) pearlite, (2) bainite, dan

(3) (tempered) martensite.

Gambar 3-10 Tiga Konstituen Mikro Penting dari Baja Karbon.

Pearlite adalah suatu campuran lamellar dari ferrite dan cementite.

Konstituen ini terbentuk dari dekomposisi Austenite melalui reaksi eutectoid

pada keadaan setimbang, 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.

Gambar 3-11 Struktur Mikro dari Pearlite.

Gambar di atas menunjukkan struktur mikro pearlite dalam perbesaran lebih

tinggi. Daerah yang lebih terang pada gambar adalah ferrite sedangkan daerah

yang lebih gelap pada gambar adalah carbide atau cementite. Salah satu

contoh baja karbon yang memiliki struktur ini adalah kawat piano atau baja

AISI 1080 menurut standar SAE-AISI. Baja kawat piano dengan kadar karbon

0,8% dengan struktur pearlite seluruhnya memiliki kekuatan tarik (Tensile

Strength) sekitar 4,2 GPa. Bandingkan dengan kekuatan tarik Baja Karbon

Rendah (0,05%C) dengan struktur mikro Ferrite seluruhnya yang kekuatan

tariknya hanya 0,2 GPa.

Konstituen mikro lain yang dapat diperoleh dengan mengendalikan reaksi

eutectoid adalah Bainite. Bainite adalah suatu campuran non-lamellar dari

ferrite dan cementite yang terbentuk pada dekomposisi Austenite melalui reaksi

eutectoid. Berbeda dengan pearlite yang terbentuk pada laju transformasi atau

pendinginan sedang strukturnya adalah acicular, terdiri atas ferrite lewat jenuh

dengan partikel-partikel carbide terdispersi secara diskontinu. Dispersi dari

bainite tergantung pada temperatur pembentukannya.

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 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.

Akibatnya terjadi distorsi kisi kristal BCC menjadi BCT atau body centered

tetragonal. Distorsi kisi akibat transformasi pada proses pendinginan secara

cepat tersebut berbanding lurus dengan jumlah atom karbon terlarut

sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 3-13.

Gambar 3-12 Atom Karbon di dalam Austenite, Ferrite, dan Martensite

Gambar 3-13 Distorsi Kisi pada Transformasi Martensite

Meskipun memiliki kekerasan yang sangat tinggi, Martensite tidak memiliki arti

penting di dalam aplikasi rekayasa. Untuk kebanyakan aplikasi rekayasa

martensite perlu di-temper atau dipanaskan kembali pada temperature tertentu

untuk mengurangi kegetasan (brittleness) dan meningkatkan ketangguhannya

(toughness) ke tingkat yang dapat diterima tanpa terlalu banyak menurunkan

kekerasannya.

Masalah 1

Sebuah palu pecah di bagian muka pukul (striking face)-nya ketika digunakan

untuk memecah slab beton dan menimbulkan korban karena serpihannya

mengenai mata pemakai yang kebetulan tidak memakai kaca mata pengaman.

Bentuk kepada palu secara diilustrasikan pada gambar dengan lokasi pecah

ditunjukkan oleh tanda panah dan lingkaran.

Gambar 3-14 Gambar Kepala Palu

Diketahui bahwa palu terbuat dari logam baja karbon tempa medium dengan

komposisi kimia sesuai standar, yaitu: 0,5%-0,6% C, 0,5%-0,9%Mn, dan

0,1%-0,4%Si. Kekerasan dari bahan baku palu adalah antara 1,8-2,2 GPa.

Kepala palu yang baik umumnya dibuat menjadi bentuk di atas dengan proses

tempa panas (hot forging) dan kemudian didinginkan perlahan-lahan hingga

temperatur ruangan. Selanjutkan kedua ujung kepala palu (ball pein dan

striking face) diselesaikan dengan mesin gerinda.

Pengerasan ujung pukul dilakukan dengan proses quenching dengan cara

mencelup sebagian ujungnya ke dalam lelehan timah pada temperatur 900oC

dan mencelupnya ke dalam air dingin. Dengan perlakuan panas tersebut

seharusnya baja medium dengan kadar karbon 0,6% memiliki kekerasan sekitar

8 GPa. Investigasi awal menunjukkan profil kekerasan kepala palu (dalam GPa)

sebagaimana ditunjukkan pada Gambar. Di dalam standar disebutkan bahwa

kedua ujung kepala palu (ball pein dan striking face) di-temper sehingga

kekerasannya turun antara 5.1-6.6 GPa sebelum dapat digunakan.

Mengapa kepala pukul yang telah dicelup perlu di-temper (sebagaimana

dipersyaratkan oleh standar) sebelum kepala palu dapat digunakan. Menurut

pendapat Saudara, apa yang menyebabkan ujung pukul pecah sehingga

serpihannya memakan korban?

3.6 Baja (Besi) Stainless

Logam stainless steel telah sering kita dengar atau pergunakan sehari-hari.

Sifat stainless yang tahan karat pun telah banyak yang mengetahuinya. Tetapi

mungkin tidak semua tahu bahwa stainless steel adalah hasil dari ’kesalahan’

yang membawa ’berkah’. Penulis mendengar ’cerita’ ini dari salah seorang

Professor di Sheffield. Sheffield adalah tempat pertama kali ditemukannya

logam Stainless. Saat itu Harry (1913), salah seorang peneliti di Sheffield,

sedang berkutat dengan penelitiannya untuk mengatasi masalah erosi pada

senapan laras panjang. Kesalahannya ’mencampur’ dan ’mengolah’ paduan

ternyata kemudian membawa ’berkah’. Suatu hari ia merasa heran karena di

bak sampahnya terdapat logam yang tetap bersih dan berkilap, sementara

logam-logam lainnya telah mulai berkarat. Kemudian diketahuinya bahwa

logam itu adalah salah satu paduan yang pernah ’dibuangnya’ saat melakukan

penelitian. Kelak diketahui bahwa besi dengan kadar Chromium 13% akan

membentuk lapisan film oksida yang bersifat protektif yang akan melindungi

logam dari korosi.

Paduan Fe-Cr adalah jenis logam Stainless paling sederhana yang berstruktur

dasar ferrite. Hal ini dapat kita pahami dengan mempelajari diagram

kesetimbangan fase Fe-Cr yang diperlihatkan pada Gambar 3-15. Chromium

adalah unsur penstabil ferrrite. Chromium dengan struktur BCC (sama dengan

Ferrite) akan memperluas daerah fase alpha dan mempersempit daerah fase

gamma. Akibatnya terbentuk loop Austenite yang membatasi daerah FCC dan

BCC. Dari Gambar 3-15 dapat dilihat bahwa pada paduan Fe-Cr dengan

kandungan Cr di atas 12% tidak terjadi transformasi fase Austenite ke Ferrite.

Dari temperatur ruang hingga ke titik leburnya Fasenya adalah ferrite.

Akibatnya, tidak dimungkinkan pula terjadi transformasi martensitik.

Sementara ini dapat ditarik kesimpulan bahwa besi (tanpa karbon) stainless

dengan kadar di atas Cr 12% selalu berstruktur ferrite. Ferritic Stainless Steel

dapat memiliki kadar Cr hingga 30%.

Jika pada kadar karbon rendah (Gambar 3-17) Ferrrite stabil di semua rentang

temperatur maka pada kadar karbon yang lebih tinggi dapat ditemukan daerah

fase Austenite. Penambahan kadar karbon sebesar 0,6% misalnya, akan

memodifikasi diagram fasa sehingga paduan akan memiliki fase Austenite pada

temperatur tinggi. Pada kondisi ini, baja dapat di-quench untuk menghasilkan

Martensite.

Secara umum, semakin tinggi kadar Cr semakin tahan besi terhadap korosi.

Hal ini disebabkan karena terbentuknya lapisan film oksida pada permukaan.

Di sisi lain kekurangan kadar Chromium akan menyebabkan berkurangnya

jumlah lapisan film oksida protektif. Dalam hal ini, kadar karbon di dalam

stainless perlu dijaga dalam keadaan rendah. Jika tidak, maka akan terbentuk

karbida Chrom sehingga Chrom tidak dapat ke permukaan membentuk oksida

film protektif. Penambahan Ni sangat penting karena Ni memiliki struktur FCC

yang memiliki batas kelarutan karbon yang lebih besar sehingga mengurangi

peluang terjadi pembentukan karbida Chromium yang akan mengurangi kadar

Chromium dan oleh karenanya jumlah lapisan film oksida protektif pada

permukaan.

Gambar 3-15 Diagram Fasa Besi Chromium

Gambar 3-16 Pengaruh Penambahan Karbon terhadap Luas Daerah Fase

Austenite pada Paduan Stainless Fe-Cr

Contoh paduan Stainless Steel dengan penambahan Ni adalah Stainless Stee

18-8. Telah dijelaskan pula sebelumnya bahwa Ni yang memiliki struktur FCC

adalah elemen penstabil FCC atau Austenite pada paduan besi. Keberadaan Ni

akan mengurangi kecenderungan besi FCC untuk bertransformasi menjadi BCC.

Pada kadar karbon tertentu (< 0,03%C) fase Austenite bahkan akan stabil pada

temperatur ruang.

Gambar 3-17 Pengaruh Penambahan Kadar Karbon terhadap Daerah Fase

Austenite pada Paduan Baja Stainless Fe-Cr-Ni

Sejauh ini telah kita kenal dua jenis paduan Stainless Steel yang penting, yaitu

paduan Stainless Steel dengan kandungan Ni rendah dan paduan Stainless

Steel dengan kandungan Ni tinggi. Telah kita kenal pula tiga jenis paduan

Stainless berdasarkan struktur kristalnya, yaitu: logam Stainless Feritik (Ferritic

Stainless Steel), logam Stainless Martensitik (Martensitic Stainless Steel), dan

logam Stainless Steel Austenitik (Austenitic Stainless Steel). Selain berdasarkan

kedua hal di atas, paduan stainless dapat pula dikelompokkan berdasarkan

mekanisme penguatannya. Termasuk ke dalam golongan ini adalah PH

Stainless Steel, yaitu paduan Stainless Steel yang dikuatkan melalui mekanisme

Precipitation Hardening yang meliputi Solutionizing, Quenching, dan Aging.

Masalah 2

Logam stainless yang digunakan untuk aplikasi rekayasa dapat

diaktergorisasikan menjadi: (1) logam stainless dengan kandungan Ni tinggi

dan (2) logam stainless dengan kandungan Ni rendah. Jika Saudara memiliki

perusahaan daur ulang logam (recycling plant) maka pemisahan kedua jenis

logam Stainless tersebut dapat memberikan nilai tambah kepada logam-logam

dari limbah Stainless. Dari pengetahuan yang telah Saudara pelajari,

mekanisme apakah yang secara praktis dapat diaplikasikan untuk memisahkan

kedua jenis limbah logam Stainless tersebut?

3.7 Besi Tuang

Besi tuang adalah paduan berbasis besi dengan kadar karbon tinggi, yaitu 2%-

4%C dengan kadar Si 0,5%-3%. Besi tuang memiliki aplikasi di bidang

rekayasa yang cukup luas terutama karena kemampuannya untuk langsung

dibentuk menjadi bentuk akhir (net shape) atau mendekati bentuk akhir (near

net shape) melalui proses solidifikasi (solidification) atau pengecoran (casting).

Besi tuang mudah untuk dicor karena beberapa hal. Pertama, besi tuang

mudah dilebur dan memiliki fluiditas yang sangat baik pada keadaan cairnya.

Kedua, ketika dituang besi tidak membentuk lapisan film pada permukaannya.

Selain itu, besi tuang tidak mengalami penyusutan volume (shrinkage) yang

terlalu tinggi pada saat solidifikasi.

Gambar 3-18 Diagram Fase Fe-Fe3C menunjukkan Daerah Besi Tuang

Kemampuan besi tuang untuk dapat dicetak menjadi bentuk yang diinginkan

terutama berhubungan dengan adanya reaksi Eutectic pada diagram

kesetimbangan Fe-Fe3C pada rentang kandungan karbon tersebut. Pada reaksi

tersebut titik lebur paduan besi turun hingga sekitar 1130oC dengan rentang

temperatur liquidus dan solidus yang sangat kecil, atau membeku seperti logam

murni dengan satu titik beku.

Di samping itu, reaksi eutectic penting pula di dalam merekayasa dan

mengendalikan sifat-sifat besi tuang yang sangat tergantung pada karakteristik

konstituen-konstituennya. Dekomposisi Autenite, seperti halnya pada baja,

dapat dikendalikan sehingga dihasilkan matriks Ferrite, Pearlite, Bainite, atau

Martensite. Solidifikasi dan dekomposisi Austenite dapat diatur agar

menghasilkan grafit (C) atau karbida (Cementite). Dengan menambahkan

modifier dan innoculant bentuk grafit dapat pula direkayasa menjadi berbentuk

bola (sphereoidal graphite), kompak (compacted graphite), dan serpihan

(flake). Selanjutnya, karbida dapat diberi perlakuan panas lebih lanjut untuk

mendekomposisi cementite, menghasilkan struktur yang mampu ditempa.

Besi tuang dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis berdasarkan

karakteristik struktur mikro menjadi besi tuang kelabu (gray iron), besi tuang

nodular (nodular cast iron), besi tuang grafit kompak (compacted graphite cast

iron), besi tuang putih (white cast iron), dan besi tuang mampu tempa

(malleable cast iron). Gambar skematis jenis-jenis besi tuang tersebut

diperlihatkan tabel berikut ini.

Tabel 3-2 Jenis-jenis Besi Tuang, Struktur Mikro, Proses Pembuatan, dan

Karakteristik Umumnya.

Nama Skema Struktur Mikro Proses

Pembuatan

Karakteristik

Umum

Besi Tuang

Kelabu

(Grey Cast

Iron)

*diberi

nama

kelabu

(grey)

karena

patahannya

berwarna

kelabu.

Biasanya memiliki

kadar karbon 2,5-

4%. Jumlah silikon

yang relatif tinggi (1-

3%) diperlukan

untuk

mempromosikan

pembentukan grafit.

Kecepatan

pembekuan sangat

penting untuk

mengatur jumlah

grafit yang terbentuk

(biasanya lambat

hingga sedang).

Laju solidfikasi

berperan pula di

dalam menentukan

matriks yang

terbentuk.

Grafit berbentuk

serpihan-serpihan

panjang (flakes)

Memiliki kekuatan

dan keuletan

rendah. Memiliki

mampu mesin yang

baik pada

kekerasannya.

Memiliki ketahanan

aus (wear

resistance) yang

baik, tahan

terhadap galling

pada pelumasan

terbatas serta

memiliki

kemampuan untuk

menahan getaran

(damping capacity)

sangat baik.

Besi Tuang

Putih (White

Cast Iron)

*diberi

nama putih

karena

patahannya

berwarna

putih.

Struktur karbida

diperoleh dengan

menjaga kandungan

karbon (2,5-3,0%)

dan silikon (0,5-

1,5%) pada kadar

rendah dan

kecepatan

pembekuan yang

tinggi pada proses

solidifikasi.

Memiiki struktur

karbida (cementite)

di dalam matriks

pearlite.

Keras, getas, dan

tidak dapat dimesin.

Memiliki

ketahanan

terhadap keausan

(wear resistance)

dan abrasi sangat

baik.

Table 1-2 Jenis-jenis Besi Tuang, Struktur Mikro, Proses Pembuatan, dan

Karakteristik Umumnya (Lanjutan).

Besi Tuang

Mampu

Tempa

(Malleable

Cast Iron).

Bahan baku yang

digunakan adalah

besi tuang putih.

Perlakuan panas

untuk menghasilkan

besi tuang mampu

tempa terdiri atas:

grafitisasi dan

pendinginan.

Pembentukan grafit

dilakukan pada

temperature di atas

temperature

eutectoid. Karbida

akan berubah

menjadi gafit

(tempered carbon)

dan austenite.

Selanjutnya asutenite

dapat didekomposisi

menjadi ferrite,

pearlite, atau

martensite.

Koloni grafit

berbentuk bulat

tidak teratur.

Memiliki kekuatan,

keuletan, dan

ketangguhan lebih

baik. Memiliki

struktur uniform.

Besi Tuang

Ulet atau

Nodular

(Ductile

Iron,

Nodular

Cast Iron).

* nama

mengacu

pada sifat

dan bentuk

grafit-nya.

Kandungan karbon

(3,0-4,0%) dan

silikonnya (1,8-

2,8%) sama dengan

besi tuang.

Kandungan sulfur (S)

dan fosfor (P) sangat

rendah kira-kira 10

kali lebih rendah dari

besi tuang kelabu.

Nodule berbentuk

bola terbentuk pada

proses solidikasi

karena kandungan

beleran (Sulfur) dan

oksigen ditekan ke

tingkat yang sangat

rendah dengan

menambahkan

Magnesium (Mg)

beberapa saat

sebelum penuangan.

Partikel-partikel

grafit berbentuk

bola (speroid).

Memiliki sifat-sifat

yang hampir sama

dengan malleable

cast iron. Memiliki

mampu mesin

sangat baik dan

ketahanan aus

baik. Memiliki

sifat-sifat yang

mirip dengan baja

(kekuatan,

ketangguhan,

keuletan, mampu

bentuk panas, dan

kemampukerasan).

Besi Tuang

Grafit

Kompak

(Compacted

Graphite

Iron)

Grafit berbentuk

vernicular memiliki

struktur antara

gray iron dan

ductile iron.