BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Proses Pembentukan Logam
2.2.1 Proses Pengerjaan Panas
Pengerjaan panas adalah proses pembentukan logam yang mana proses deformasinya dilakukan di atas kondisi temperatur dan laju regangan dimana proses rekritalisasi dan deformasi terjadi bersamaan.
Proses pengerjaan panas dapat didefinisikan sebagai proses pembentukan yang dilakukan pada daerah temperatur rekristalisasi logam yang diproses (agar lebih singkat daerah temperatur di atas temperatur rekristalisasi untuk selanjutnya disebut sebagai daerah temperatur tinggi). Dalam proses deformasi pada temperatur tinggi terjadi peristiwa pelunakan yang terus menerus, khususnya akibat terjadinya rekristalisasi. Akibat yang konkret ialah bahwa logam bersifat lunak pada temperatur tinggi. Kenyataan inilah yang membawa keuntungan-keuntungan pada proses pengerjaan panas. Yaitu bahwa deformasi yang diberikan kepada benda kerja dapat relatif besar. Hal ini disebabkan karena sifat lunak dan sifat ulet, sehingga gaya pembentukan yang dibutuhkan relatif kecil, serta benda kerja mampu menerima perubahaan bentuk yang besar tanpa retak. Karena itulah keuntungan proses pengerjaan panas biasanya digunakan pada proses-proses pembentukan primer yang dapat memberikan deformasi yang besar, misalnya proses pengerolan panas, tempa dan ekstrusi.
Akibatnya adalah kurva tegangan – regangan sebenarnya secara garis besar berupa garis mendatar pada regangan di atas titik luluh. Hal ini merupakan
perbadaan yang jelas apabila perbandingan dengan kurva tegangan – regangan sebenarnya yang naik ke atas pada deformasi di bawah temperatur rekristalisasi. Dengan demikian proses pengerjaan panas secara drastis mampu mengubah bentuk material tanpa akan timbulnya retak pembentukan yang berlebihan.
Di samping itu, temperatur tinggi memacu proses difusi sehingga hal ini dapat menghilangkan ketidak homogenan kimiawi, pori-pori karena efek pengelasan dapat tertutup atau ukurannya berkurang selama derformasi berlangsung serta struktur metalurgi dapat diubah sehingga diperoleh sifat-sifat akhir yang lebih baik. Dilihat dari segi negatif, temperatur tinggi dapat mengakibatkan reaksi yang tidak dikehendaki antara benda kerja dengan lingkungannya.
Suhu rekristalisasi, merupakan salah satu indikator untuk menentukan batas antara pengerjaan panas dan pengerjaan dingin, dimana untuk pengerjaan panas logam, dilakukan di atas suhu rekristalisasi atau disebut juga di atas daerah pengerasan kerja. Sementara itu, pengerjaan dingin dilakukan di bawah suhu rekristalisasi, bahkan sering dilakukan pada suhu kamar (ambiance temperature), sebagai contoh: suhu rekristalisasi baja berkisar antara 500°C sampai dengan 700°C, namun untuk pengerjaan panas, sering dilakukan di atas suhu tersebut. Pengerasan kerja sesungguhnya baru akan terjadi, ketika batas bawah daerah rekristalisasi tersebut dicapai.
Beberapa jenis logam bukan besi, seperti timah hitam atau timah putih, mempunyai daerah rekristalisasi yang rendah, sehingga pengerjaan pada suhu kamar pun dapat dianggap sebagai pengerjaan panas. Daerah pengerasan kerja, pada prinsipnya dipengaruhi oleh komposisi paduannya, khususnya pada suhu
rekristalisasi, sementara itu, daerah pengerasan kerja, juga tergantung pada pengerjaan dingin yang mungkin telah pernah dilakukan sebelumnya pada logam yang ditinjau.
Perlu juga diketahui, bahwa selama operasi pengerjaan panas, logam berada dalam keadaan plastis, sehingga mudah untuk dibentuk dengan tekanan.
Toleransi menjadi rendah sebagai akibat adanya penyusutan/pemuaian termal ataupun akibat pendinginan yang tidak seragam. Secara metalurgis dapat terjadi sehingga ukuran butir produk akan bervariasi tergantung pada besar reduksi yang alami, temperatur deformasi yang terakhir, setelah deformasi dan faktor-faktor lainnya.
Keberhasilan dan kegagalan proses pengerjaan panas sering sangat tergantung pada keberhasilan mengatur kondisi termal, karena hampir 90% energi yang diberikan kepada benda kerja akan diubah menjadi panas maka temperatur benda kerja akan naik jika deformasi berlangsung sangat cepat. Meskipun demikian, pada umumnya pemanasan benda kerja dipanaskan pada temperatur yang lebih rendah.
Panas banda kerja hilang melalui permukaan-permukaannya dan panas paling besar melalui permukaan yang bersentuhan dengan dies yang bertemperatur lebih rendah begitu permukaan benda kerja menjadi dingin ketidak seragaman temperatur akan terjadi. Adanya aliran benda kerja yang panas dan lunak pada bagian dalam akan mengakibatkan retakan pada permukaan benda kerja yang dingin dan getas. Oleh kerena itu temperatur benda kerja perlu dijaga agar seseragam mungkin.
Guna mendapatkan toleransi produk yang lebih baik maka temperatur dies dinaikan dan waktu kontak yang lebih lama (kecepatan deformasi yang lebih rendah). Namun dengan cara seperti ini juga akan semakin memperpendek umur dies. Pada saat memproses forming produk yamg bentuknya rumit, seperti pada hot forging, bagian tipis akan mendingin lebih cepat dari pada bagian yang tebal sehingga hal ini akan semakin memperumit perilaku aliran benda kerja. Lebih jauh lagi ketidak seragaman pendinginan benda karja akan menimbulkan tegangan sisa pada produk akhir hasil proses hot working.
Ada beberapa pengerjaan panas yang sering digunakan untuk menghasilkan sebuah produk. Dengan pengerjaan panas ini diharapkan produk yang dihasilkan memiliki sifat-sifat yang dibutuhkan.
Heat treatment, dari sebuah rangkuman yang ditulis oleh Avner (1974: 676) menyatakan bahwa perlakuan panas (heat treatment) adalah: “Heating and cooling a solid metal or alloy in such away as to obtain desired conditions or properties. Heating for the sole purpose of hot-working is excluded from the meaning of this definition”.
Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat mekaniknya. Baja dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan memotong meningkat atau dapat dilunakan untuk memudahkan proses pemesinan lanjut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, ukuran butir dapat diperbesar atau diperkecil. Selain itu ketangguhan ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras di sekeliling inti yang ulet. Untuk memungkinkan perlakuan panas tepat, komposisi kimia baja harus diketahui karena perubahan
komposisi kimia, khususnya karbon dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat fisis.
Perlakuan-perlakuan panas untuk proses roling panas yang lain yaitu: 2.2.1.1 Pengerasan (Hardening)
Hardening atau pengerasan dan disebut juga penyepuhan merupakan salah satu proses perlakuan panas yang sangat penting dalam produksi komponen-komponen mesin. Untuk mendapatkan struktur baja yang halus, keuletan, kekerasan yang diinginkan, dapat diperoleh melalui proses ini.
Menurut Kenneth Budinski (1999: 167), pengerasan baja membutuhkan perubahan struktur kristal dari body-centered cubic (BCC) pada suhu ruangan ke struktur kristal face-centered cubic (FCC). Dari diagram keseimbangan besi karbon dapat diketahui besarnya suhu pemanasan logam yang mengandung karbon untuk mendapatkan struktur FCC. Logam tersebut harus dipanaskan dengan sempurna sampai daerah austenit.
Pengerasan meliputi pekerjaan pendinginan yang menyebabkan karbon terbentuk dalam struktur kristal. Pendinginan dilakukan dengan mengeluarkan dengan cepat logam dari dapur pemanas (setelah direndam selama waktu yang cukup untuk mendapatkan temperatur yang dibutuhkan) dan mencelupkan ke dalam media pendingin air atau oli.
2.2.1.2 Pelunakan (Annealing)
Selain untuk tujuan pengerasan perlakuan panas dapat dilakukan untuk tujuan pelunakan. Hal ini diperlukan untuk perlakuan baja-baja yang keras, sehingga dapat dikerjakan dengan mesin. Di samping itu juga pelunakan
dilakukan untuk tujuan meningkatkan keuletan dan mengurangi tegangan dalam yang menyebabkan material berperilaku getas. Secara umum proses pelunakan dapat berupa proses normalizing, full annealing dan spheroidizing.
2.2.1.3 Normalizing
Normalizing merupakan proses perlakuan panas yang bertujuan untuk memperhalus dan, menyeragamkan ukuran serta distribusi ukuran butir logam. Proses ini diperlukan untuk komponen atau material yang mengalami proses pembentukan seperti pengerolan dingin, tempa dingin dan pengelasan.
Proses normalizing yaitu dengan cara memanaskan material pada temperatur 55°C sampai 85°C di atas temperatur kritis. Kemudian ditahan untuk beberapa lama hingga fasa secara penuh bertransformasi ke fasa austenit. Selanjutnya material didinginkan pada udara terbuka hingga mencapai suhu kamar, seperti terliat pada gambar 2.7.
2.2.1.4 Full annealing
Full annealing merupakan proses perlakuan panas yang bertujuan untuk melunakkan logam yang keras sehingga mampu dikerjakan dengan mesin. Proses ini banyak dilakukan pada baja medium. Proses ini dilakukan dengan cara memanaskan material baja pada temperatur 15°C hingga 40°C di atas temparatur A3 atau A1 tergantung kadar karbonnya. Pada temperatur tersebut pemanasan ditahan untuk beberapa lama hingga mencapai kesetimbangan. Selanjutnya material didinginkan dalam dapur pemanas secara perlahan-lahan hingga mencapai temperatur kamar. Struktur mikro hasil full annealing berupa pearlit kasar yang relatif lunak dan ulet.
2.2.1.5 Spheroidizing
Baja karbon medium dan tinggi memiliki kekerasan yang tinggi dan sulit untuk dikerjakan dengan mesin dan dideformasi. Untuk melunakkan baja ini dilakukan proses spheroidizing.
Proses spheroidizing dilakukan dengan cara memanaskan baja pada temperatur sedikit di bawah temperatur eutectoid, yaitu sekitar 700°C. Pada temperatur tersebut ditahan selama 15 hingga 25 jam. Kemudian didinginkan secara perlahan-lahan di dalam tungku pemanas hingga mencapai temperatur kamar.
Pada laporan ini juga khusus membahas tentang pengerolan, yaitu pengerolan panas. Pengerolan yaitu proses deformasi dimana ketebalan bahan
dikurangi dengan menekan bahan tersebut menggunakan dua rol yang saling berhadapan Karena memerlukan gaya yang sangat besar maka dilakukan pemanasan agar gaya yang diperlukan dapat dikurangi.
Pengerolan yang digunakan untuk mengurangi ketebalan (deformasi) yaitu pengerolan datar, seperti terlihat pada gambar 2.8. Pengerolan datar adalah pengerolan terhadap benda kerja untuk memperoleh hasil rol yang memiliki permukaan datar. Pada umumnya pengerolan datar dilakukan dengan pengerjaan panas (disebut pengerolan panas) karena dalam pengerolan ini diperlukan deformasi yang besar.
Gambar 2.8. Proses Pengerolan Datar
Keuntungan pengerolan panas yaitu bebas dari tegangan sisa dan sifat-sifatnya lebih homogen karena terjadi deformasi yang merata, sedangkan kerugiannya yaitu dimensi akibat deformasi kurang akurat dan terjadi oksidasi pada permukaan spesimen.
Dalam pengerjaan logam, roling adalah proses pembentukan logam dimana logam dilewatkan melalui sepasang rol. Roling diklasifikasikan menurut temperatur logam pada saat dirol. Jika suhu logam di atas suhu rekristalisasi,
maka proses ini disebut sebagai rolling panas. Jika suhu logam di bawah suhu rekristalisasinya, proses ini disebut sebagai rolling dingin, seperti gambar 2.9.
Gambar 2.9. Skema Perollingan
Ada banyak jenis proses roling, termasuk rol cincin, rol bending, rol membentuk, roling profil, dan roling terkontrol.
Rolling mills adalah yang paling awal digunakan di pabrik, yang diperkenalkan dari Belgia ke Inggris pada 1590. Yang cara kerjanya melewatkan bar datar antara rol untuk membentuk pelat besi, yang kemudian lewat di antara gulungan beralur (slitters) untuk menghasilkan batang dari besi. Belakangan ini mulai menjadi rerolled dan kaleng untuk membuat tinplate. Para produksi awal dari besi plat di Eropa adalah hasil tempa, bukan rolling mills.
Mesin tempa rol biasanya digunakan untuk mengecilkan suatu penampang batang bulat yang pendek atau membentuknya menjadi tirus. Misalkan diinginkan benda seperti terlihat pada gambar 2.10, yakni suatu batang dimana diameter nya tidak seragam, di bagian tengah dari batang mempunyai diameter lebih kecil dari diameter di ujung-ujungnya.
Dengan memutar batang sebesar 90° untuk setiap langkah (pas), maka umum nya tidak akan terbentuk sirip (sirip ini perlu dibersihkan kemudian).
Bila mesin rol berada dalam posisi terbuka, maka operator akan menempatkan batang yang dipanas kan diantara rol-rolnya, seperti terlihat pada gambar. Ketika rol berputar, batang dijepit oleh alur rol dan didorong kearah operator, bila rol terbuka, batang didorong kembali dan digiling lagi, atau dipindah kan ke alur rol berikutnya untuk langkah selanjutnya.
Gambar 2.10. Proses Rolling dan Hasilnya
Mesin tempa rol ini juga dapat digunakan untuk membuat ban logam, namun mesin rolnya harus dimodifikasi, seperti yang terlihat pada gambar 2.11. Perolingan dilakukan bertahap sedikit demi sedikit agar tidak terjadi kerusakan pada permukaan benda hasil kerja. Hasil produksi dengan proses roling ini menghasilkan produk yang berkualitas, ketelitiannya cukup baik. Hanya saja,
perlu gaya yang cukup besar untuk membentuk baja mengikuti alur yang diinginkan.
Gambar 2.11 menunjukkan suatu benda awal tempa yang kasar, dapat dibentuk menjadi roda yang licin dengan menggunakan rol-rol lainnya, yang dipasangkan di sekeliling roda tersebut. Bila roda berputar maka diameter benda berangsur-angsur bertambah besar, sedangkan pelat dan rim nya makin tipis, setelah sesuai dimensi, maka benda dipindah ke mesin lainnya untuk proses pembentukan akhir.
Gambar 2.11. Tahapan Perollingan
Mesin jenis ini biasanya digunakan untuk membuat:
sudu baling-baling pesawat terbang, turbin
linggis
mata pisau pahat
tabung tirus
ujung per daun
Sebuah paten diberikan kepada Thomas Blockley dari Inggris pada 1759 untuk polishing dan roling logam. Paten lain diberikan pada 1766 kepada Richard Ford dari Inggris untuk pabrik gabungan pertama. Sebuah pabrik gabungan adalah dimana logam yang terrol di tingkat berturut-turut.
Praktek rolling modern dapat dikaitkan dengan upaya perintis Henry Cort dari Fontley Besi Mills, dekat Fareham, Inggris. Pada 1783 paten dikeluarkan untuk Henry Cort dimana dia menggunakan gulungan beralur untuk batang besi bergulir. Dengan pabrik desain baru. Mampu menghasilkan 15 kali output per hari dibandingkan dengan palu. Meskipun Cort tidak yang pertama untuk menggunakan gulungan beralur, ia pertama yang menggabungkan penggunaan banyak fitur terbaik dari berbagai cara pembuatan baja dan proses membentuk dikenal pada saat itu. Dengan demikian penulis modern telah memanggilnya "ayah dari roling modern".
Perkembangan perolingan yang semakin pesat, menyesuaikan terhadap kebutuhan konsumen yang semakin banyak. Oleh sebab itu, perlu pengembangan cara produksi skala besar dengan tanpa mengurangi kualitas, ataupun kualitasnya malah harus lebih baik. Maka dikembangkan pabrik-pabrik dengan roling yang berskala besar.
Pabrik rel rolling pertama didirikan oleh John Birkenshaw pada tahun 1820, di mana ia menghasilkan rel besi tempa ikan berperut dalam panjang dari 15 sampai 18 kaki. Dengan kemajuan teknologi di rolling mills ukuran rolling mills tumbuh pesat seiring dengan produk ukuran roling medium. Contoh mesin rolingnya seperti terlihat pada gambar 2.12.
Gambar 2.12. Mesin Roling
Roling panas adalah proses pengerjaan logam yang terjadi di atas temperatur rekristalisasi bahan. Setelah butir dibentuk kembali selama pemrosesan, mereka berekristalisasi, yang mempertahankan struktur mikro dan mencegah logam dari pengerasan kerja. Bahan awal biasanya potongan besar dari logam, seperti produk setengah jadi casting, seperti slabs, mekar, dan billet. Jika produk ini berasal dari operasi pengecoran kontinyu produk biasanya dimasukkan
langsung ke dalam rolling mills pada suhu yang tepat. Dalam operasi yang lebih kecil bahan dimulai pada suhu kamar dan harus dipanaskan. Hal ini dilakukan di sebuah lubang perendaman gas atau minyak bakar untuk benda kerja yang lebih besar dan lebih kecil untuk benda kerja digunakan pemanas induksi. Saat bahan ini dikerjakan temperatur harus dipantau untuk memastikan tetap berada di atas temperatur rekristalisasi. Contoh dari hasil rolling panas seperti terlihat pada gambar 2.13 di bawah ini. Untuk mempertahankan faktor keamanan temperatur penyelesaian didefinisikan di atas suhu rekristalisasi, hal ini biasanya 50°C sampai 100°C (90°F sampai 180°F) di atas suhu rekristalisasi. Jika suhu tidak turun di bawah suhu ini materi harus kembali dipanaskan sebelum roling panas lebih panas.
Gambar 2.13. Hasil Rolling Panas
Logam rolling panas umumnya hanya sedikit mengarah kepada sifat mekanis dan tegangan sisa deformasi diinduksi. Namun, dalam kasus tertentu non-logam inklusi akan memberikan beberapa arah dan benda kerja tebalnya kurang dari 20 mm sering memiliki beberapa sifat terarah. Juga, pendinginan
tidak homogen akan menyebabkan banyak tegangan sisa, yang biasanya terjadi dalam bentuk-bentuk yang memiliki penampang tidak rata, seperti bentuk-I dan bentuk-H. Sementara produk jadi yang berkualitas baik, permukaan dilapisi dalam skala pabrik, yang merupakan oksida yang terbentuk pada suhu tinggi. Hal ini biasanya dihapus melalui pengawetan atau proses permukaan halus bersih, yang menghasilkan permukaan halus. Dimensi toleransi biasanya 2 sampai 5% dari dimensi keseluruhan.