1. PENDAHULUAN
1.1. Perlakuan panas dan proses produksi
Perlakuan panas atau heat treatment dapat didefinisikan sebagai kombinasi operasi pemanasan dan pendinginan terhadap logam/paduan dalam keadaan padat dengan waktu tertentu, dimaksudkan untuk memperoleh sifat tertentu.
Langkah pertama dalam setiap proses perlakuan panas adalah memanaskan logam/ paduan itu sampai ke suatu temperatur tertentu, lalu menahan beberapa saat pada temperatur tsb, kemudian mendinginkannya dengan laju pendinginan tertentu. Selama pemanasan dan pendinginan ini akan terjadi beberapa perubahan struktur mikro, dapat berupa perubahan fase dan/atau bentuk/ukuran butir kristalnya, dan perubahan strukturmikro ini akan menyebabkan terjadinya perubahan sifat dari logam/paduan tersebut.
Strukturmikro yang terjadi pada akhir suatu proses perlakuan panas, selain ditentukan oleh komposisi kimia dari logam/paduan dan proses perlakuan panas yang dialami, juga oleh struktur/kondisi awal benda kerja. Paduan dengan komposisi kimia yang sama, mengalami proses perlakuan panas yang sama, mungkin menghasilkan strukturmikro dan sifat yang berbeda bila struktur/kondisi awalnya berbeda. Struktur/kondisi awal ini banyak ditentukan oleh pengerjaan dan/atau perlakuan panas yang dialami sebelumnya.
Untuk memudahkan pengerjaan benda kerja pada suatu proses pengerjaan biasanya diperlukan suatu sifat tertentu dari bahan benda kerja itu. Untuk memperoleh sifat ini mungkin akan diperlukan suatu proses perlakuan panas. Suatu proses perlakuan panas lain mungkin diperlukan untuk memberikan sifat tertentu pada produk akhir yang siap dipakai.
Dari sini terlihat bahwa suatu proses perlakuan panas merupakan salah satu bagian dari suatu rangkaian proses produksi. Perlakuan panas hendaknya tidak dipandang sebagai suatu proses tersendiri yang terpisah dari rangkaian proses produksi. Proses perlakuan panas dan bagian dari rangkaian proses produksi yang lain saling mempengaruhi, sehingga dalam merancang suatu proses perlakuan panas harus juga diperhatikan proses apa yang telah dialami sebelumnya dan apa yang akan dialami berikutnya, sifat akhir apa yang harus dimiliki.
Untuk dapat mempelajari proses perlakuan panas maka perlu dihayati beberapa hal mengenai strukturmikro dan sifat-sifatnya, terutama yang berkaitan dengan tansformasi yang dialami selama pemanasan dan pendinginan, disamping juga beberapa hal yang berkaitan dengan diffusi, perpindahan panas, reaksi kimia dan lain-lain. Untuk itu pada bab berikut akan diuraikan kembali sedikit mengenai diagram fase, diagram transformasi, dan pengaruh unsur paduan, baru kemudian akan dibahas mengenai berbagai hal yang mungkin terjadi karena pemanasan dan pendinginan serta berbagai macam proses perlakuan panas. Di antaranya juga beberapa proses perlakuan panas yang khusus untuk beberapa paduan tertentu.
1.2. Susunan atom dalam logam/paduan
Gambar 1.2. Tiga bentuk utama sel satuan dari sistem kristal logam.
Pada logam atom-atomnya tersusun secara teratur menurut suatu pola tertentu, dinamakan kristal. Pada umumnya kristal logam mempunyai susunan atom tertentu, salah satu dari beberapa sistem kristal yang mungkin terjadi. Ada yang kristalnya tersusun dari multiplikasi bentuk sel satuan Body Centered Cubic (BCC), Face Centered Cubic (FCC) atau Hexagonal Closed Pack (HCP) (lihat Gambar 1.2.) atau bentuk yang lain. Suatu logam dan bahan padat lain dapat diidentifikasi dari kristalnya ini.
Tetapi ada beberapa logam yang sistem kristalnya dapat berubah, pada suatu kondisi mempunyai susunan dengan bentuk sel satuan tertentu, pada kondisi yang lain berubah menjadi bentuk sel satuan lain. Dikatakan logam semacam ini mempunyai sifat allotropy.
Besi termasuk salah satu logam yang mempunyai sifat allotropy. Pada temperatur kamar atom besi tersusun menurut pola BCC, dinamakan besi , bila dipanaskan, pada temperatur 911oC berubah menjadi FCC, dinamakan besi , dan pada temperatur 1392 oC berubah lagi
pendinginan kembali akan terjadi proses yang sebaliknya, dari besi cair membeku menjadi besi pada 1536 oC, lalu pada 1392 oC berubah menjadi besi dan akhirnya menjadi besi pada 911 oC. Pada besi murni, demikian juga halnya pada logam murni lainnya, perubahan fase akan terjadi pada temperatur konstan (dengan pemanasan dan pendinginan yang ekuilibrium).
Gambar 1.3. Kurva pemanasan dan pendinginan besi murni.
Gambar 1.4. Struktur kristal besi (ferit) dan besi (austenit).
Bila suatu logam dipadukan dengan logam/unsur lain maka ada beberapa kemungkinan yang dapat terjadi, mungkin akan terjadi senyawa (misalnya karbida besi) atau larutan padat atau suatu campuran, misalnya eutektik/eutektoid.
Senyawa (compound) adalah materi yang berupa ikatan atom-atom dari dua atau lebih
unsur dengan perbandingan tertentu. Ikatan ini akan membentuk kristalnya sendiri, berbeda dari kristal unsur-unsur pembentuknya. Karenanya senyawa mempunyai mempunyai sifat yang sama sekali berbeda dari unsur-unsur pembentuknya. Biasanya senyawa yang dijumpai dalam logam, misalnya karbida, nitrida dan lain-lain, keras dan getas.
Suatu campuran (mixture) adalah materi berupa gabungan dari dua atau lebih unsur yang masing-masing tetap dengan kristalnya sendiri. Suatu campuran pada logam yang istimewa adalah eutektik dan eutektoid, karena komposisinya tertentu, temperatur pembentukannya tertentu, bertransformasi pada temperatur konstan (seperti halnya logam murni). Strukturnya khas, berselang-seling.
Suatu larutan padat (solid solution) adalah materi berupa paduan dari dua atau lebih unsur dimana atom-atom dari yang larut masuk ke dalam kristal logam pelarut. Sehingga bila dilakukan identifikasi, maka yang dijumpai hanya kristal dari unsur pelarut saja.
Ada dua macam larutan padat yaitu larutan padat substitusional, larutan padat dimana atom yang larut menggantikan tempat atom pelarut dalam sistem kristalnya, dan larutan padat
interstisial yaitu larutan padat dimana atom yang larut masuk menempati ruang kosong antara
atom-atom pelarutnya (lihat Gambar 1.5)
(a) (b)
Gambar 1.5. Susunan atom larutan padat substitusional (a) dan interstisial (b)
Pada larutan padat atom pelarut masih membawa sifat asalnya, dengan dipengaruhi oleh sifat dari atom yang terlarut. Pada umumnya larutan padat mempunyai keuletan tinggi.
Adanya unsur paduan dalam logam akan merubah temperatur perubahan fase logam itu. Pola perubahan ini dapat dilihat dari diagram fase dari sistem paduan yang bersangkutan.
Sistem paduan yang paling banyak digunakan adalah paduan besi-karbon. Sistem paduan ini dapat membentuk larutan padat, senyawa maupun campuran. Sistem paduan ini akan dibahas pada Bab di belakang.
Pada pembekuan logam tidak akan terbentuk menjadi satu butir kristal saja, tetapi akan terbentuk sejumlah besar butiran kristal. Bahkan pada suatu paduan seringkali dijumpai lebih dari satu macam kristal.
Pada batas antara butiran yang satu dengan lainnya akan terjadi mismatch antara susunan atom dari butiran yang satu dengan yang lain. Dan ini merupakan cacat dari kristal. Cacat semacam ini juga dapat terjadi karena kristal menerima gaya-gaya dari luar pada waktu mengalami proses pengerjaan. Adanya dan banyaknya cacat ini akan mempengaruhi sifat dari logam/paduan itu.
Perubahan-perubahan fase yang ditunjukkan pada suatu diagram fase adalah perubahan-perubahan yang terjadi bila paduan dipanaskan/didinginkan secara ekuilibrium, dengan pemanasan/pendinginan yang sangat lambat. Pada kenyataannya seringkali pemanasan/pendinginan ini tidak cukup lambat untuk dapat dianggap mencapai kondisi ekuilibrium sehingga perubahan-perubahan yang terjadi sudah tidak lagi sesuai dengan diagram fase. Karenanya diagram fase tidak dapat digunakan untuk meramalkan perubahan yang terjadi bila pemanasan/pendinginan itu tidak ekuilibrium. Perubahan-perubahan untuk kondisi yang tidak ekuilibrium dapat dipelajari dari diagram transformasi, seperti misalnya transformasi pendinginan isothermal (IT diagram) dan diagram transfor-masi pendinginan kontinyu (CT atau CCT diagram), yang juga akan dibahas tersendiri di Bab di belakang.
Diagram fase yang sering/banyak dipergunakan adalah diagram fase biner, diagram fase untuk paduan dengan dua komponen. Dalam kenyataannya paduan yang banyak dipergunakan biasanya terdiri dari lebih dari dua komponen. Seharusnya digunakan diagram fase untuk paduan lebih dari dua komponen, tetapi cukup sulit membuat dan memperolehnya. Sehingga biasanya tetap digunakan diagram fase untuk dua komponen dengan mempelajari juga pengaruh unsur-unsur lain terhadap diagram fase paduan utama. Seperti misalnya baja, baja pada dasarnya paduan besi dengan karbon, karenanya dapat dipelajari dari diagram fase besi-karbida besi dan diagram transformasi baja dari berbagai komposisi. Pada baja biasanya juga terdapat unsur lain selain karbon, maka perlu juga dipelajari bagaimana pengaruh unsur lain itu terhadap perubahan fase dan sifat baja. Hal ini juga akan dibahas di belakang.
1.3. Proses perlakuan panas
Dalam praktek terdapat banyak macam proses perlakuan panas yang dilakukan terhadap berbagai jenis paduan. Secara garis besar berbagai macam proses perlakuan panas ini dapat dibedakan menurut tingginya temperatur pemanasan, lamanya berada pada temperatur tersebut (holding time) dan laju pendinginannya. Proses perlakuan panas dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu proses perlakuan panas yang menghasilkan struktur yang ekuilibrium, seperti misalnya annealing, normalising, spheroidising dan lain-lain, dan proses perlakuan panas yang menghasilkan struktur yang non-ekuilibrium, yaitu pengerasan.
Proses perlakuan panas paling sering/banyak dilakukan terhadap benda kerja dari baja. Karena itu dalam pembahasan berikut pada dasarnya diuraikan prinsip-prinsip perlakuan panas terhadap baja. Perlakuan panas terhadap logam/paduan lain dapat mengacu pada perlakuan panas baja, tentu saja dengan sedikit modifikasi, disesuaikan dengan diagram fase sistem paduannya, diagram transformasinya dan lain-lain. Bila prinsip perlakuan panas untuk baja sudah dikuasai maka tidaklah banyak kesulitan untuk menerapkan prinsip tersebut pada paduan lain.
Karena itu dalam pembahasan di belakang banyak diuraikan hal-hal yang berkaitan dengan pengerasan.
1.4. Ekuilibrium dan diffusi
Dalam mempelajari perlakuan panas mau tidak mau harus dipelajari perubahan struktur/fase pada logam.
Suatu struktur/fase di dalam logam dikatakan telah mencapai ekuilibrium atau keseimbangan bila dalam bahan sudah tidak lagi terjadi perubahan struktur/fase dengan berubahnya waktu. Suatu struktur/fase yang sudah mencapai keseimbangan pada suatu kondisi tertentu akan tetap sama/tidak berubah selama kondisinya tidak berubah. Kondisi ini ditentukan oleh temperatur.
Jadi misalnya pada suatu temperatur hari ini sebatang besi berstruktur kristal BCC, besok pada temperatur yang sama ia juga tetap BCC, kapanpun asalkan temperaturnya sama ia selalu mempunyai struktur kristal yang sama, maka dikatakan sebatang besi itu telah mencapai keseimbangannya untuk temperatur tersebut dengan membentuk kristal berstruktur BCC.
Suatu struktur/fase yang telah mencapai keseimbangan untuk suatu temperatur akan tetap stabil untuk temperatur tersebut. Sesuatu akan menjadi stabil bila ia mempunyai free energy (energy bebas, kerja yang dapat diperoleh dari suatu sistem) pada tingkat yang paling rendah. Ia tidak akan mengalami perubahan secara spontan, karena untuk berubah secara spontan ia harus melepaskan energi.
Sesuatu mungkin juga dapat tidak mengalami perubahan pada suatu kondisi tertentu walaupun ia sebenarnya belum berada pada tingkat energi yang paling rendah. Ia dikatakan berada dalam keadaan metastabil.
Suatu bola (Gambar 1.6) berada pada keadaan stabil bila pada kedudukan seperti titik 3, energi potensialnya paling rendah. Dengan kedudukan seperti titik 1 ia berada pada keadaan metastabil, bila dibiarkan tidak akan mengalami perubahan, walaupun sebenarnya energi potensialnya cukup tinggi.
Gambar 1.6. Keadaan metastabil, tidak stabil dan stabil dari sebuah bola
Untuk dapat berubah menjadi stabil ia harus diberi energi dulu untuk naik titik 2 (tidak stabil), setelah itu ia dapat secara spontan menuju titik 3 (stabil).. Untuk berubah dari metastabil menjadi stabil perlu diberi energi dalam jumlah tertentu, untuk mengatasi energy
barrier, sehingga ia menjadi tidak stabil baru kemudian diberi kesempatan berubah secara
spontan menuju keadaan stabil.
Atom-atom dalam suatu logam pada suatu keadaan akan menyusun dirinya sedemikian rupa untuk menjadikan dirinya berada dalam keadaan keseimbangan, stabil. Karena itu juga ia akan mempunyai susunan kristal tertentu. Dengan berubahnya temperatur mungkin susunan dalam atom akan berubah, sehingga juga akan merubah susunan kristalnya, ia akan berubah fase.
Untuk berubah menjadi susunan kristal yang baru maka atom-atom ini perlu bergerak/pindah. Gerakan/perpindahan atom ini dapat secara diffusi atau dengan cara lain.
Untuk berdiffusi ini atom-atom itu harus mempunyai cukup energi. Makin tinggi energi yang dimiliki makin besar kemungkinan terjadi diffusi. Energi disini adalah energi thermal, makin tinggi temperatur makin besar kemungkinan terjadi diffusi, makin besar kemungkinan terjadi perubahan. Dalam fase gas dan cair diffusi lebih mudah berlangsung, sedang pada fase padat diffusi lebih sulit, apalagi bila temperaturnya rendah. Karena itu pada perubahan yang dikontrol oleh diffusi akan berlangsung lama. Perubahan yang dikontrol oleh diffusi dikatakan sebagai perubahan yang time dependant and thermally activated. Untuk mencapai kondisi keseimbangan diperlukan waktu yang lama. Keadaan keseimbangan akan dapat terjadi hanya pada pemanasan dan pendinginan yang sangat lambat.
Suatu transformasi yang dikontrol oleh diffusi dimulai dengan pengintian (nucleation), terbentuknya inti dari kristal baru, kemudian dilanjutkan dengan pertumbuhan (growth), bertumbuhnya inti menjadi kristal yang lebih besar. Kristal ini perlu tumbuh lebih besar karena kristal yang lebih besar memiliki energi yang lebih rendah. Karena itu suatu kristal bila dipanaskan pada temperatur yang lebih tinggi cenderung untuk tumbuh menjadi lebih besar.
Untuk pengintian diperlukan driving force, diperlukan sejumlah energi untuk mengatasi energy barrier. Besarnya thermodynamic driving force ini sebanding dengan besarnya penyimpangan terhadap thermodynamic equilibriumnya. Bila penyimpangan ini besar driving force juga besar.
Pertumbuhan inti ini sepenuhnya adalah proses diffusi, sangat tergantung pada temperatur. Pada temperatur lebih tinggi pertumbuhan akan lebih banyak, cenderung menghasilkan kristal yang lebih besar.
Proses diffusi juga terjadi pada peristiwa terserap dan tersebarnya suatu atom ke dalam suatu benda atau keluarnya suatu atom dari suatu benda. Hal ini terjadi pada proses karburising (terserapnya karbon ke dalam baja), nitriding, dan lain-lain serta peristiwa dekarburisasi, keluarnya karbon dari permukaan baja.
Diffusi akan dapat terjadi apabila terdapat perbedaan konsentrasi, misalnya pada karburising, di luar permukaan baja terdapat konsentrasi atom karbon yang tinggi sedang dalam baja konsentrasi atom karbon rendah, sehingga atom dari luar akan berdiffusi masuk ke dalam baja. Sebaliknya pada peristiwa dekarburisasi konsentrasi atom karbon di luar baja lebih rendah daripada yang didalam baja maka, atom karbon dari dalam baja akan berdiffusi keluar.
1.5. Pertanyaan
2. Perubahan fase pada logam murni biasanya ditandai dengan adanya pemberhentian kenaikan/penurunan temperatur pada saat pemanasan/pendinginan lambat. Jelaskan bagaimana terjadinya hal tsb.
3. Jelaskan perbedaan antara senyawa, campuran dan larutan padat, ditinjau dari
komposisi kimia, sifat dan struktur kristalnya.
4. Jelaskan apa yang dimaksud dengan kondisi stabil, tidak stabil dan metastabil. Beri contoh dengan peristiwa sehari-hari dan dengan peristiwa dalam bidang metalurgi. 5. Banyak perubahan fase pada logam terjadi dengan diffusi, faktor apa saja yang
