Baja dan Besi Tuang

(1)

Sistem Besi-Karbon

Nurun Nayiroh, M.Si

MK: TRANSFORMASI FASA

Pertemuan Ke-6

Sistem Besi-Karbon

Besi dengan campuran karbon adalah bahan yang paling banyak digunakan diantaranya adalah baja. Kegunaan baja sangat bergantung dari pada sifat – sifat baja yang sangat bervariasi yang diperoleh dari pemaduan dan penerapan proses perlakuan panas. Sifat mekanik dari baja sangat bergantung pada struktur mikronya. Sedangkan struktur mikro sangat mudah dirubah melalui proses perlakuan panas. Baja adalah paduan besi dengan kandungan karbon sampai maksimum sekitar 1,7% . Paduan besi dengan karbon di atas 1,7% disebut dengan besi cor (cast iron)

Sistem Besi-Karbon

Beberapa jenis baja memiliki sifat – sifat yang tertentu sebagaimana akibat penambahan unsur paduan. Salah satu unsur paduan yang sangat penting yang dapat mengontrol sifat baja adalah karbon (C).

Jika besi dipadu dengan karbon, transformasi yang terjadi pada rentang temperatur tertentu erat kaitannya dengan kandungan karbon.

Diagram yang menggambarkan hubungan antara temperatur dimana terjadinya perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat dengan kadar karbon disebut dengan diagram fasa besi-karbon Diagram ini merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi – operasi Perlakuan Panas

(2)

1 2

Besi murni

Pada temperatur ruang disebut ferit atau besi

α

yang mempunyai struktur kristal BCC.

Ferit akan berubah menjadi austenit atau besi

γ

pada temperatur 912

0

_{C (1674}

0

_{F) dengan}

struktur kristal FCC.

Pada temperatur 1538

0

_{C (2800}

0

_{F) austenite}

akan berubah menjadi besi ferit

δ

dan struktur

kristal BCC.

Penjelasan gambar Diagram Fasa Besi-Besi Karbida

Baja dan Besi Tuang

adalah besi yang mempunyai kadar karbon

lebih kecil dari 6,7 wt%.

Pada 6,7wt% terdapat kandungan Fe

₃

C

sebesar 100 %wt, sehingga kandungan karbon

6,7 wt% disebut juga mempunyai kandungan

100 wt% Fe

₃

C (cementite).

Struktur Mikro dan Sifat Mekanik

Struktur mikro dan sifat yang diinginkan dalam pembuatan baja dapat diperoleh melalui proses pemanasan dan pendinginan pada temperatur tertentu.

Jika struktur mikronya diamati dengan menggunakan mikroskop, maka akan tampak bahwa baja tersebut memiliki struktur yang berbeda-beda.

Jenis struktur yang ada sangat dipengaruhi oleh kamposisi kimia dari baja dan jenis perlakuan panas yang diterapkan pada baja tersebut.

(3)

Besi

α

(ferit)

Komposisi maksimum C adalah 0,022 wt% pada 727 0_C (1341 0_{F). Struktur kristalnya BCC.}

Sifat bahan :

Lunak, ulet dan memiliki kekerasan sekitar 70-100 BHN Memiliki konduktivitas tinggi

Bisa dibuat magnet pada temperatur dibawah 768 0_C

Kerapatan : 9,88 gr/cm3

Besi γ γ γ γ ((((Austenite)

Maksimum karbon 2,11wt% pada 11480_{C. Struktur} kristal FCC.

Austenite bersifat non magnet.

1

Besi δ

δδ

δ

(ferit δ

δδ

δ)

Mempunyai bentuk yang sama dengan ferit αhanya temperatur yang berbeda yaitu antara 1394 0_C

sampai 1538 0_C.

Cementite (Fe

₃

C)

:

Terbentuk ketika batas kelarutan karbon pada besi α

terlewati pada temperatur di bawah 727 0_C.

Fe3C juga terbentuk dengan fasa γpada temperatur

727 s/d 11480_C.

Sifat mekanik cementite adalah keras dan rapuh. Kekuatan beberapa baja bisa ditingkatkan dengan kandungan cementite.

2

Reaksi eutectic terjadi pada 4,3 wt% C dan

temperatur 1148

0

_C

Reaksi eutectoid terjadi pada 0,77 wt% C dan

temperatur 727

0

_{C :}

Perlit

adalah campuran sementit dan ferit yang memiliki kekerasan sekitar 10-30 HRC.

Jika baja eutektoid (0,8%C) diaustenisasi dan didinginkan dengan cepat ke suatu temperatur, misalnya ke temperatur 7000_{C dan dibiarkan pada} temperatur tersebut sehingga terjadi transformasi isotermal, maka austenit akan mengurai dan

membentuk perlit melalui proses pengintian (nukleasi) dan pertumbuhan.

(4)

Skema representasi mikrostruktur untuk paduan besi-karbon pada komposisi autectoid (0,76 %wt C) di bawah dan di atas temperatur eutectoid

Transformasi fasa terjadi dari daerah γke daerah α+ Fe3C. Pada titik eutectoid austenite dengan komposisi 0,77 wt% C akan berubah menjadi ferit (0,022 wt% C) dan Fe3C (6,7 wt% C).

BAINIT

Bainit adalah suatu fasa yang diberi nama sesuai dengan nama penemunya yaitu E.C. Bain.

Bainit merupakan fasa yang kurang stabil (metastabil) vang diperoleh dari austenit pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur transformasi ke perlit dan lebih tinggi dari temperatur transformasi ke Martensit.

Sebagai contoh jika baja eutektoid yang diaustenisasi didinginkan dengan cepat ke temperatur sekitar 250 -5000_{C dan dibiarkan pada temperatur tersebut, hasil} transformasinya adalah berupa struktur vang terdiri dari ferit dan sementit (struktur bainit) tetapi bukan perlit

Kekerasannya bervariasi antara 45-55 HRC tergantung pada temperatur transformasinya. Ditinjau dari temperatur transformasinya, jika terbentuk pada temperatur yang relatif tinggi disebut Upper Bainite sedangkan jika terbentuk pada temperatur yang lebih rendah disebut sebagal Lower Bainite.

(5)

MARTENSIT

Martensit adalah fasa yang ditemukan oleh seorang metalografer yang bernama A. Martens. Fasa tersebut merupakan larutan padat dari karbon yang lewat jenuh pada besi alfa sehingga kisi-kisi sel satuannya terdistorsi.

Sifatnya sangat keras dan diperoleh jika baja dari temperatur austenitnya didinginkan dengan laju pendinginan yang lebih besar dari laju pendinginan kritiknya.

Dalam paduan besi karbon dan baja, austenit merupakan fasa induk dan bertransformasi menjadi martensit pada saat pendinginan.

Transformasi ke martensit berlangsung tanpa difusi sehingga komposisi yang dimiliki oleh martensit sama dengan komposisi austenit, sesuai dengan komposisi paduannya sel satuan martensit adalah Tetragonal pusat badan (Body center tetragonal/BCT).

Atom karbon dianggap menggeser kisi kubus menjadi tetragonal.

Kelarutan karbon dalam BCC menjadi lebih besar jika terbentuk martensit, dan hal inilah yang menyebabkan timbulnya tetragonalitas (BCT).

Pembentukan martensit secara umum tidak tergantung pada waktu.

Foto mikrografi (a) α-ferit (90 x) dan (b) austenit (325 x)

BESI PADUAN (FERROUS ALLOY)

Besi paduan Adalah paduan dimana besi sebagai komponen utama dan karbon beserta komponen –komponen lainnya sebagai bahan paduan.

Berdasarkan kandungan paduan, besi paduan di bagi atas:

Besi (iron) Baja (steel) Besi tuang (cast iron).

Besi murni : kandungan karbon kurang dari 0,008 wt%, dan strukturnya ferit pada temperatur ruang.

Baja : kandungan karbon antara 0,008 – 0,11 wt% C struktur kristal : α+ Fe3C.

(6)

PADUAN HYPOEUTECTOID

Pembentukan fasa

α

+ Fe

₃

C dengan komposisi

di bawah titik eutectoid disebut paduan

hypoeutectoid. Proses pembentukannya bisa

dilihat pada gambar 9.27.

Struktur kristal yang terbentuk mempunyai

fasa pearlite dan proeutectoid

α

.

Proeutectoid ferit (

α

) adalah ferit yang

terbentuk sebelum terbentuknya pearlite.

(7)

Paduan Hypereutectoid

Pembentukan fasaα+ Fe3C dengan komposisi di atas titik eutectoid disebut paduan hypereutectoid. (gb. 9.30).

(8)

Contoh Soal

Untuk paduan 99,65 wt% Fe – 0,35 wt% C

pada temperatur sedikit di bawah titik

eutectoid, carilah:

a. fraksi total fase ferit dan sementit.

b. fraksi ferit proeutectoid dan pearlite

proeutectoid.

c. fraksi ferit eutectoid.

Jawab

a. fraksi total fase ferit dan sementit

C

₀

' = 0,35 wt% C

dan

b. fraksi ferit proeutectoid dan pearlite proeutectoid:

dan

c. fraksi ferit eutectoid

Semua ferit, baik sebagai proeutektoid ataupun sebagai eutektoid (dalam pearlit). Maka jumlah kedua fraksi ferit ini sama dengan jumlah total ferit, sehingga:

Wα’ + W_al= Wα

dimana W adalah fraksi total paduan yang berupa ferit

PENGARUH ELEMEN PADUAN LAINNYA

Elemen paduan lain seperti Cr, Ni, Ti, dll, memberikan pengaruh yang besar pada diagram fasa Fe – C. Unsur - unsur paduan seperti Karbon, mangan, chrom, wolfram, Molibden dan Vanadium banyak digunakan pada baja - baja perkakas (seperti pada baja Cold-worked, baja hot-worked dan HSS) untuk meningkatkan ketahanan baja tersebut terhadap keausan dan memelihara stabilitas baja tersebut pada temperatur tinggi.

Keberadaan unsur paduan tersebut padabaja akan menimbulkan terbentuknya karbida seperti: M3C, M23C6,