BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Metalurgi merupakan ilmu yang mempelajari pengenai pemanfaatan dan

pembuatan logam dari mulai bijih sampai dengan pemasaran. Begitu banyaknya

proses dan alur yang harus dilalui untuk memperoleh suatu produk logam yang

mempunyai kualitas tinggi, baik dari segi mekanik, fisik maupun kimianya.

Logam mempunyai sifat-sifat istimewa yang menjadi dasar penggunaanya.

Salah satu sifat yang dimiliki oleh logam adalah sifat mekanik. Sifat-sifat mekanik

yang dimiliki oleh logam antara lain kekuatan, kekerasan, ketangguhan, keuletan,

mampu bentuk, dan mampu las. Sifat-sifat mekanik tersebut dipengaruhi oleh

beberapa faktor, antara lain komposisi kimia, perlakuan yang diberikan, dan

struktur butirnya.

Struktur butir yang terdapat pada suatu logam dipengaruhi oleh perlakuan

yang diterima oleh logam tersebut, yang akan mempengaruhi pada sifat mekanik

logamnya, misalnya pengerolan pada suatu logam maka struktur butir logam

tersebut akan laminar (memanjang) dan sifat kekerasannya akan naik. Contoh lain

hasil dari heat treatment, dengan mengamati struktur butirnya selain gambaran

sifat mekaniknya yang dapat diketahui, fasa yang ada juga dapat diketahui.

Perlakuan panas (heat treatment) didefinisikan sebagai suatu kombinasi dari

pengendalian pemanasan dan pendinginan pada temperatur dan waktu tertentu

untuk menghasilkan logam dengan sifat mekanik yang diinginkan. Perlakuan

panas dilakukan untuk mendapatkan mikro struktur logam yang seragam,

meningkatkan kekuatan, kekerasan, keuletan, ketangguhan (untuk finishing

product), serta sifat mampu las, sifat mampu mesin, sifat mampu bentuk dan

dapat mengurangi tegangan sisa (untuk produk setengah jadi), yang muncul dari

hasil pengerjaan logam tersebut sebelumnya.

1

1.2 Tujuan

Tujuan pembuatan makalah ini, yaitu melihat perbandingan pengaruh

temperatur heat treatment pada stainless steel ASTM A890 GR 6A terhadap sifat

fisik material tersebut.

1.3 Batasan Masalah

Dalam makalah ini pembahasan yang kami bahas adalah heat treatment pada

stainless steel ASTM A890 Super Duplex Gr 6A dengan cara annealing dan

pengaruhnya terhadap sifat fisik material tersebut.

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Transformasi Fasa

Pada perlakuan panas sangat berkaitan erat dengan transformasi fasa

biasanya setelah diberikan perlakuan logam tersebut pasti akan berubah fasanya.

Proses perlakuan panas biasanya berupa pemanasan dan pendinginan. Pada besi

baja proses pemanasan biasanya dilakukan pada suhu austenit yang akan

bertransformasiselama proses pendinginan, pemberian waktu tahan (holding time)

bertujuan untuk memberikan kesempatan atom-atom untuk menghomogenkan

austenit. Pendinginan akan menyebabkan austenite bertransformasi dan struktur

mikro yang terbentuk sangat tergantung pada laju pendinginan.

Besi dikenal sebagai suatu logam yang memiliki sifat allotropi, memmiliki

lattice yang berbeda, besi memiliki tiga macam modifikasi allotropi. Besi cair

akan mulai membeku pada suhu 1535 0C menjadi besi delta (δ) dengan struktur

BCC. Pada 14000C akan mengalami trasnformasi menjadi besi gamma (γ) yang

biasa disebut austenit dengan struktur FCC. Besi austenit ini tetap stabil sampai

temperatur 9100C,dimana terjadi transformasi lagi menjadi besi alpha non

magnetic (α) yang berstruktur BCC. Pada pendinginan selanjutnya sudah tidak

ada lagi perubahan transformasi fasa. Pada 768 0C terjadi perubahan menjadi besi

alpha non magnetic menjadi alpha magnetic, tetapi tidak terjadi perubahan

struktur kristal.

Setiap proses transformasi selalu mengalami penghentian penurunan

temperatur yang ditandai oleh garis mendatar, yang menunjukan proses

berlangsung secara isotermal. Tiap bentuk allotropi besi mempunyai kemampuan

melarutkan karbon yang berbeda-beda. Mekanisme transformasi struktur dalam

baja dipengaruhi pengaturan temperatur pemanasan, waktu pendinginan, dan

unsur paduan yang terkandung dalam baja. Untuk mempelajari perlakuan panas

maka terlebih dahulu harus mempelajari karakteristik baja selama proses

transformasi selama pemanasan maupun pendinginan karena hal itu dapat

memprediksi struktur mikro yang terbentuk.

3

Transformasi fasa baja pada saat pemanasan pada baja hipoeutektoid terdiri

dari butir kristal ferrit dan perlit, bila pemanasan mencapai garis A1 maka perlit

akan mengalami reaksi eutektoid secara isotermal reaksinya sebagai berikut :

Ferit + Fe3C austenit

Ferit akan bereaksi dengan sementit dari perlit membentuk austenit.

Temperatur tidak akan mengalami kenaikan bila perlit belum habis, setelah habis

maka akan terjadi kenaikan temperatur dan ferit proeutektoid akan mengalami

transformasi allotropik ferit yang BCC akan menjadi austenit yang FCC. Pada

baja hipereutektoid pada temperatur kamar struktur mikro terdiri dari perlit dan

jaringan sementit yang membungkus butir-butir kristal perlit.

Bila dipanaskan hingga temperatur A1 maka akan terjadi reaksi eutektoid

seperti baja hipoeutektoid yaitu ferrit dan sementit pada perlit akan bereaksi

membentuk austenit pada temperatur A1 austenit mengandung 0,8% karbon,

sisanya berada pada sementit, jika temperatur dinaikan diatas A1, maka

kemampuan austenit melarutkan karbon juga akan naik, sehingga karbon pada

sementit sedikit demi sedikit akan larut dalam austenit sedangkan jaringan

sementit lama-kelamaan menjadi menipis dan akhirnya pada temperatur Acm

jaringan sementit akan habis, struktur seluruhnya sudah menjadi austenit. Austenit

yang tebentuk belum homogen, dimana pada baja hipoeutektoid austenit dari

perlit mengandung 0,8% C sedangkan yang berada pada ferit kadar karbon jauh

lebih sedikit. Pada baja hipereutektoid austenit awalnya mengandung 0,8%C dari

perlit, namun akan bertambah dari karbon yang larut dari jaringan sementit yang

berada di sekitar austenit.

Pada transformasi pendinginan biasanya pendinginan dilakukan setelah

dilakukan pemanasan sampai mencapai temperatur austenit dan ditahan pada

temperatur tersebut kemudian dilakukan pendinginan dengan laju pendinginan

tertentu. Struktur mikro yang terbentuk setelah pendinginan akan tergantung pada

laju pendinginan. Sehingga akan dapat diprediksi sifat mekanis apa yang

4

diharapkan. Transformasi fasa pada saat pendinginan memegang peranan penting

terhadap sifat baja yang diberikan suatu perlakuan panas.

Austenit dari baja hipoeutektoid bila didinginkan dengan lambat, pada

temperatur kritis A3 mulai terbentuk inti kristal ferit yang tumbuh pada batas butir

kristal austenit. transformasi ini terjadi karena austenit mengalami perubahan

allotropik dari besi gamma menjadi besi alpha. Karena ferit hanya dapat

melarutkan karbon dalam jumlah yang sedikit maka kandungan karbon dalam

austenite akan semakin besar bila ferit yang tumbuh makin banyak (ditandai

dengan turunnya temperatur), besarnya kandungan karbon dalam austenit dengan

menurunnya temperatur mengikuti garis A2, sehingga pada saat temperatur

mencapai titik A1 komposisi eutektoid dan selanjutnya austenit akan

bertransformasi manjadi ferrit. Gambar 1. dibawah ini adalah gambar diagram Fe-

Fe3C.

Gambar 1. Diagram Fasa Fe - C

Ketika logam mengalami perlakuan panas adanya unsur-unsur paduan

mempengaruhi peningkatan kekerasan dan kekuatan hasil perlakuan panas. Unsur

5

-unsur paduan yang mempengaruhi kekerasan dan kekuatan hasil perlakuan panas

adalah sebagai berikut :

1. Chromium : pengaruhnya untuk meningkatakan tegangan dan kekerasan,

membentuk kekerasan dan menyetabilkan karbida.

2. Phospor : meningkatkan tegangan dan hardenability, mengurangi

keuletan dan ketangguhan.

3. Magnesit : pengaruhnya untuk meningkatakan tegangan dan kekerasan,

membentuk karbit, meningkatkan hardenability, range perpindahan panas

4. Silikon : berpengaruh untuk menegangkan pearlit dan cenderung

menguatakan pearlit selalu untuk mengembang karena unsur ini digunakan

sebagai oksida magnesit.

5. Tungsten : berpengaruh untuk membentuk kekerasan dan menyetabilkan

karbit, menaikan range dari temperatur dan temperatur tempering

6. Vanadium : berpengaruh untuk menguatkan karbida, membentuk

element. Tidak digunakan sebagai unsur yang berdiri sendiri, tapi untuk

menggabungkan karbida ke austenit pada stainless steel.

7. Molybdenum : menguatkan karbit dan membentuk element, dan juga

meningkatkan temperatur tinggi pada gaya creep.

2.2 Case Hardening

Pengerasan permukaan adalah proses laku panas untuk mendapatkan

kekerasan pada bagian permukaannya saja sedang bagian dalam tetap berada pada

sifat semula yaitu keuletan maupun ketangguhan yang tetap tinggi.

Jenis-jenis dan mekanisme dari case hardening antara lain :

a. Karburising, mekanismenya adalah dengan menambahkan karbon,

kemudian melakukan pengerasan dengan kuens (pendinginan cepat).

b. Nitriding, proses thermokimia ferritik dimana atom nitrogen berdifusi

pada fase ferrit dalam dapur pada suhu 500-5900C dan atmosfirnya

mengandung Nat,dan akan bereaksi dengan unsur yang ada dalam baja

membentuk nitride, dan tidak ada lagi transformasi lagi yang terjadi.

6

c. Cyaniding atau carbonitriding, mekanismenya adalah dengan

menambahkan cyanida dan karbon, kemudian melakukan pengerasan

dengan kuens (pendinginan cepat).

BAB III

PEMBAHASAN

7

3.1 Pengaruh Tempertur Heat Treatment pada Stainless Steel ASTM A890

Super Duplex GR 6A

Mikrostruktur memegang peranan yang penting dalam pengecoran, seperti

komposisi kimia dan pendinginan selama proses pembekuan. Pada pembahasan

kali ini jenis heat treament yang kami bahas adalah annealing. Tujuannya adalah

melunakkan, menghaluskan butir kristal, menghilangkan internal stress, dan

memperbaiki machintability. Proses full annealing dilakukan dengan

memanaskan baja sampai temperatur 25-500C diatas garis A3 untuk baja

hipereutektoid kemudian didinginkan hingga temperatur 25-50 0C diatas garis A1

didalam dapur atau ruang yang memiliki penyekat panas yang baik sehingga

memberikan efek pendinginan yang sangat lambat.

Material super duplex merupakan material yang dimulai pada tahun 1929

avesta jernverke membuat baja tahan karat dengan 25% Cr dan 5% Ni, kemudian

pada tahun 1933, J Holtzer Company, Prancis terjadi kesalahan komposisi,

dengan komposisi awalnya 18% Cr, 9% Ni, dan 2,5% Mo menjadi 20% Cr, 8%

Ni, dan 2,5% Mo dimana terdapat fasa ferrite dalam austenite, ketika di heat

treatment ternyata tidak sensitive terhadap intergranular corrosion. Itulah yang

menyebabkan lahirnya material stainless steel super duplex dan berkembang

sampai saat ini.

Dengan mengatur temperatur, tiap material dilakukan annealing. Pada

sampel pertama dengan temperatur annealing 940oC, lalu pada sampel kedua

dengan temperatur annealing 1040oC kemudian sampel ketiga dengan temperatur

annealing 1160oC. Dari masing-masing perlakuan yang berbeda dihasilkan nilai

sifat fisik yang berbeda pula.

Peningkatan kekerasan dan penurunan ketangguhan adalah dampak dari

secara langsung akibat perlakuan panas pada material. Hal ini disebabkan dengan

peningkatan konsentrasi fasa sigma dalam struktur mikro material, yang kemudian

terjadi pengendapan ferit / interface austenit. Fasa sigma muncul ketika berada

pada suhu 600-1000oC. Fasa sigma merupakan fasa yang tidak dikehendaki

8

karena ketika fasa sigma terdapat dalam material super duplex, hal ini

menyebabkan kekuatan mekanik dan ketahanan korosi berkurang, disamping

kegetasan material akan meningkat, oleh sebab itu fasa sigma tidak dikehendaki

dalam material super duplex. Ketika fasa sigma benar-benar terlarut akibat

perlakuan panas, kekerasan bahan itu ditentukan oleh konsentrasi volumetrik ferit

dan austenit pada struktur mikro, dan energi yang diserap dalam uji impak

mencapai sekitar 220 J pada suhu kamar. Lalu pada sampel pertama dengan

temperatur annealing 940oC, kemudian di quenching dan ditahan pada 940oC

selama 2 jam. Konsentrasi volumetric yang terbentuk pada gambar satu adalah

ferrite 5%, sigma phase 40%, austenite 50%.

Gambar 2. Struktur mikro dengan 940oC selama dua jam

Transformasi ferit menjadi austenit dan fasa sigma terjadi pada difusi

elemen paduan seperti chromium dan molibdenum terjadi pada daerah-daerah

tertentu, molibdenum adalah unsur pembentuk ferrite dan juga dapat

meningkatkan fasa intermetalik yang cenderung merusak sifat stainless steel.

Chromium juga merupakan unsur pembentuk ferrite, efek kromium ini

penting karena pengaruhnya pada pembentukan dan penghilangan scale oksida

yang dihasilkan dari perlakuan panas atau pengelasan.

9

Nikel adalah unsur penstabil austenit, yang berarti penambahan nikel pada

besi paduan dapat merubah struktur kristal dari bcc (ferritic) ke fcc (austenite).

Ferritic stainless stell mengandung sedikit nikel sedangkan duplex stainless stell

mengandung Ni 4-7%

Gambar 3. Struktur mikro dengan 1040oC selama empat jam

Gambar dua merupakan hasil struktur mikro dari proses pengelasan post

weld heat treatment yang mempunyai fungsi meningkatkan ketahanan korosi

terutama korosi tegangan, menghilangkan terjadinya tegangan sisa dan

memperkecil pengaruh terjadinya retak pada daerah lasan, keterbatasan utama

pada pengelasan adalah mengatur masukan panas yang sesuai untuk mendapatkan

keseimbangan austenit-ferit yang tepat dalam HAZ dengan mengontrol laju

pendinginan yang tepat. Heat input yang terlalu rendah dapat mengakibatkan

ferit yang berlebihan, sedangkan heat input panas yang terlalu tinggi dapat

mengakibatkan fasa intermetalik. Digunakannya filler metal nikel adalah untuk

penstabil austenit

Filler metal yang digunakan adalah Ni 5,8%, dengan adanya dua fasa yang

terdapat dalam struktur mikro sesuai dengan gambar dua, hal ini disebabkan fasa

sigma yang terbentuk pada struktur mikro stabil pada temperatur 1040oC.

10

Gambar 4. Struktur mikro dengan 1060oC selama dua jam.

Pada gambar 3, terdapat hanya dua fasa yaitu austenite dan ferrite hal ini

disebabkan karena fasa sekunder yang dapat mengendap antara suhu 300-1000oC,

seperti secondary austenite, sigma. Pembentukan fasa tersebut dapat merusak

ketahanan korosi dan ketangguhan. Namun solusi treatment duplex pada

temperatur 1020-1080oC dapat mendeformasi fasa sekunder tanpa mempengaruhi

keseimbangan fasa. Fase partikel sigma biasanya membentuk atom di ferit-

austenit interface dan tumbuh ke arah yang berdekatan dengan butir ferit. Suhu

perendaman berpengaruh langsung dalam fasa sigma solusi, serta dalam

volumetrik konsentrasi dari ferit dan fase austenit. Meningkat persentase ferit

dengan meningkatkan temperatur. Mulai dari 1020oC jumlah fasa sigma dapat

hilang membentuk ferit dan austenit karena dengan temperatur 1020oC fasa

sekunder dapat terlewati dan langsung membentuk volume fraksi ferit dan

austenit masing-masing menjadi sekitar 50%. Tetapi, untuk melihat fasa sigma

masih ada atau tidak dalam material stainless stell duplex, dapat dilihat dari nilai

kekerasan material tersebut. Jika nilai kekerasan stainless steel begitu tinggi maka

material tersebut terindikasi kuat memiliki strukur mikro dari fase sigma.

\

BAB IV

KESIMPULAN

11

1. Bahwa untuk memperoleh stainless stell super duplex perlu diadakan heat

treatment.

2. Untuk menghindari terbentuknya fase intermetalik atau fasa secondary,

terutama terbentuknya fasa sigma, yang dapat menurunkan kekuatan dan

ketahanan korosi dapat diatasi dengan melakukan annealing dengan suhu

1020-1080oC.

3. Setelah proses pengelasan stainless stell super duplex selesai, material

diberi post weld heat treatment, untuk mengembalikan sifat material yang

dilas kembali ke semula.

DAFTAR PUSTAKA

12

Martins M, Castelleti L C. 2005, Effect of Heat Treatment on the Mechanical Properties of ASTM A 890 Gr6A Super Duplex Stainless Steel. Journal of ASTM International.

Martins M, Castelleti L C. 2004, Heat treatment temperature influence on ASTM

A890 GR 6A super duplex stainless steel microstructure. Journal of ASTM International.

Kotecki D J. 2010, Some Pitfalls in Welding of Duplex Stainless Steels. Soldag. insp. São Paulo.

13