Analisa Perlakuan Panas terhadap Bahan logam Tembaga
Artika Wijayanti, Pulung Subuh Nur Baity, Roihatur Rohmah, M. Zaenuri Jurusan Fisika, Fakultas MIPA M IPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Telah dilakukan percobaan yang berjudul Analisa Perlakuan panas terhadap bahan logam tembaga yang Abstrak Abstrak — Telah bertujuan untuk mengetahui pengaruh heat treatment terhadap nilai kekerasan tembaga, untuk mengetahui mengetahui pengaruh viskositas media pencelupan quenching terhadap nilai kekerasan tembaga, serta untuk mengetahui besar nilai kekerasan tembaga akibat media pencelupan quenching air, air garam, dan oli. Langkah kerja pada percobaan ini adalah sebagai berikut yang pertama dilakukan adalah memotong tembaga tembaga menjadi 4 bagian dengan dengan masing masing tinggi 2,5 cm. Kemudian tembaga di grinding dengan menggunakan menggunakan amplas 220, 600, 800 dan 1000. Setelah itu ketiga tembaga dimasukkan ke dalam furnace selama 30 menit. Ketiga tembaga diangkat dan tembaga 1 dimasukkan ke dalam larutan garam (NaCl), tembaga 2 dimasukkan ke dalam minyak dan tembaga 3 dimasukkan ke dalam air. Kemudian dilakukan penggrindingan lagi dengan amplas 1000. Lalu tembaga di uji fikers untuk mendapatkan hasil nilai hv nya. Uji fikers dilakukan pada 2 titik sisi tembaga yang sudah di grinding tadi. Metode yang digunakan yaitu metode quenching. Semakin suatu bahan material yaitu tembaga diberi perlakuan heat treatmen maka nilai kekerasan tembaga tersebut semakin tinggi. Semakin rendah viskositas media pendinginannya maka semakin cepat laju pendinginannya. Maka semakin besar nilai kekerasan tembaga tersebut. Untuk nilai hv nya, tembaga yang didinginkannya dengan larutan NaCl yaitu sebesar 68,3. Kemudian pada tembaga yang didinginkan dengan larutan air nilai hv nya sebesar 67,1 sedangkan didinginkan dengan minyak sebesar 57,4. Dan tembaga yang tidak mendapat perlakuan panas nilai hv ny sebesar 59,4.
Kata Kunci — Kunci — heat heat treatment, kekerasan, quenching, tembaga, viskositas I. PENDAHULUAN
LOGAM merupakan material yang istimewa. Keistimewaan ini terletak pada sifat-sifatnya, salah satunya sifat mekanik. Sifat-sifat ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu: komposisi kimia, perlakuan panas, dan struktur-mikro. 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. Untuk mengetahui karakteristik tembaga maka dilakukan percobaan ini yaitu dengan judul analisa perlakuan panas terhadap bahan logam yaitu tembaga. Heat Treatment ( perlakuan panas ) adalah salah satu proses untuk mengubah struktur logam dengan jalan memanaskan specimen pada elektrik terance ( tungku ) pada temperature rekristalisasi selama periode waktu tertentu kemudian didinginkan pada media pendingin seperti udara, air, air faram, oli dan solar yang masing-masing mempunyai kerapatan pendinginan yang berbeda-beda. berbeda-beda. [1] Sifat-sifat logam yang terutama sifat mekanik yang sangat dipengaruhi oleh struktur mikrologam disamping posisi kimianya, contohnya suatu logam atau paduan akan mempunyai sifat mekanis yang berbeda-beda struktur mikronya diubah. Dengan adanya pemanasan atau pendinginan degnan kecepatan tertentu maka bahan-bahan logam dan paduan memperlihatkan perubahan strukturnya.[1] Perlakuan panas adalah proses kombinasi antara proses pemanasan aatu pendinginan dari suatu logam atau paduannya dalam keadaan padat untuk mendaratkan sifat-sifat tertentu. Untuk mendapatkan hal ini maka kecepatan pendinginan dan batas temperature sangat menetukan. Ada beberapa proses-proses pada perlakuan pada Heat Treatment yaitu sebagai berikut:[3]
a. Quenching ( pengerasan ) Proses quenching atau pengerasan baja adalah suatu proses pemanasan logam sehingga mencapai batas austenit yang homogen. Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka audtenit perlu waktu pemanasan yang cukup. Selanjutnya secara cepat baja tersebut dicelupkan ke dalam media pendingin, tergantung pada kecepatan pendingin yang kita inginkan untuk mencapai kekerasan baja. Ini mencegah proses suhu rendah, seperti transformasi fase, dari terjadi hanya menyediakan jendela sempit waktu di mana reaksi ini menguntungkan kedua termodinamika dan kinetis diakses, dapat mengurangi kristalinitas dan dengan demikian meningkatkan ketangguhan dari kedua paduan dan plastik (dihasilkan melalui polimerisasi). Pada waktu pendinginan yang cepat pada fase austenit tidak sempat berubah menjadi ferit atau perlit karena tidak ada kesempatan bagi atomatom karbon yang telah larut dalam austenit untuk mengadakan pergerakan difusi dan bentuk sementitoleh karena itu terjadi fase lalu yang mertensit, imi berupa fase yang sangat keras dan bergantung pada keadaan karbon.[3] b. Anneling Proses anneling atau melunakkan baja adalah prose pemanasan baja di atas temperature kritis ( 723 °C )selanjutnya dibiarkan bebrapa lama sampai temperature merata disusul dengan pendinginan secara perlahanlahan sambil dijaga agar temperature bagian luar dan dalam kira-kira samahingga diperoleh struktur yang diinginkan dengan menggunakan media pendingin udara. Tujuan proses anneling : Melunakkan material logam, Menghilangkan tegangan dalam / sisa dan Memperbaiki butir-butir logam. [3] c. Normalizing Normalizing adalah suatu proses pemanasan logam hingga mencapai fase austenit yang kemudian diinginkan secara perlahan-lahan dalam media pendingin udara. Hasil pendingin ini berupa perlit dan ferit namunhasilnya jauh lebih mulus dari anneling. Pr insip dari proses normalizing adalah untuk melunakkan logam. Namun pada baja karbon tinggi atau baja paduan tertentu dengan proses ini belum tentu memperoleh baja yang lunak. Mungkin berupa pengerasan dan ini tergantung dari kadar karbon. [3] d. Tempering Proses tempering adalah pemanasan baja sampai temperature sedikit di bawah temperature kritis, kemudian didiamkan dalam tungku dan suhunya dipertahankan sampai merata selama 15 menit. Selanjutnya didinginkan dalam media pendingin. Jika kekerasan turun, maka kekuatan tarik turun pula. Dalamhal ini keuletan dan ketangguhan baja akan meningkat. Meskipun proses ini akan menghasilkan baja yang lebih lemah. Proses ini berbeda dengan anneling karena dengan proses ini belum tentu memperoleh baja yang lunak, mungkin berupa pengerasan dan ini tergantung oleh kadar karbon. [3] Sifat mekanik mterial adalah salah satu faktor yang mendasari pemilihan bahan dalam suatu perencanaan. Dapat diartikan sebagai respon atau perilaku yang diberikan dapat berupa gaya, torsi atau gabungan keduanya. Adapun sifat mekanik pada material antara lain : [2] a. Kekerasan merupakan kemampuan material untuk menahan deformasi plastis lokal akibat penetrasi di permukaan. b. Kekuatan merupakan kemapuan material untuk menahan deformasi plastis secara menyeluruh. c. Keuletan merupakan kemampuan material untuk menahan deformasi plastis maksimum sampai material itu patah. d. Kelentingan merupakan besarnya energi yang diserap material selama defor masi elastis berlangsung e. Ketangguhan merupakan besarnya energi yang diserap material sampai mater ial tersebut patah. f. Modulus Elastisitas[2]
Konduktivitas adalah kemampuan suatu bahan (larutan, gas, atau logam) untuk menghantarkan arus listrik. Dalam suatu larutan, larutan arus listik dibawa oleh kation-kation dan anion-anion, sedangkan dalam logam arus listrik dibawa oleh electron-elektron. Hantaran listrik merupakan kebalikan dari tahanan (resistanse) bila tahanan mempunyai satuan dasar ohm maka satuan dasar hantaran adalah “mho” atau biasa ditulis “Siemen/cm”, pada pengukuran konduktivitas air dan larutan – larutan kimia umumnya digunakan satuan Volt atau mV.[2]. Konduktivitas atau keterhantaran termal, k, adalah suatu besaran intensif bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. Konduksi termal adalah suatu fenomena transport di manaperbedaan temperatur menyebabakan transfer energi termal dari satudaerah benda panas ke daerah yang sama pada temperatur yang lebihrendah. Panas yang di transfer dari satu titik ke titik lain melalui salahsatu dari tiga metoda yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. [4] Viskositas dapat dinyatakan sebagai tahanan aliran fluida yang merupakan gesekan antara molekul-molekul cairan satu dengan yang lain. Suatu jenis cairan yang mudah
mengalir, dapat dikatakan memiliki viskositas yang rendah dan sebaliknya bahan-bahan yang sulit mengalir dikatakan memiliki viskositas tinggi. Sebagai contoh, air memiliki viskositas rendah, sedangkan minyak sayur memiliki viskositas yang lebih tinggi. Secara formal, viskositas (diwakili oleh simbol η "eta") adalah rasio dari tegangan geser (F / A) dengan gradien kecepatan (v x Δ / Δ z atau x dv / dz) dalam fluida. Satuan SI untuk viskositas adalah yang kedua pascal [Pa s], yang tidak memiliki nama khusus. [5] Atomic Packing Factor (APF) ialah Fraksi Volume yang diisi oleh atom, yang secara matematis diperoleh dari Volume atom pada unit cell satuan dibagi dengan Volume unit cell satuan.[5] Body Centered Cubic (BCC) secara bahasa artinya : Kubus pemusatan ruang. Umumnya struktrur Kristal ini dimiliki oleh : Crom (Cr), Besi Alpha, Molebdenum (Mo), Tantalum (Ta), dll. BCC ini mempunyai Number of atoms per unit cell (n), dimana n = 1 + (8 x 1/8) = 2. BCC juga mempunyai Coordination Number (CN) sejumlah = 8, CN ialah jumlah atomatom tetangganya yang mengelilinginya. Karena atom yang terpadat itu berada pada diagonal ruang maka untuk mencari Unit cell length (a) pada BCC, dirumuskan sebagai berikut : [4] = 4............................... (1) A=
=
R ....................... (2)
Sehingga untuk nilai APF nya BCC adalah sebagai berikut: ............... (3)
APF =
FCC secara bahasa artinya kubus pemusatan sisi. Umumnya struktrur Kristal ini dimiliki oleh : Alumunium, Besi Gamma, Timbal, Nickel, Platina, Ag, dll. FCC ini mempunyai Number of atoms per unit cell (n), dimana n = (6 x ½) + (8 x 1/8) = 4. FCC juga mempunyai Coordination Number (CN) sejumlah = 12. [4] a =2
................................... (4)
sehingga nilai APF nya untuk FCC in nilai a diganti dengan persamaan (4) tersebut. II.
[4]
metodologi
Pada percobaan ini alat dan bahan yang digunakan adalah tembaga digunakan sebagai bahan yang diberlakukan heat treatmen, amplas 220, 800 dan 1000 digunakan untuk mengamplas tembaga agar bisa menjadi bentuk yang ditentukan ( sampai halus). Kemudian alat grinding digunakan untuk menggrinding tujuan nya agar tembaga bisa halus dan rata pada bagian sisinya. Langkah kerja pada percobaan ini adalah sebagai berikut yang pertama dilakukan adalah memotong tembaga menjadi 4 bagian dengan masing masing tinggi 10 cm. Kemudian tembaga di grinding dengan menggunakan amplas 220, 600, 800 dan 1000. Ketika menggrinding harus hati hati agar struktur tembaganya tidak cacat dan tetap halus dengan cara menggrindingnya harus searah. Setelah melalui proses grinding sampai tahap amplas 1000, ketiga tembaga dimasukkan ke dalam furnace selama 30 menit.
Gambar 2.1 Sebelah kiri alat Grinding dan sebelah kanan alat Tube furnace Sebelum tembaga dimasukkan ke dalam furnace, furnace ditunggu suhu nya sampai 220 C dahulu. Ketika furnace suhu nya masih naik maka ditunggu sampai suhu furnace kembali ke 2200C. Setelah selesai 30 menit, ketiga tembaga diangkat dan tembaga 1 dimasukkan ke dalam larutan garam (NaCl), tembaga 2 dimasukkan ke dalam minyak dan tembaga 3 dimasukkan ke dalam air. 0
Gambar 2.2 Media Pendingin Untuk tembaga 4 tidak diberi perlakuan panas karena nantinya untuk perbandingan. Langkah selanjutnya tembaga pada masing masing larutan diangkat dan di ukur suhunya dengan pyrometer. Pada pyrometer suhunya harus 31 0C, karena suhu tembaga yang sudah dingin. Kemudian dilakukan penggrindingan lagi dengan amplas 1000. Penggrindingan ini dilakukan sebentar saja agar tidak merubah struktur tembaga. Lalu tembaga di uji fikers untuk mendapatkan hasil nilai hv nya. Uji fikers dilakukan pada 2 titik sisi tembaga yang sudah di grinding tadi. Sehingga dari hasil grinding didapatkan sisi tembaga yang sudah halus strukturnya sebagai berikut:
Gambar 2.3 Hasil tembaga yang sudah digrinding Adapun flowchart dalam percobaan ini agar lebih mudah memahami langkah langkah kerja pada percobaan konduktivitas termal ini.
Gambar 2.4 Flowchart Percobaan Heat Treatment III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasul percobaan maka didapatkan nilai hV pada masing masing tembaga dan hasil foto pada masing masing tembaga karena mendapatkan penekanan dari alat uji fikers. Berikut hasilnya kami sajikan dalam bentuk tabel.
Tabel 1 Nilai hV pada masing masing tembaga Hasil (nilai)
HV
Tanpa Perlakuan 59.4
Air 67.1
Larutan Pendingin NaCl 68.3
Minyak 57.4
Dari nilai hV tersebut didapat dari tembga yang ditekan sehingga membentuk suatu patahan pada sisi yang telah digrinding. Berikut hasil foto dari masing masing tembaga yang di uji fikers.
Gambar 3.1. Hasil pengambilan data hV pada vickers untuk logam tanpa perlakuan
Gambar 3.2. Hasil pengambilan data HV pada vickers untuk logam dengan larutan pendingin air
Gambar 3.3. Hasil pengambilan data HV pada vickers untuk logam dengan larutan pendingin NaCl
Gambar 3.4. Hasil pengambilan data HV pada vickers untuk logam dengan larutan pendingin minyak Dari segi perlakuan sudah dapat dipahami dan dimengerti bahwa ke empat tembaga tersebut salah satunya tidak mendapat perlakuan sama sekali. Dari mulai digrinding dan dimasukkan ke dalam furnace. Dari struktur tembaga yang tidak mendapat perlakuan sama sekali, tembaga tersebut struktur dan bentuk sisinya masih kasar, sedangkan yang mendapat perlakuan struktur dan bentuk pada bagian sisi nya halus dan rata. Untuk nilai hv nya, tembaga yang nilai hv nya tinggi yaitu pada tembaga yang mendapat perlakuan panas dan didinginkannya dengan larutan NaCl yaitu sebesar 68,3. Kemudian pada tembaga yang mendapat perlakuan panas dan didinginkan dengan larutan air nilai hv nya sebesar 67,1 sedangkan didinginkan dengan oli sebesar 57,4. Dan tembaga yang tidak mendapat perlakuan panas nilai hv ny sebesar 59,4. Hal ini sesuai dengan teori dimana suatu
logam yang dicelupkan dengan larutan garam maka NaCl akan mengalami pengkristalan. Hal ini tampak setelah dilakukan perlakuan di angkat dari alat furnace dan dimasukkan ke larutan garam. Setelah sisi tembaga di lap dengan tisu, terlihat terdapat warna kuning kuning seperti garam yang mengendap di sisi tembaga. Pada proses pendinginan di dalam percobaan ini menggunakan metode quenching karena dengan menggunakan metode quenching ini, pendinginan tidak dibutuhkan dalam jangka waktu yang lama. Dari laju pendinginan yang sangat cepat ini akan menghasilkan kekuatan dan kekerasan pada bahan tembaga yang lebih tinggi. Pada tahap quenching ini, karbon yang terperangkap akan menyebabkan tergesernya atom-atom sehingga terbentuk struktur body center tetragonal. Atom-atom yang tergeser dan karbon yang terperangkap akan menimbulkan struktur sel satuan yang tidak setimbang (memiliki tegangan tertentu). Struktur yang bertegangan ini disebut martensit dan bersifat sangat keras dan getas. Pada proses quenching tujuan utama proses pengerasan adalah untuk meningkatkan kekerasan benda kerja dan meningkatkan ketahanan aus. Makin tinggi kekerasan akan semakin tinggi pula ketahanan ausnya. Laju pendinginan untuk tembaga yang diquench di minyak relatif rendah karena tingginya titik didih dari minyak. Karena viskositas minyak tinggi sehingga laju pendinginannya rendah dan mengakibatkan nilai hv nya rendah. Unuk media pendingin larutan garam memiliki viskositas yang rendah sehingga nilai kekentalan cairan kurang, sehingga laju pendinginan cepat dan massa jenisnya lebih besar dibandingkan dengan media pendingin lainnya. Untuk media pendingin air memiliki massa jenis yang besar tapi lebih kecil dari air garam, kekentalannya rendah sama dengan air garam. Laju pendinginannya lebih lambat dari air garam. Sehingga nilai hv nya pun juga semakin kecil dibandingkan dengan nilai hv pada tembaga yng didinginkan dengan larutan garam. Semakin tinggi viskositas suatu media pendingin, maka laju pendinginan semakin lambat, Viskositas adalah sebuah ukuran penolakan sebuah fluid terhadap perubahan bentuk di bawah tekanan shear. Biasanya diterima sebagai "kekentalan", atau penolakan terhadap penuangan. Viskositas menggambarkan penolakan dalam fluid kepada aliran dan dapat dipikir sebagai sebuah cara untuk mengukur gesekan fluida. Air memiliki viskositas rendah, sedangkan minyak memiliki viskositas tinggi. Dan yang paling rendah viskositasnya yaitu larutan garam. IV.
KESIMPULAN
Dari percobaan yang telah dilakukan dan dari data serta hasil perhitungan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa : a.
Semakin suatu bahan material yaitu tembaga diberi perlakuan heat treatmen maka nilai kekerasan tembaga tersebut semakin tinggi. b. Semakin rendah viskositas media pendinginannya maka semakin cepat laju pendinginannya. Maka semakin besar nilai kekerasan tembaga tersebut. c. Untuk nilai hv nya, tembaga yang didinginkannya dengan larutan NaCl yaitu sebesar 68,3. Kemudian pada tembaga yang didinginkan dengan larutan air nilai hv nya sebesar 67,1 sedangkan didinginkan dengan minyak sebesar 57,4. Dan tembaga yang tidak mendapat perlakuan panas nilai hv ny sebesar 59,4.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten laboratorium bahan , Pulung Subuh Nur Baity dan Roihatur Rohmah yang telah membimbing saya dalam praktikum Heat Treatment. Serta ucapan terima kasih kepada anggota kalompok praktikum ini yang telah bekerja sama dengan baik dan benar. DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
Aver, H. 1985. “Fisika Metalurgi”. Erlangga:Jakarta Holman, J.P.1982. “Perlakuan Panas”.Erlangga, Jakarta
Liscic, B and G.E Totthen.2003.”Advances in Polymer Quenching Technology”. Unio Carbide Coorporation:New York [4] Thelning, Karl-Erik.1975.”Steel and Its Heat Treatment”.Butterworth:London [5] Holman, J.P.1982. “Perlakuan Panas”.Erlangga, Jakarta [3]
