ILMU BAHAN Material Science - Politeknik Perkapalan Negeri

ILMU BAHAN
Material Science
“PADUAN LOGAM”
Metal Alloy
Mochamad Yusuf Santoso, S.T., M.T., M.Sc.
Program Studi D4 Teknik Keselamatan dan Kesehatan (K3)
Jurusan Teknik Permesinan Kapal
Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya
Mengapa Belajar ‘Paduan Logam’?
• Logam dan paduannya memiliki banyak jenis,
masing-masing memiliki karakteristik yang
berbeda
• Sebagai seorang engineer yang sering dilibatkan
dalam pemilihan material, pengetahuan akan
logam dan paduan nya menjadi sangat penting
Klasifikasi Logam
Steels / Baja
• Paduan antara besi (Fe) dan karbon (C) 
Besi Karbon (Fe3C)
• Klasifikasi baja paling umum berdasarkan
konsentrasi karbon:
 Low-carbon steel
 Medium-carbon steel
 High-carbon steel
Low-Carbon Steels
• Mengandung karbon kurang dari 0.25 wt%
• Mekanisme penguatan dilakukan dengan cold
work
• Memiliki sifat relativ lunak dan lemah, tetapi
memiliki kelenturan dan ketangguhan yang bagus
• Mudah untuk di-machining, bisa di-las (weldable)
• Paling murah biaya produksinya
• Typical applications include automobile body
components, structural shapes (I-beams, channel
and angle iron), and sheets that are used in
pipelines, buildings, bridges, and tin cans
Low-Carbon Steels
Medium-Carbon Steels
• Konsentrasi karbon antara 0.25 wt% - 0.60
wt%
• Dapat
diberikan
perlakukan
panas
(austenitizing, quenching, dan tempering)
untuk meningkatkan sifat mekanisnya
• Paduan ini memiliki sifat lebih kuat dari lowcarbon steel, tetapi kelenturan dan
ketangguhannya berkurang
• Applications include railway wheels and
tracks, gears, crankshafts, and other
machine parts
Medium-Carbon Steels
High-Carbon Steels
• Memiliki kandungan karbon antara 0.60
wt% - 1.4 wt%
• Merupakan baja yang paling keras, kuat
dan kaku
• These steels are utilized as cutting tools
and dies for forming and shaping
materials, as well as in knives, razors,
hacksaw blades, springs, and highstrength wire.
High-Carbon Steels
Stainless Steels
• Elemen paduan utama dengan besi adalah
kromium, dengan konsentrasi minimal 11 wt%
• Resistansi terhadap korosi yang tinggi
• Resistansi tersebut dapat ditingkatkan dengan
menambah nikel (Ni) atau molibdenum (Mo)
• Equipment employing these steels includes gas
turbines, high-temperature steam boilers, heattreating furnaces, aircraft, missiles, and nuclear
power generating units
Stainless Steels
Steel Applications
Besi Tuang (Cast-Iron)
• Paduan besi yang kandungan karbonnya di atas 2.14
wt%, umumnya antara 3.0 wt% - 4.5 wt%
• Selain karbon, juga mengandung elemen paduan
lainnya
• Mudah leleh, sehingga mudah untuk dibentuk
(dicetak)
• Sangat rapuh (brittle)
• Terdiri dari beberapa jenis (berdasar komposisi
paduan):
 Gray Iron
 Ductile (Nodular) Iron
 Malleable Iron
 Compacted Graphite Iron
Besi Tuang (Cast-Iron)
Aplikasi Besi Tuang (Cast-Iron)
Logam Non-Ferros
• Logam ferros sangat banyak digunakan, tetapi
memiliki beberapa kekurangan
1. Densitas relativ tinggi
2. Konduktivitas listrik relativ kecil
3. Rentan terhadap korosi pada beberapa kondisi
• Beberapa logam non-ferros yang umum digunakan
antara lain:
 Tembaga
 Aluminium
 Magnesium
 Titanium
 Refractory metal
 Logam mulia
Tembaga / Copper (Cu)
• Merupakan logam yang lunak, dapat
ditempa, dan lentur
• Memiliki konduktivitas termal dan listrik
yang tinggi
• Tahan terhadap korosi pada lingkungan
atmosfer, air laut dan industri kimia
• Untuk meningkatkan sifat mekanik, dapat
dilakukan melalui mekanisme cold working
• Beberapa paduan tembaga yang sering
dijumpai antara lain: kuningan dan perunggu
Kuningan vs Perunggu
KUNINGAN
• Cu + Zn
• Konsentrasi Zn
mendekati 35 wt%
• relatively soft, ductile,
and easily cold worked
• Beberapa penggunaan
kuningan: perhiasan,
radiator, instrumen
musik, koin
PERUNGGU
• Cu + Pb + Al + Si + Ni
• Lebih kuat dari
kuningan
• Memiliki sifat tahan
terhadap korosi sama
dengan kuningan
• Aplikasi: jet aircraft
landing gear bearings
and bushings, springs,
and surgical and dental
instruments
Aluminium (Al)
• Logam yang relativ lebih rendah densitas nya (2.7
g/cm3) dibandingkan dengan bajar (7.9 g/cm3)
• Memiliki konduktivitas listrik dan panas yang
tinggi
• Tahan terhadap korosi pada beberapa lingkungan
• Bersifat lentur (walau pada suhu rendah), tetapi
memiliki titik lebur yang relativ rendah (660 oC)
• Cold working dapat meningkatkan kekuatan
mekaniknya, namun berakibat pada berkurangnya
ketahanan terhadap korosi
• Elemen paduan untuk aluminium antara lain:
copper, magnesium, silicon, manganese, and zinc
Aluminium (Al)
Aluminium (Al)
Magnesium (Mg)
• Sifat yang paling menonjol dari magnesium adalah
kerapatannya yang kecil ( ρ = 1.7 gr/cm3), paling
rendah di antara logam yang lain
• Sifat mekaniknya lunak dan modulus elatisitas nya
rendah
• Memiliki titik lebur yang rendah (651 oC)
• Produksinya bisa melalui casting atau cold working
• Rentan terhadap korosi jika di air laut, namun tahan
jika di udara
• Magnesium serbuk mudah terbakar jika berada di
udara
• Elemen paduan untuk magnesium antara lain:
Aluminum, zinc, manganese
Magnesium (Mg)
Magnesium (Mg)
Titanium (Ti)
• Logam yang relatif baru dalam dunia engineering
• Titanium murni memiliki sifat densitas rendah
(4.5 gr/cm3), titik lebur tinggi (1668 oC)
• Paduan titanium akan memiliki sifat sangat kuat,
lentur dan mudah untuk di machining
• Biaya produksi titanium cukup mahal
• Than terhadap korosi di udara, laut, dan
beberapa lingkungan industri
• Titanium are commonly utilized in airplane
structures, space vehicles, surgical implants, and
in the petroleum and chemical industries
Titanium (Ti)
Titanium (Ti)
Refractory Metals
• Terdiri dari niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W),
dan tantalum (Ta)
• Logam yang memiliki titik lebur sangat tinggi, antara 2468 oC
(Nb) sampai 3410 oC (W)
• Modulus elastisitas nya tinggi, kuat dan keras, baik pada
suhu kamar maupun suhu tinggi
• Tantalum dan molybdenum dipadukan dengan stainless steel
untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi
• Molybdenum digunakan untuk extrusion dies dan structural
parts in space vehicles
• Filamen lampu pijar, x-ray tubes dan welding electrodes
menggunakan paduan tungsten
• Tantalum tahan terhadap chemical attack pada suhu di
bawah 150 oC, dan sering digunakan jika membutuhkan
material yang tahan terhadap korosi
Logam Mulia (The Noble Metals)
• Logam yang mahal (precious) dan sifat nya
superior
• Soft, ductile, and oxidation resistant
• The noble metals are silver, gold, platinum,
palladium, rhodium, ruthenium, iridium, and
osmium
• Paduan perak dan emas, selain digunakan untuk
perhiasan, biasa digunakan sebagai dental
restoration materials. Beberapa kontaktor pada
IC menggunakan emas
• Platina digunakan untuk peralatan laboraturium
kimia, katalis (pada produksi BBM), dan pada
thermocouples untuk mengukur suhu tinggi
Pemrosesan Logam
Hot Working / Heat
Treatment
• Terjadi
di
atas
temperatur
rekristalisasi
• Logam
soft
and
ductile,
sehingga
deformasi
dapat
terjadi berulang-ulang
• Membutuhkan
energi
yang lebih rendah
Cold Working
• Terjadi di bawah
temperatur
rekristalisasi
• Meningkatkan
kekuatan, kelenturan
berkurang
• Kualitas permukaan
yang lebih bagus
• Sifat mekanik yang
lebih bagus
Hot Working / Heat Treatment
Macam-macam Hot Working
• Annealing
• Normalizing
• Hardening
- Tempering
- Stress relief annealing
- Surface hardening, dll
Cold Working
Macam-macam Cold Working
Annealing
• Heat Treatment yang sering dilakukan
terhadap logam dalam pembuatan suatu
produk.
• dilakukan dengan memanaskan logam
sampai temperatur tertentu, menahan
pada temperatur tertentu tadi selama
waktu tertentu agar tercapai perubahan
yang diinginkan lalu, mendinginkannya
dengan laju pendinginan yang cukup
lambat
Normalizing
• Proses normalizing dilakukan dengan memanaskan
bahan
lebih
kurang
1700oF
(925oC),
kemudian
dinginkan pada still air (udara)
• Pada umumnya hasil dari normalizing mempunyai
strukturmikro lebih halus, sehingga untuk baja
dengan komposisi kimia yang sama akan mempunyai
yield strength, kekerasan dan impact strength yang
lebih
tinggi
annealing.
daripada
yang
diperoleh
melalui
Stress Relieving
•
Stress
Relieving
dimaksudkan
untuk
menghilangkan
tegangan dalam yang timbul sebagai akibat dari :
1. proses pengerjaan dingin atau machining yang dialami
sebelumnya.
2. pendinginan
yang
tidak
sama
dalam
proses
seperti
pengelasan atau casting.
•
Benda yang baru mengalami pengerjaan dingin atau
machining yang berat akan menyimpan tegangan dalam.
Adanya tegangan dalam ini akan mengakibatkan bahan
tersebut menjadi getas. Untuk menhindari itu perlu
dilakukan stress relieving
Hardening (Pengerasan)
•
salah satu perlakuan panas dengan kondisi non
equilibrium, pendinginannya sangat cepat, sehingga
strukturmikro yang akan diperoleh juga adalah
strukturmikro yang tidak ekuilibrium
•
Hardening
dilakukan
hingga
mencapai
dipertahankan
dengan
beberapa
memanaskan
temperatur
saat
pada
baja
austenit,
temperatur
tersebut, lalu didinginkan dengan cepat, sehingga
akan diperoleh martensit yang keras.
•
Biasanya sesudah proses hardening selesai, segera
diikuti dengan proses tempering.
Hardening (Pengerasan)
• Kekerasan maksimum yang dapat dicapai setelah
proses hardening banyak tergantung pada kadar
karbon, makin tinggi kadar karbonnya makin
tinggi kekerasan maksimum yang dapat dicapai.
• Pada baja dengan kadar karbon rendah, kenaikan
kekerasan
setelah
hardening
hampir
tidak
berarti, karenanya pengerasan hanya dilakukan
terhadap
baja
dengan
kadar
karbon
memadai, tidak kurang dari 0,30 %C.
yang
Hardening (Pengerasan)
• Kekerasan maksimum akan tercapai jika laju
pendinginan
harus
dapat
mencapai
laju
pendinginan kritis (Critical Cooling Rate – CCR)
• Laju pendinginan yang terjadi pada suatu benda
kerja
tergantung
pada
beberapa
faktor,
terutama:
o jenis media pendingin
o temperatur media pendingin
o kuatnya sirkulasi/olakan pada media pendingin
Hardening (Pengerasan)
Beberapa media pendingin yang sering
digunakan pada proses hardening, menurut
kekeuatan pendinginannya:
•Brine (air + 10% garam dapur).
•Air.
•Salt bath (garam cair).
•Larutan minyak dalam air.
•Minyak.
•Udara.