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 low-carbon 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 high-strength 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, heat-treating 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 Densitas relativ tinggi Konduktivitas listrik relativ kecil 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) http://images-of-elements.com/titanium.php

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 - Tempering Normalizing - Stress relief annealing Hardening - Surface hardening, dll

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 daripada yang diperoleh melalui annealing.

Stress Relieving Stress Relieving dimaksudkan untuk menghilangkan tegangan dalam yang timbul sebagai akibat dari : proses pengerjaan dingin atau machining yang dialami sebelumnya. 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 dengan memanaskan baja hingga mencapai temperatur austenit, dipertahankan beberapa saat pada 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 yang memadai, tidak kurang dari 0,30 %C.

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: jenis media pendingin temperatur media pendingin 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.