© EPUB, Universiti Malaysia Perlis, 2017Hak Cipta Terpelihara. Tiada mana-mana bahagian daripada penerbitan ini boleh diterbitkan semula atau disimpan dalam bentuk yang bolehdiperolehi semula atau disiarkan dalam bentuk dengan apa cara sekalipun termasuk elektronik, mekanikal, fotokopi, rakaman atau sebaliknyatanpa mendapat izin daripada Penerbit Universiti Malaysia Perlis, MALAYSIA.ISBN 978-967-5415-33-6 (Print)e-ISBN 978-967-0922-50-8 (eBook)Diterbitkan oleh Penerbit UniMAP, Universiti Malaysia Perlis No. 98, Blok A, Taman Pertiwi Indah, Jalan Kangar-Alor Setar, Seriab, 01000Kangar, Perlis. MALAYSIAAhli Majlis Penerbitan Ilmiah Malaysia (MAPIM), KementerianPendidikan Tinggi MalaysiaTel: (04) 979 8131, Fax: (04) 977 5135Laman Sesawang: http://penerbit.unimap.edu.myE-mel: [email protected] terbaik untuk buku elektronik ini ialah dengan iBooks. Penerbit UniMAP tidak bertanggungjawab di atas sebarang kehilangan dankerosakan yang disebabkan oleh pengggunaan aplikasi lain. Maklumat yang diberikan di dalam buku elektronik ini hanya untuk tujuankandungan umum sahaja. Walau bagaimanapun kami cuba mengemaskini maklumat terkini dengan tepat, tiada pernyataan atau jaminan, secaranyata atau tersirat tentang kesempurnaan, ketepatan, kebolehpercayaan, kesesuaian atau ketersediaan berkenaan dengan maklumat, produk,perkhidmatan, atau grafik yang terkandung dalam buku elektronik ini. Sebarang penggunaan maklumat dalam buku elektornik ini adalahtanggungjawab anda sendiri.
KANDUNGANPRAKATABAB 1 PENGENALAN1.1 PENGENALAN KEPADA LOGAM FERUS1.2 PROSES PENGHASILAN BESI 1.2.1 Relau Bagas 1.2.2 Loji Pengurangan Langsung (Direct Reduction Plant)1.3 PROSES PENGHASILAN KELULI1.4 TERMONOLOGI KELULI 1.4.1 American Iron and Steel Institute (AISI) And Society of Automotive Engineers (SAE) 1.4.2 ASTM International (American Society for Testing and Materials) 1.4.3 UNS (Unified Numbering System) 1.4.4 JIS (Japanese Industrial Standards) 1.4.5 DIN (Deutsches Institut fur Normung)BAB 2 SIFAT LOGAM FERUS2.1 STRUKTUR HABLUR2.2 GAMBAR RAJAH FASA ALOI BESI-KARBON2.3 KESAN KARBON TERHADAP SIFAT-SIFAT KELULI2.4 RAWATAN HABA KELULI 2.4.1 Penyepuhlidapan Penuh 2.4.2 Penyepuhlidapan Proses 2.4.3 Penormalan 2.4.5 PembajaanBAB 3 JENIS-JENIS KELULI3.1 KELULI KARBON DAN KELULI ALOI3.2 KELULI ALOI RENDAH BERKEKUATAN TINGGI (HSLA)3.3 KELULI TAHAN KARAT 3.3.1 Keluli Tahan Karat Austenit 3.3.2 Keluli Tahan Karat Berferit 3.3.3 Keluli Tahan Karat Dupleks 3.3.4 Keluli Tahan Karat Martensit
3.4 KELULI TAHAN PANAS3.5 KELULI PERKAKASBAB 4 PEMPROSESAN DAN PENGHASILAN LOGAM FERUS4.1 METALURGI SERBUK 4.1.1 Penghasilan Serbuk 4.1.2 Pengadunan 4.1.3 Pemadatan Atau Penekanan 4.1.4 Pensinteran 4.1.5 Kepentingan Metalurgi Serbuk 4.1.6 Kelemahan Metalurgi Serbuk4.2 PENGGELEKAN 4.2.1 Pengenalan 4.2.2 Asas Proses Penggelekan 4.2.3 Penggelekan Panas 4.2.4 Penggelekan Sejuk4.3 TEMPAAN 4.3.1 Pengenalan 4.3.2 Tempaan Acuan Terbuka 4.3.3 Tempaan Jatuh 4.3.4 Tempaan Tekanan 4.3.5 Tempaan Upset 4.3.6 Tempaan Gelek4.4 PENYEMPERITAN 4.4.1 Penyemperitan Langsung 4.4.2 Penyemperitan Tak Langsung 4.4.3 Penyemperitan Hidrostatik 4.4.4 Penyemperitan Hentaman4.5 PENARIKAN4.6 TEKNIK PENUANGAN LOGAM 4.6.1 Tuangan Acuan Tak Kekal 4.6.1.1 Tuangan Pasir 4.6.1.2 Tuangan Plaster 4.6.1.3 Tuangan Seramik 4.6.1.4 Tuangan Pelaburan (Investment Casting) 4.6.1.5 Tuangan Paten Menyejat
4.6.2 Proses Tuangan Acuan Kekal 4.6.2.1 Tuangan Acuan Kekal 4.6.2.2 Tuangan Slusy 4.6.2.3 Tuangan Himpitan 4.6.2.4 Tuangan Hempar 4.6.2.5 Tuangan Berterusan
PRAKATAUmum mengetahui kepentingan bahan logam dalam kehidupan manusia seharian.Walau bagaimanapun, tidak ramai yang mempunyai pemahaman jelas berkaitan dengan bahan ini. Situasi ini mengilhamkan para penulis buku ini untuk menghasilkan buku Logam Ferus ini. Objektif utamapenulisan buku ini adalah untuk memperbanyakkan bahan rujukan berkaitan bahan logam ferus dalammedium Bahasa Melayu bagi kegunaan para pelajar dan masyarakat secara amnya.Perancangan penulisan buku ini difokuskan kepada memberi pemahaman secara umum berkenaan denganlogam ferus serta sifat-sifat metalurginya.Selain itu, jenis-jenis keluli yang mendasari penggunaan logamferus secara meluas turut dijelaskan.Buku ini juga membincangkan kaedah-kaedah pemprosesan logamferus dalam penghasilan produk-produk akhir yang boleh dimanfaatkan oleh pengguna.Penulis-penulis buku ini mendedikasikan jutaan terima kasih kepada pihak universiti terutamanya kepadaY. Bhg Brig. Jen.Prof. Dato’ Dr Kamarudin Hussin, Naib Canselor UniMAP yang memberikan sokonganpadu kepada kami dalam menjayakan penulisan buku ini. Selain itu, penghargaan juga diberikan kepadakepada En. Mustafa Al-Bakri Abdullah serta pihak pengurusan Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan diatas kerjasama dan bantuan yang diberikan. Tidak dilupakan juga kepada individu-individu lain sertakeluarga tercinta yang turut sama membantu sama ada disedari ataupun tidak.Murizam DarusFaizul Che PaRuhiyuddin Mohd ZakiM ohd Arif Anuar M ohd Salle h
1PENGENALANBahan Kejuruteraan merupakan satu cabang teknologi yang sangat luas. Sejak dahulu lagi, terdapat pelbagai bahan kejuruteraan seperti logam, seramik, polimer, semikonduktor, kaca dan komposit (Rajah 1.1). Ini termasuklah logam ferus yang bakal dibincangkan dengan lebih lanjut dalam bukuini.Metalurgi atau Kaji Logam adalah satu bidang dalam sains bahan dan kejuruteraan bahan yang mengkajisifat fizik dan kimia unsur logam dan sebatiannya (yang dipanggil aloi). Metalurgi tidak terhad kepadamengeluarkan logam dari bijih atau batuan asalnya. Istilah metalurgi moden kini lebih meluas;mengeluarkan dan menyediakan logam beradioaktif, mengeluarkan logam dari bijih batuan bermuturendah, mengeluar dan menulenkan logam berharga, dan menyediakan formulasi campuran logam bagimembentuk aloi. Kini, metalurgi dalam bidang logam berharga semakin mendapat perhatian dan pakar didalam metalurgi logam berharga sering diperlukan.‘Metal’ berasal dari perkataan Greek; metallon dan Latin; metallum yang kedua-duanya membawamaksud yang sama; mine atau metal (logam). Logam terbahagi kepada dua kumpulan iaitu ‘Ferus’ dan‘Bukan Ferus’. Logam ferus mengandungi besi (ferum) manakala logam bukan ferus terdiri dari tiga jenis;nobel atau logam yang berharga, logam asas (base metal) dan logam ringan (light metal).
Rajah 1.1: Klasifikasi Bahan KejuruteraanDalam bidang kimia, logam adalah sejenis unsur yang bersedia untuk membentuk ion (kation) danmempunyai ikatan logam. Logam-logam biasanya diterangkan sebagai sebuah kekisi ion-ion positif(kation) yang dikelilingi elektron-elektron tak setempat. Pada asasnya, terdapat dua pendekatan bagimenjelaskan proses pembentukan ikatan logam. Pendekatan pertama menyatakan bahawa atom-atom logammendermakan elektron terluar atau elektron valens ke dalam hablur sehingga terbentuk ‘lautan elektron’sedangkan atom induknya adalah pulau-pulau kecil di lautan tersebut (Rajah 1.2). Model ini diterimadengan meluas pada zaman dahulu kerana lautan elektron yang mudah bergerak tersebut dapat menjelaskansifat kekonduksian elektrik dan haba bagi sesuatu logam sedangkan takat lebur yang tinggi adalah terjaditarik menarik yang kuat antara lautan elektron bercas negatif dengan atom-atom induknya yang dianggapbercas positif. Akibatnya, banyak tenaga haba diperlukan untuk meleburkan logam tersebut.Bagaimanapun, model lautan elektron ini amat terbatas kerana banyak sifat logam yang tidak dapatdijelaskan. Antaranya ialah sifat semikonduktor metaloid.
Rajah 1.2: : Teori Ikatan Logam Berdasarkan Model Lautan ElektronPendekatan yang digunakan kini bagi menjelaskan adanya ikatan logam dinamakan teori jalur. Asas teorijalur untuk menerangkan terjadinya ikatan logam ialah pembentukan orbital-orbital molekul meliputikeseluruhan atom-atom logam. Sebagai contoh, kita lihat pembentukan orbital molekul dalam hablur litiumyang terdiri daripada sejumlah atom tertentu. Namun begitu, pembentukan orbital hanya ditumpukankepada orbital valens iaitu orbital 2s. Konfigurasi elektron bagi atom litium ialah 1s2 2s1. Bayangkanorbital 2s seleruh atom dalam hablur tersebut digabungkan bagi menghasilkan orbital-orbital molekul.Banyaknya pusat-pusat orbital molekul tersebut adalah sama dengan jumlah atom di dalam hablur. Begitujuga bilangan orbital molekul yang terbentuk juga adalah sama dengan jumlah orbital 2s yang terlibat.Orbital-orbital molekul yang terhasil mempunyai tenaga yang berbeza. Bagaimanapun perbezaaan tenagadari satu orbital molekul dengan orbital molekul yang lain amat kecil sehingga apa yang terjadi ialahpembentukan satu jalur. Oleh itu jalur yang dimaksudkan disini adalah terdiri daripada orbital-orbitalmolekul yang tersusun rapat dan perbezaan tenaganya amat kecil seperti yang digambarkan dalam Rajah1.3.Rajah 1.3: : Pembentukan Jalur Dalam Hablur LitiumPembentukan jalur-jalur yang lebih lengkap bagi logam litium ditunjukkan dalam Rajah 1.4. Jalur 1s tidakmembantu kepada pembentukan ikatan logam kerana bilangan elektron yang mengisi orbital molekul ikatansama dengan bilangan elektron yang mengisi orbital molekul anti-ikatan. Oleh itu ikatan logam terjadi
kerana terdapatnya elektron dalam jalur 2s. Jalur ini dinamakan jalur valens (JV) kerana terbentukdaripada gabungan orbital valens. Oleh kerana orbital valens 2s atom litium terisi separuh penuh makajalur 2s juga terisi separuh penuh oleh elektron. Di dalam logam litium juga terbentuk jalur 2p yangkosong dan dinamakan juga jalur konduksi (JK) atau jalur penghantar (JP). Sebahagian tenaga JP inibertumpang tindih dengan tenaga JV. Oleh itu dengan hanya membekalkan sedikit tenaga, sebahagianelektron daripada JV akan berpindah dan bergerak bebas di dalam JP logam. Keadaan inilah yangmenjelaskan mengapa litium bersifat sebagai pengalir elektrik dan haba yang baik.Rajah 1.4: : Jalur-Jalur Logam LitiumLogam adalah satu daripada tiga kumpulan unsur yang dikenal pasti melalui sifat-sifat pengionan danikatan, yang lainnya adalah metaloid dan bukan logam. Di dalam jadual berkala, satu garis pepenjuru yangdilukis daripada boron (B) kepada polonium (Po) membezakan logam dan bukan logam. Unsur-unsur padagaris ini adalah metaloid, kadang kala dipanggil ala logam; unsur-unsur ke sebelah bawah kiri merupakanlogam-logam, manakala di sebelah atas kanan adalah bukan logam. Di dalam jadual berkala, unsur logamterletak di bahagian bawah sebelah kiri (Rajah 1.5). Keupayaan elektron dalam logam yang bergerakdengan bebas menyebabkan logam memiliki ciri-ciri tertentu seperti boleh mengalirkan haba dari satubahagian ke bahagian lain dengan baik. Oleh sebab itu, logam mempunyai aliran terma yang tinggi.
Rajah 1.5: : Jadual Berkala (Logam & Bukan Logam)
Kebanyakan logam secara kimianya kurang stabil, dan bertindak balas dengan oksigen dalam udara untukmembentuk oksida pada jangka masa yang berbeza-beza (contohnya besi berkarat setelah bertahun-tahunmanakala kalium terbakar dalam beberapa saat). Logam Alkali bertindak balas paling cepat diikutidengan logam Alkali Bumi, kedua-dua kumpulan didapati pada kumpulan penghujung terkiri dalam jadualberkala. Logam peralihan mengambil masa yang lebih lama untuk teroksida (contohnya besi, tembaga,zink, nikel). Yang lainnya, seperti paladium, platinum dan emas, langsung tidak bertindak balas denganatmosfera. Sesetengah logam membentuk lapisan pelindung oksida pada permukaannya yang tidak dapatditembusi selanjutnya oleh molekul-molekul oksigen, seterusnya mengekalkan rupa kilauan dankekonduksian yang baik setelah berdekad-dekad lamanya (seperti aluminium, sesetengah keluli, dantitanium). Oksida-oksida logam adalah bersifat bes (berlawan dengan bukan logam, yang bersifat asid).Logam mempunyai susunan atom yang dinamakan sebagai hablur. Untuk menentukan ketumpatan dan sifat-sifat yang berkaitan dengan logam, susunan atom ini adalah sangat penting untuk diketahui. Apabila logamdipanaskan melebihi daripada suhu takat leburnya, susunan hablur ini akan musnah. Sekiranya semua atomserupa, bilangan atom yang terdapat dalam per sentimeter kiub boleh dikira dengan mudah. Nombor atomsuatu unsur ialah bilangan proton dalam satu atom unsur itu. Disebabkan bilangan proton sama denganbilangan elektron dalam sebarang atom neutral, maka bilangan proton juga ialah bilangan elektron dalamatom neutral itu. Sebagai contoh, Karbon (C) mempunyai 12 proton, maka nombor atom Karbon ialah 12.Secara tradisional, logam mempunyai sifat-sifat fizikal tertentu. Ia biasanya berkilau, mempunyaiketumpatan tinggi, adalah mulur dan mudah ditempa, biasanya mempunyai titik lebur yang tinggi, biasanyakeras serta dapat mengalirkan elektrik dan haba. Selain itu, logam juga boleh mengalirkan bunyi dengansangat baik. Logam-logam tersebut mempunyai kelebihan dan kelemahan masing-masing. Walaupun begitu,logam-logam tersebut banyak digunakan pada masa kini dalam pelbagai bidang. Contohnya dalam industripembuatan pesawat, automotif, industri pembinaan, kimia dan lain-lain.Secara amnya logam memiliki sifat-sifat berikut: a) Pada suhu bilik, logam wujud dalam keadaan pepejal kecuali merkuri wujud dalam keadaan cecair b) Logam memiliki takat lebur yang tinggi c) Logam mempunyai struktur yang legap dan juga dapat digilap sehingga berkilau atau berkilat d) Logam merupakan pengalir haba dan elektrik yang baik e) Kebiasaanya, logam adalah kuat dan memiliki kekuatan regangan yang tinggiLogam terbahagi kepada dua jenis iaitu logam ferus dan logam bukan ferus seperti Rajah 1.6.
Rajah 1.6: Klasifikasi Logam (Sumber Faizul & et. al, 2011)1.1 PENGENALAN KEPADA LOGAM FERUS‘Ferus’ berasal dari perkataan Latin; ferrum yang bermaksud mengandungi besi (Fe). Oleh itu, logamferus ialah logam yang mengandungi besi. Logam ferus juga mungkin mengandungi sejumlah kecil elemenlain dalam kuantiti tertentu seperti karbon atau nikel. Elemen-elemen ini ditambah bagi mendapatkan sifat-sifat tertentu sesuatu logam ferus tersebut. Logam ferus secara amnya bersifat magnetik dan memilikikekuatan regangan yang tinggi. Aloi-aloi ferus boleh dibentuk dengan mudah dalam keadaan sepuh lindapdan kemudiannya dikenakan rawatan haba bagi mendapatkan sifat-sifat tertentu.1.2 PROSES PENGHASILAN BESISecara asasnya, penghasilan logam-logam ferus melibatkan beberapa proses. Antaranya ialah prosesmelombong, membersih bijih, mengeluarkan besi daripada bijih dan penulenan besi seperti yangditunjukkan dalam Rajah 1.7.Bahan asas dalam penghasilan keluli ialah besi. Ini kerana logam tulen tidak wujud dalam keadaansemulajadi. Sumber besi utama ialah daripada bijihnya. Bijih besi wujud dengan banyak dalam keadaanoksida sama ada sebagai hematit (Fe2O3) dan magnetit (Fe3O4) dan kadang-kadang dalam kuatiti yangkecil sebagai hidroksida dan karbonat.
Rajah 1.7: Carta Alir Proses Penghasilan Logam-Logam FerusAntara mineral tersebut, hematit mewakili sebahagian besar kandungan besi yang digunakan dalam prosespeleburan relau bagas. Dalam keadaan tulen, hematit mengandungi 70 % besi manakala magnetitmengandungi sebanyak 72 %. Biasanya kandungan besi di dalam bijih adalah antara 50 – 65 % bagi bijihyang bergred tinggi dan 30 – 35 % bagi bijih bergred rendah dan selebihnya adalah mineral gangue yangkebanyakanya terdiri daripada alumina dan silika. Bijih dari lombong boleh digunakan secara terus ataudisinter dan diuntil terlebih dahulu sebelum digunakan.1.2.1 Relau BagasDalam proses penghasilan besi, pengeluaran besi jongkong melalui kaedah relau bagas merupakan prosesyang penting. Relau bagas adalah relau yang menggunakan aliran udara panas sebagai sumber haba untukmemanaskan campuran bijih besi dan arang batu untuk memperoleh besi lebur.
Dalam perindustrian, besi dihasilkan daripada bijih, kebanyakannya hematit (sedikit Fe2O3) dan magnetit(Fe3O4), melalui penurunan oleh karbon dalam relau bagas (blast furnace) pada suhu sekitar 2000°C.Dalam relau bagas, bijih besi, karbon dalam bentuk kok, dan fluks seperti batu kapur diisikan di bahagianatas relau dengan dibantu oleh kereta skip atau sistem tali sawat, sementara semburan udara panasdipaksa untuk masuk ke dalam relau di bahagian bawah melalui lubang yang dinamakan tuyeri (tuyeres).Rajah 1.8 menunjukkan lakaran relau bagas, bahagian atas yang berupa silinder (dindingnya dilapikdengan bata refraktori bagi menahan geseran bahan suapan yang masuk dan menahan suhu tinggi)dinamakan tekak relau dan di bawahnya ialah yang memanjang ke bawah dengan garis pusatnya semakinbesar sehingga ke bahagian perut relau yang berbentuk silinder. Dari titik itu garis pusatnya akan mengecilsehingga bertemu dengan bahagian paling bawah relau yang dinamakan palung tempat di mana leburanlogam atau sanga dikumpul. Sistem dua loceng, empat loceng atau tanpa loceng terdapat di bahagianbukaan atas untuk menyahkan bahan mentah ke dalam relau bagas.
Rajah 1.8: : Lakaran Relau BagasDalam relau, kok bertindak balas dengan oksigen dalam hembusan udara untuk menghasilkan karbonmonoksida:
Karbon monoksida menurunkan bijih besi (dalam persamaan kimia di bawah, hematit) kepada besi lebur,menjadi karbon dioksida di dalam proses tersebut:Fluks ditambah untuk meleburkan bendasing dalam bijih, terutamanya silikon dioksida pasir dan lain-lainsilikat. Fluks biasa termasuklah batu kapur (terutamanya kalsium karbonat) dan dolomit (magnesiumkarbonat). Fluks yang lain boleh digunakan bergantung kepada jenis bendasing yang perlu diasingkandaripada bijih. Di bawah kepanasan relau, batu kapur mengurai menjadi kalsium oksida :Kalsium oksida bergabung dengan silikon dioksida untuk menghasilkan sanga atau jermang (slag).Sanga melebur oleh kerana haba di dalam relau, berbanding dengan silikon dioksida yang tidak akanmelebur di bawah haba yang sama. Pada dasar relau, sanga yang melebur terapung atas leburan besi yanglebih tumpat, dan hanyut ke tepi relau yang mungkin akan dibuka untuk mengalirkan sanga keluar daripadaleburan besi. Besi ini, apabila disejukkan, akan dipanggil besi jongkong (pig iron), sementara sanga bolehdigunakan sebagai bahan untuk pembinaan jalan raya atau untuk menyuburkan tanah yang kurang mineraluntuk pertanian.1.2.2 Loji Pengurangan Langsung (Direct Reduction Plant)Penurunan bijih besi secara terus melalui kaedah pengurangan langsung adalah satu kaedah alternatifproses penurunan bijih besi selain daripada penggunaan relau bagas. Hasil dari proses ini dikenalisebagai besi pengurangan langsung atau direct reduction iron (DRI). Melalui kaedah ini, DRI ataudikenali juga sebagai sponge iron diturunkan dari bijih besi dalam keadaan pepejal (solid state) padasuhu kurangdaripada1000°C iaitu dibawah takat lebur besi berbanding dengan proses yang dijalankan didalam relau bagas dimana produk akhir diperolehi dalam keadaan cecair pada suhu sekitar 1450°C.1.3 PROSES PENGHASILAN KELULIKeluli, juga dikenali sebagai besi baja atau besi waja adalah sejenis aloi yang bahan utamanya ialahbesi, dengan sedikit kandungan karbon di antara 0.02% dan 1.7 atau 2.04 % mengikut berat, bergantungkepada gred. Karbon adalah bahan sebatian paling murah dan berkesan bagi besi, tetapi pelbagai unsursebatian lain yang turut digunakan seperti manganese dan tungsten. Karbon dan unsur lain bertindaksebagai agen pengeras, menghalang kerawang kristal (crystal lattice) dalam atom besi berpisah dengantergelincir sesama sendiri. Jumlah unsur sebatian yang berbeza dan bentuk kehadirannya dalam keluli(unsur terlarut pepejal, fasa mendakan) mengawal kualiti seperti kekerasan, kelenturan, dan kekenyalankeluli yang terhasil. Besi dengan peningkatan kandungan karbon mampu menjadi lebih keras dan kuatberbanding besi, tetapi ia juga lebih rapuh. Maksima kelarutan karbon dalam besi (di kawasan austenit)adalah 2.14 % menurut berat, berlaku pada 1149 °C; kandungan karbon yang lebih tinggi atau suhu yang
lebih rendah akan menghasilkan sementit. Sebatian besi dengan kandungan karbon lebih tinggi dari inidikenali sebagai besi tuang kerana kadar leburnya yang lebih rendah.Keluli juga dibezakan dari besitempa (wrought iron) dari segi kandungan yang mengandungi hanya sejumlah kecil unsur lain, tetapimengandungi 1–3 % sanga menurut berat dalam bentuk partikel memanjang pada satu arah, memberikanciri-ciri urat besi. Ia lebih tahan karat berbanding keluli dan lebih mudah dipetri. Tetapi pada masa kiniistilah ini jarang digunakan dalam industri keluli. Ia adalah perkara biasa pada masa kini bagi merujuk‘industri besi keluli’ seolah-olah ia satu entiti, tetapi dalam sejarah ia merupakan keluaran yang berbeza.Sungguhpun besi telah dihasilkan melalui pelbagai kaedah tidak efisen lama sebelum Renaissance,kegunaannya lebih biasa selepas kaedah lebih efisen dicipta pada abad ke-17. Dengan ciptaan prosesBessemer pada pertengahan abad ke-19, besi menjadi barangan keluaran pukal yang murah dari segiperbandingan. Peningkatan lanjut dalam proses tersebut, seperti penghasilan besi asas oksigen,menurunkan lagi kos penghasilan sementara pada masa yang sama meningkatkan kualiti logam. Hari ini,keluli adalah salah satu bahan yang biasa didapati di dunia dan merupakan komponen utama dalampembinaan bangunan, perkakasan, kereta, dan peralatan utama. Keluli moden biasanya dikenali menurutgred keluli yang ditakrifkan oleh pelbagai organisasi piawaian.1.4 TERMONOLOGI KELULIPemilihan sesuatu keluli memerlukan khidmat nasihat dan kebolehdapatan data dari pembekal. Adakalanya maklumat yang diperolehi dari setiap pembekal adalah berbeza. Terdapat istilah yang berbezadan ini boleh mengelirukan pengguna. Oleh itu, satu penamaan piawaian perlu diwujudkan bagimengelakkan perkara ini berlaku. Berikut ialah beberapa istilah dan maksud untuk beberapa produkkeluli:a. Keluli Karbon Keluli dengan karbon sebagai agen pengerasan utama. Elemen pengaloian lain hadir dalam peratus yang kecil seperti mangan (maksimum 0.60 %), silikon (maksimum 0.60 %), tembaga (maksimum 0.60 %), dan sulfur dan fosforus (maksimum 0.05 %).b. Keluli Aloi Istilah ini boleh dirujuk kepada mana-mana keluli yang ditambah dengan apa-apa elemen selain karbon dengan syarat jumlah kandungan aloi dalam keluli tersebut kurang dari 5 %.c. Penamaan Keluli Kebanyakkan organisasi mempunyai spesifikasi keluli karbon dan aloi tersendiri. Kebanyakan spesifikasi ini terutamanya spesifikasi keluli telah dibangunkan oleh beberapa organisasi mengikut kehendak dan keperluan tersendiri. Di Amerika Syarikat, sistem penamaan aloi yang telah digunakan sejak berabad dahulu dikenali sebagai sistem penamaan AISI (American Iron and Steel Institute). Manual yang telah diterbitkan oleh AISI menjadi piawaian terhadap aloi-aloi yang dihasilkan oleh pengeluar keluli di Amerika Syarikat. Manual ini menerangkan bentuk, komposisi, jenis rawatan dan sebagainya tentang keluli yang dihasilkan. Namun begitu, sekitar pertengahan 1990 an AISI telah memberhentikan penerbitan manual berkaitan produk keluli. Tugas ini telah diambil alih oleh Iron and
Steel Society, sebuah organisasi terdiri daripada pengeluar keluli.Manual ini masih menerangkan bentuk dan dimensi produk seperti yang terdapat di dalam manualAISI, namun begitu manual ini tidak mengambil kira maklumat berkaitan spesifikasi keluli dihasilkanseperti yang terdapat dalam manual AISI. Mereka telah menyerahkan kepada organisasi lain untukmenerangkan maklumat tersebut. Jadual 1.1 menunjukkan senarai organisasi-organisasi penghasilanpiawaian.AISI SPESIFIKASISAE American Iron Steel InstituteUNS Society for Automotive EngineeringASTM Unified Numbering SystemJIS American Standard for Testing and MaterialDIN Japanese Industrial StandardASME Deutsches Intitut fur NormungISO American Society of Mechanical Engineers International Standardization OrganizationJadual 1.1: Senarai Organisasi-Organisasi Penghasilan PiawaianPada asasnya, penamaan ini boleh dibahagikan kepada dua kelompok iaitu: • Kelompok atas dasar komposisi kimia (AISI, SAE, UNS) • Kelompok atas dasar aplikasi produk dan gred produk (ASTM, JIS, DIN)1.4.1 American Iron and Steel Institute (AISI) And Society of Automotive Engineers (SAE)Sistem pengenalan atau penamaan yang paling meluas digunakan untuk karbon dan keluli aloi di AmerikaSyarikat ialah sistem yang dipakai oleh AISI dan SAE. Sistem ini selalunya menggunakan empat atau limadigit. Digit pertama menunjukkan unsur-unsur utama pengaloian. Contohnya, satu menunjukkan karbonialah unsur utama aloi tersebut. Digit kedua pula mewakili jumlah peratus kandungan unsur aloi utama.Contohnya, ialah keluli siri 25 xx mengadungi 5 % nikel sebagai unsur aloi utama. Dua atau tiga digitterakhir menunjukkan jumlah kandungan karbon 100 % (hundredths of a percent) dalam keluli tersebut.Contohnya, ialah AISI-SAE 1040 adalah keluli karbon dengan kandungan karbon ialah 0.4%. Jadual 1.2menunjukkan kumpulan utama dalam sistem pengistilahan keluli SAE.Jadual 1.2 : Kumpulan Utama Dalam Sistem Pengistilahan Keluli SAE KUMPULAN SIRI SAE KOMPONEN UTAMAKeluli Karbon 10xx 11xx Keluli karbonKeluli Aloi Keluli karbon bersulfur Mangan 13xx 15xx 1.75 % mangan Nikel 23xx 1.00 % mangan 25xx 3.50 % nikel 5.00 % nikel
Nikel-Kromium 31xx 1.25 % nikel, 0.65 atau 0.80 % kromiumMolibdenum 33xx 3.50 % nikel, 1.55 % kromiumKromiumKromium-vanadium 40xx 0.25 % molibdenum 41xx 0.5 – 0.95 % kromium, 0.12 – 0.20 % molibdenumAloi Pelbagai 43xx 1.80 % nikel, 0.50 atau 0.80 % kromium, 0.25 % molibdenum 1.80 % nikel, 0.25 % molibdenum 46xx 3.50 % nikel, 0.25 % molibdenum 48xx 0.80, 0.88, 0.93, 0.95 atau 1.00 % kromium 51xx 1.45 % kromium 52xx 0.80 atau 0.95 % kromium, min 0.10 atau 0.15 % vanadium 61xx 0.55% nikel, 0.50 % kromium, 0.20 % molibdenum 86xx 0.55 % nikel, 0.50 % kromium, 0.20 % molibdenum 87xx 2.00 %atau 1.4 % silikon, 0.70 % kromium 92xx 3.25 % nikel, 1.20 % kromium, 0.12 % molibdenum 93xx 1.00 % mangan, 0.45 % nikel, 0.40 % kromium, 0.12 % molibdenum 94xx 0.45 % nikel, 0.40 % kromium, 0.12 % molibdenum 94Bxx* *mengandungi boron1.4.2 ASTM International (American Society for Testing and Materials)Spesifikasi yang telah dikeluarkan oleh ASTM International digunakan secara meluas di AmerikaSyarikat. ASTM merupakan satu badan teknikal antarabangsa yang dianggotai oleh lebih dari 20,000orang yang bertanggunjawab menulis piawaian berkaitan bahan-bahan dan kaedah-kaedah ujian.Spesifikasi yang dihasilkan diterbitkan setiap tahun.Dalam spesifikasi ASTM, penamaan keluli menunjukkan pengenalan keluli berdasarkan gred, jenis ataukelas atau kumpulan keluli dengan menggunakan angka, huruf, simbol, nama atau gabungannya. Contohnya: ASTM A 582/A 582M-95b (2000) Gred 303Se – Keluli tahan karat bebas pemesinan. Di mana,A = logam ferus tapi tidak menunjukkan sama ada besi tuang, keluli karbon, keluli aloi, keluli alat atau keluli tahan karat.582M = urutan nombor yang tidak memiliki hubungan dengan sifat logam95(2000) = Metrik (menunjukkan bahawa piawaan ini mengikut SI unit)Gred 303Se = tahun digunakan atau tahun terakhir pindaan dilakukan. Huruf b menunjukkan versi ketiga. = tahun terakhir piawaian ini dipersetujui oleh jawatankuasa piawaian antarabangsa. = gred keluli, dimana Se menunjukkan penambahan unsur SeleniumJadual 1.3: Spesifikasi ASTM dan jenis serta keadaan keluli SPESIFIKASI JENIS DAN KEADAAN KELULI A36 Plat, bar dan bentuk-bentuk keluli karbon A131 Plat, bar, bentuk-bentuk dan rivet (untuk kapal) keluli karbon dan keluli HSLA A283 Plat keluli berkekuatan terikan rendah dan pertengahan Plat keluli karbon-silikon berkekuatan terikan rendah dan pertengahan untuk komponen-komponen A284 mesin dan pembinaan Plat, bar dan bentuk-bentuk keluli karbon berkekuatan terikan tinggi A440
A529 Plat, bar, bentuk-bentuk dan kepingan cerucuk keluli karbon dengan nilai minimum titik alah 290 MPa (42 ksi)A573A678 Plat kepingan keluli karbon untuk aplikasi yang memerlukan sifat keliatan pada keadaan suhuA709 atmosfera Plat keluli karbon yang melalui proses lindap kejut dan pembajaan Plat, bentuk-bentuk dan bar keluli karbon, aloi dan HSLA untuk jambatan-jambatan1.4.3 UNS (Unified Numbering System)Dalam cubaan untuk mewujudkan sistem penamaan yang boleh digunapakai kepada semua aloi logamtermasuk keluli, ASTM dan SAE telah membangunkan sistem dinamakan UNS (unified numberingsystem). UNS merupakan nombor yang dibangunkan oleh ASTM dan SAE untuk mengenal pasti unsur-unsur yang terdapat dalam sesuai logam. Ia tidak menerangkan maklumat berkaitan spesifikasi komposisi-komposisi dan sifat-sifat atau kualiti logam tersebut. UNS terdiri daripada huruf dan diikuti oleh limanombor. Huruf ini bermaksud sistem logam yang terlibat. Contohnya Fxxxxx digunakan untuk besi tuangdan Kxxxxx digunakan untuk bermacam-macam aloi dan keluli ferus. Jadual 1.4 menunjukkan sistempenamaan UNS untuk logam-logam.Jadual 1.4: Sistem Penamaan UNS Untuk Logam-LogamNOMBOR UNS SISTEM ALOI-ALOI Axxxxx Aluminium (Al) dan aloi-aloi aluminium Cxxxxx Tembaga (Cu) dan aloi-aloi tembaga Exxxxx Unsur nadir bumi dan unsur nadir seakan logam dan aloi Fxxxxx Besi tuang Gxxxxx Keluli aloi dan karbon AISI dan SAE terdahulu Hxxxxx Keluli H AISI dan SAE terdahulu Jxxxxx Keluli tuang (kecuali keluli alat) Kxxxxx Bermacam-macam aloi dan keluli ferus Lxxxxx Logam dan aloi takat lebur rendah Mxxxxx Bermacam-macam aloi dan keluli bukan ferus Nxxxxx Nikel dan aloi nikel Pxxxxx Logam dan aloi berharga Rxxxxx Logam dan aloi pengaktifan semula dan tahan suhu tinggi Sxxxxx Tahan haba dan kakisan (keluli tahan karat) Txxxxx Kelui alat, besi tempawan (wrought iron) dan besi tuang Zxxxxx Zink dan aloi zink1.4.4 JIS (Japanese Industrial Standards)JIS standard dikembangkan oleh Japanese Industrial Standards Committee yang merupakan satu bahagiandari kementerian industri dan perdagangan antarabangsa di Tokyo. Jika nombor Piawaan JIS dimulaidengan SS dan diikuti bilangan yang menunjukkan kekuatan terikan minimum dalam kg/mm2. ContohnyaJIS SS 37 bermaksud keluli dengan kekuatan terikan > 37 kg/mm2. Jika nombor Piawaan JIS dimulai
dengan S dan diikuti bilangan yang menunjukkan komposisi kimianya. Contohnya JIS S 35 C bermaksudkeluli dengan 0.35 % karbon. Untuk kumpulan keluli tahan karat biasanya mengikut gred dari ASTMdengan kod huruf SS dan diikuti dengan kod angka yang sesuai dengan SAE atau AISI. Contohnya JIS G4303:1998 Gred SUS 304 bermaksud bar keluli tahan karat dengan gred SUS 304 (jenis keluli tahan karataustenit).1.4.5 DIN (Deutsches Institut fur Normung)Piawaian DIN dibangunkan oleh Deutsches Institut fur Normung dari Jerman. Semua spesifikasi keluliyang dihasilkan oleh Jerman diawali dengan huruf DIN dan diikuti huruf atau nombor. Jika nomborPiawaan DIN dimulai dengan St dan diikuti bilangan yang menunjukkan kekuatan terikan minimum dalamkg/mm2. Contohnya DIN St 37 bermaksud keluli dengan kekuatan terikan > 37 kg/mm2. Jika nomborPiawaan DIN dimulai dengan St dan diikuti bilangan yang menunjukkan komposisi kimianya. ContohnyaDIN St C 35 bermaksud keluli dengan 0.35 % karbon. Untuk keluli aloi rendah, angka sebelum hurufmenunjukan kandungan karbon manakala huruf menunjukkan unsur aloi dan diikuti beberapa angka yangmenunjukkan: • Jumlah per empat paratus untuk Cr, Co, Mn, Ni, Si dan W. Contohnya DIN 15Cr3 bermaksud keluli dengan 0.15 % C dan 3/4 % Cr. • Jumlah per sepuluh peratus untuk Al, Be, Pd, Cu, Mo, Nb, Ta, Ti, V dan Zr. Contohnya DIN 13CrMo44 bermaksud keluli dengan 0.13% C, 4/4 % Cr fsn 4/19 % Mo.Manakala keluli aloi tinggi, sebelum angka pertama diberi huruf X. Angka berikutnya menunjukkankandungan karbon dan angka dibelakang nama unsur aloi menunjukan peratusnya. Contohnya, DINX45CrSi9 bermaksud keluli dengan 0.45 % C, 9 % Cr dan Si.
2SIFAT LOGAM FERUSLogam ferus tidak digunakan dalam bentuk logam tulen kerana bersifat lembut dan sangat mulur. Komposisi logam ferus biasanya ditambahkan dengan bahan karbon untuk meningkatkan kekuatan logam ferus.Bahan karbon berkenaan berperanan mengubah struktur hablur logam ferus danseterusnya menghalang gelinciran satah daripada berlaku. Bahan ini juga lebih dikenali sebagai kelulikarbon. Bab ini menjelaskan sifat logam ferus dalam aplikasi kejuruteraan dan peranan bahan karbon didalam keluli serta bagaimana kekuatan keluli ditingkatkan.2.1 STRUKTUR HABLURSusunan atom-atom untuk sesuatu bahan logam dikenali sebagai struktur hablur.Bentuk penyusunan atom-atom menghasilkan daya dan arah ikatan logam yang berbeza-beza yang seterusnya mempengaruhikekuatan sesuatu logam berkenaan.Apabila sesuatu bahan logam memejal daripada fasa leburan kepada fasa pepejal, atom-atom logammenyusun kepada struktur hablur tertentu tertakluk kepada jenis-jenis logam berkenaan.Atom-atom padasesuatu struktur hablur tersusun secara tetap dalam susunan tiga dimensi.Bentuk susunan atom-atom iniberulang-ulangan hingga beberapa juta kali.Bagi logam ferus, terdapat beberapa jenis struktur habluryang memainkan peranan utama dalammenentukan sifat serta kaedah pemprosesan logam jenis ini. Antaranya ialah kiub jasad pusat, kiub jasadmuka dan struktur terpadat rapat heksagonRajah 2.1: Jenis-Jenis Struktur Hablur dalam Logam (a) Kiub Jasad Pusat (BCC) (b) Kiub Jasad Muka (FCC) (c) StrukturTerpadat Rapat Heksagon (HCP)
Rajah 2.1 menunjukkan kedudukan atom-atom dalam satu struktur asas logam. Setiap atom dijadikansebagai pusat kepada setiap unit struktur logam berkenaan. Kiub jasad pusat mempunyai atom pada setiapsudut kekisi struktur dan juga satu atom pada pusat kiub. Kiub pusat muka pula mempunyai susunan atompada setiap penjuru serta satu atom pada bahagian tengah setiap muka kiub berkenaan. Manakala, strukturterpadat rapat heksagon terhasil apabila satu lapisan kedua yang terdiri daripada susunan tiga atomberbentuk segitiga berada pada kedudukan di antara dua lapisan atom berbentuk heksagon.Logam ferus ialah elemen polimorf, di mana elemen logam wujud dalam dua bentuk hablur yang utama.Struktur hablur kiub pusat jasad (α-iron) wujud apabila logam ferus berada bawah suhu 910°C. Strukturlogam ini bertukar kepada struktur hablur kiub pusat muka (γ-iron) apabila logam ferus dipanaskanmelepasi suhu 90°C.Rajah 2.2: Rajah Menunjukkan Perubahan Yang Berlaku Pada Struktur Hablur Keluli karbon Apabila PemanasanMelebihi Suhu 910°C DikenakanApabila disejukkan, struktur hablur berkenaan kembali bertukar menjadi hablur struktur kiub berpusatmuka. Walau bagaimanapun, kadar penyejukan yang tinggi menghasilkan tegasan dalaman di dalamstruktur logam berkenaan. Kadangkala kehelan atau kepatahan turut dialami oleh struktur logam berkenaan.Fenomena ini sebaliknya memberikan kelebihan kepada logam ferus apabila kawalan kepada kadarpemanasan dan penyejukan dalam pemprosesan logam meningkatkan kekuatan logam ferus.2.2 GAMBAR RAJAH FASA ALOI BESI-KARBONAloi besi-karbon yang terdiri daripada campuran bahan besi dan komposisi bahan karbon yang bolehmencapai sehingga 2.0 %.Penambahan unsur karbon sebagai elemen pengaloian berperanan meningkatkankekuatan dan kualiti logam besi berkenaan. Aloi besi-karbon ini juga dikenali sebagai keluli. Produkhasilan daripada bahan keluli ini banyak digunakan sebagai komponen struktur dalam pelbagai aplikasi
kejuruteraan.Gambar rajah fasa besi-karbon merupakan kaedah utama yang digunakan untuk melihat kesan pertambahankomposisi karbon kepada suhu perubahan fasa untuk besi tulen. Gambarajah fasa ini digunakan dalammenentukan kesan pengaloian bahan karbon dalam keluli, kelarutan karbon pada suhu tertentu sertapembentukan fasa-fasa besi-karbon.Gambar rajah fasa adalah sejenis carta yang diguna untuk menunjukkan bagaimana fasa-fasa yang berbezadi dalam aloi logam dapat wujud dalam keadaan keseimbangan secara termodinamik. Sebuah gambarajahfasa untuk keluli terdiri daripada komponen suhu pada paksi menegak dan komposisi unsur pengaloianpada paksi mendatar. Di dalam carta ini, terdapat garisan-garisan keseimbangan atau sempadan-sempadanfasa yang menandakan keadaan di mana fasa-fasa berbeza wujud bersama secara seimbang. Perubahanfasa boleh berlaku di sepanjang garisan ini apabila keadaan termodinamik untuk sistem berkenaanmengalami perubahan.Rajah 2.3 menunjukkan gambarajah fasa untuk aloi besi-karbon. Gambar rajah fasa ini menunjukkan fasa-fasa berbeza yang wujud di dalam suatu aloi besi-karbon serta garisan-garisan sempadan fasa. Antarafasa-fasa yang boleh dilihat ialah pearlit, austenit, sementit dan martensit. Fasa-fasa ini terbentuk apabilaaloi besi-karbon mencapai keseimbangan termodinamik yang dipengaruhi oleh suhu pemprosesan dankomposisi unsur karbon di dalam aloi berkenaan.Rajah 2.3: Gambarajah Fasa Untuk Aloi Besi-Karbon
[Adaptasi Daripada W.D. Callister, Materials Science And Engineering, An Introduction, 2003]Dalam penjelasan berkaitan gambar rajah fasa aloi keluli karbon ini, terdapat beberapa istilah yang perludiperjelaskan seperti fasa, mikrostruktur dan unsur-unsur mikrostruktur. Antaranya ialah hablur fasapepejal ialah susunan atom-atom yang spesifik (iaitu struktur hablur seperti struktur kiub pusat jasad dankiub jasad muka) yang hanya boleh dilihat melalui sinar-x. Manakala mikrostruktur pula ialah susunantertentu fasa atau beberapa fasa yang dapat dilihat di bawah mikroskop. Penjelasan lanjut berkaitan fasa-fasa dan mikrostruktur berkenaan adalah seperti berikut: 1. Ferrit – Fasa ini dipanggil fasa alpha, kerana rantau fasa ini berada di bahagian paling kiri gambar rajah fasa. Ia adalah larutan fasa pepejal celahan karbon di dalam struktur kiub pusat jasad besi. Fasa ini adalah sejenis fasa besi yang lemah di mana ia hanya terdiri daripada 0.002 % jisim karbon pada keadaan suhu eutectoid 727°C. 2. Austenit – Fasa ini dipanggil fasa gamma, yang terdiri daripada larutan fasa pepejal celahan karbon di dalam struktur kiub pusat muka besi, di mana atom karbon berada pada kedudukan celahan terbesar di dalam pusat struktur kiub berkenaan. Kekisi kiub jasad muka mempunyai tapak celahan yang lebih besar berbanding dengan kekisi kiub jasad muka. Ini menyebabkan kandungan karbon pada tapak celahan ini adalah lebih tinggi iaitu sehingga 2.11 % pada suhu 1148°C dan sehingga 0.8 % pada suhu 727°C. Fasa ini tidak dapat wujud pada suhu di bawah 727°C. 3. Sementit – Fasa ini ialah sebatian karbida besi, Fe3C. Ia mempunyai struktur hablur orthorhombic dan bersifat keras serta rapuh. 4. Martensit – Fasa ini ialah fasa metastabil hasil daripada proses penyejukan cepat (pelindapkejutan) aloi besi-karbon daripada rantau ke suhu bilik. Fasa martensit ini tidak dapat dijumpai di dalam gambar rajah keseimbangan. Fasa ini dikatakan tertepu terlampau dengan karbon kerana ia menjadi lebih stabil dengan ketiadaan atom karbon. Fasa metastabil ini sangat keras dan rapuh, dan selalunya tidak wujud di dalam produk akhir. Ia memainkan peranan penting semasa langkah pertengahan dalam proses rawatan haba yang bertujuan untuk mendapatkan mikrostruktur yang tertentu. 5. Pearlit – Mikrostruktur yang terdiri daripada platelet-platelet fasa dan Fe3C yang tersusun secara selari. Mikrostruktur ini terbentuk fasa austenite dengan 0.8 % jisim karbon disejukkan secara perlahan. Struktur ini mempunyai kekerasan yang lebih tinggi daripada fasa ferrit tetapi rendah jika dibandingkan dengan fasa martensit keras. Gambar rajah skematik untuk fasa pearlit ini adalah seperti ditunjukkan di dalam Rajah 2.4. 6. Bainit – Mikrostruktur yang terdiri daripada partikel-partikel halus Fe3C di dalam matriks ferrit. Struktur ini diperoleh dengan cara menyejukkan fasa austenite pada kadar perlahan. Kekerasan bainit berada di antara nilai kekerasan pearlit dan martensit rapuh keras, tetapi dengan sifat kemuluran dan keliatan yang baik.
Rajah 2.4: : Struktur Bainit Mengunjur Dari Penjuru Bawah Kiri Ke Penjuru Atas Kanan Terdiri Daripada Partikel Fe3CBerbentuk Jarum Di Dalam Matrik Ferrit Serta Dikelilingi Martensit[Dis unting Daripada W.D. Callister, Materials Science And Engineering, An Introduction, 2003] 7. Spheroidit – Mikrostruktur terdiri daripada partikel-partikel Fe3C yang berbentuk sfera di dalam matriks ferrit. Struktur ini sangat lembut, malah lebih lembut daripada struktur pearlit dengan kandungan karbon yang sama.Rajah 2.5: : Mikrostruktur Sferoidit Untuk Keluli Terdiri Daripada Partikel-Partikel Kecil Sementit Di Dalam Matrik Ferrit[Dis unting Daripada W.D. Callis te r, Materials Science And Engineering, An Introduction, 2003] 8. Keluli eutectoid – Gambar rajah fasa besi-karbon seperti ditunjukkan pada Rajah 2.3, titik eutektoid adalah merujuk kepada suhu terendah dan komposisi karbon di mana fasa austenit boleh wujud. Titik ini berada pada kedudukan komposisi 99.2 % jisim besi dan 0.8 % jisim karbon. Bila leburan logam dengan komposisi eutektik disejukkan melalui titik eutektik, ia bertukar kepada dua
fasa pepejal yang wujud dalam bentuk kepingan selari dikenali sebagai mikrostruktur eutektik. Pada titik eutektik ini kita dapati tindakbalas eutektik berlaku seperti berikut: solid A → solid B + solid CKekeliruan yang wujud di antara eutektik dan eutektoid boleh dijelaskan seperti berikut. Eutektoid adalahmerujuk kepada pertukaran fasa pepejal kepada pepejal, manakala rantau eutektik bermula dengan leburanatau cecair. Pada titik eutektoid, tindak balas eutektoid berlaku semasa penyejukan aloi dengan komposisi0.8 % jisim karbon disejukkan secara perlahan-lahan melalui suhu eutektoid. Pada suhu ini, tindakbalasyang berlaku adalah seperti berikut: Austenit → Ferrit + Fe3CTindak balas ini adalah perubahan pepejal kepada dua fasa pepejal berbeza yang tersusun selari secaraberselang-selang dan dipanggil sebagai pearlit. Contoh keluli karbon dengan komposisi eutektoid ialahkeluli 1080, yang mempunyai kekuatan tegangan lebih kurang 772 MPa (112,000 psi).Apabila dipanaskan kepada suhu 910°C, besi tulen bertukar struktur penghabluran dalamannya daripadasusunan atom kiub pusat jasad, iaitu besi-α kepada susunan struktur kiub pusat muka, besi-γ. Pada suhu1390°C, ia bertukar semula kepada struktur kiub pusat jasad dan dikenali sebagai besi-δ (delta).Pemanasan seterusnya sehingga suhu 1538°C akan meleburkan besi berkenaan. Bila karbon ditambahkankepada besi, ia mempunyai hanya sedikit kebolehlarutan pepejal di dalam besi-α (0.001% pada suhubilik). Walau bagaimanapun, besi-γ boleh memegang sehingga 2.0 % komposisi karbon di dalam larutanpepejal pada suhu 1130°C. Besi-α yang mengandungi karbon atau sebarang unsur dalam larutan pepejaldipanggil ferrit, manakala besi-γ yang mengandungi unsur di dalam larutan pepejal dikenali sebagaiaustenit. Sekiranya karbon tidak berada di dalam larutan dalam besi, ia membentuk sebatian Fe3C(karbida besi) dan dikenali sebagai sementit yang bersifat sangat keras tetapi rapuh.Pada suhu bilik, keluli karbon yang dalam keadaan keseimbangan akan mempunyai kedua-dua fasa ferritdan sementit. Sifat-sifat fizikal fasa ferrit menyamai logam besi tulen dan menjadi ciri-ciri logamberkenaan. Kehadiran fasa sementit tidak secara sendirinya menyebabkan keluli menjadi keras secaraautomatik. Ini kerana faktor-faktor lain karbida logam itu seperti bentuk dan taburannya di dalam keluliyang memainkan peranan dalam menentukan kekerasan keluli berkenaan. Fakta bahawa karbida besi bolehdilarutkan di dalam fasa austenit menjadi asas kepada rawatan haba keluli. Ini kerana keluli bolehdipanaskan di atas suhu genting untuk melarutkan kesemua karbida besi, dan diikuti dengan prosespenyejukan melalui kadar-kadar penyejukan tertentu akan menghasilkan karbida besi dengan saiz dantaburan yang dikehendaki di dalam fasa ferrit.Seandainya fasa austenit yang terdiri daripada 0.8 % jisim karbon (komposisi eutektoid) disejukkanperlahan-lahan melalui suhu genting, fasa ferrit dan sementit ditolak secara serentak dan membentuk plat-plat berselang dikenali sebagai lamela. Mikrostruktur ini digelar sebagai pearlit kerana jika digilap dandipunarkan, ia mempunyai sinar yang berkilau. Jika austenit mengandungi kurang daripada 0.8 % jisimkarbon (komposisi hipoeutektoid), fasa ferrit yang berlebihan akan ditolak keluar terlebih dahulu semasapenyejukan perlahan melalui suhu genting sehingga komposisi fasa austenit yang tinggal mencapai 0.8 %
jisim karbon. Selepas itu, penolakan serentak fasa-fasa ferrit dan karbida besi berlaku dan menghasilkanmikrostruktur pearlit.Jadi suatu keluli hipoeutektoid akan terdiri daripada fasa ferrit bebas dan rantau-rantau yang dipenuhioleh struktur pearlit. Kewujudan fasa pearlit menjadi semakin tinggi dengan pertambahan komposisikarbon. Contoh tipikal untuk keluli seperti ini ialah keluli 1040. Keluli ini adalah lebih lembut berbandingdengan keluli 1080 dan mempunyai nilai kekuatan tegangan pada 517 MPa (75,000 psi).Rajah 2.6: (a) Keluli Hipoeutektoid Dengan Fasa Ferrit Dan Struktur Pearlit Dan (b) Keluli Hipereutektik Dengan Fasa
Sementit Dan Struktur Pearlit[Dis unting Daripada W.D. Callis te r, Materials Science And Engineering, An Introduction, 2003]Jika fasa austenite adalah melebihi 0.8 % jisim karbon iaitu dalam komposisi hipereutektoid disejukkanperlahan-lahan, fasa sementit dikeluarkan daripada sempadan ira sementit untuk membentuk rangkaianfasa sementit. Proses ini berterusan sehinggalah fasa austenit tadi mencapai komposisi 0.8 % jisim karbonapabila peringkat pembentukan struktur pearlit kembali berlaku. Jadi dalam suatu keluli hipereutektoid,akan terdapat kawasan-kawasan pearlit yang dikelilingi oleh rangkaian karbida besi yang nipis.Seandainya kadar penyejukan meningkat, keluli menjadi semakin keras. Pertambahan kadar perubahansuhu menyebabkan jarak di antara lapisan lamela semakin mengecil dan seterusnya menyerakkan karbidabesi kepada kawasan yang lebih banyak. Penyerakan karbida besi ini menghalang gelinciran hablur besidaripada berlaku dan menyebabkan kekerasan keluli berkenaan semakin tinggi.Peningkatan kadar penyejukan turut menyebabkan masa untuk pemisahan fasa ferrit dan sementit yangberlebihan semakin berkurang. Jumlah keseimbangan unsur-unsur ini tidak akan berlaku sebelum austenitbertukar kepada pearlit. Dalam keadaan kadar penyejukan yang tinggi, pearlit akan mempunyai komposisikarbon yang berkurangan atau berlebihan daripada yang sepatutnya dihasilkan daripada komposisieutektoid. Proses pelindapkejutan merupakan proses penyejukan dengan kadar yang amat cepat. Karbontidak mempunyai masa yang cukup untuk terpisah keluar dalam bentuk karbida besi. Fasa austenitsebaliknya bertukar kepada struktur tertepu lampau dengan karbon dan bertegasan tinggi yang dikenalisebagai martensit.Struktur ini bersifat sangat keras tetapi rapuh. Proses pembajaan diperlukan untuk meningkat kemulurankeluli berkeadaan begini. Proses pembajaan terdiri daripada proses pemanasan martensit kepada suhu dibawah suhu genting yang akan menyebabkan karbida logam memendak dalam bentuk sferoid kecil. Suhupembajaan yang tinggi menghasilkan saiz partikel karbida yang besar dan seterusnya meningkatkankemuluran keluli dan mengurangkan kekerasannya.
Rajah 2.7: Struktur Martensit Yang Terdiri Daripada Fasa Martensit Berbentuk Seperti Jarum Dan Fasa Austenit(Berwarna Cerah) Yang Gagal Bertukar Fasa Semasa Proses Lindapkejut[Dis unting Daripada W.D. Callis te r, Materials Science And Engineering, An Introduction, 2003]Rajah 2.8: Mikrostruktur Martensit Bajaan Daripada Imej Mikroskop Imbasan Elektron. Butiran Halus Ialah FasaSementit Manakala Matriks Logam Ialah Besi-A[Dis unting Daripada W.D. Callis te r, Materials Science And Engineering, An Introduction, 2003]2.3 KESAN KARBON TERHADAP SIFAT-SIFAT KELULISeperti dijelaskan sebelum ini, logam ferus dialoikan dengan bahan karbon bertujuan untuk membaiki sifatmekanikal keluli. Kepelbagaian dalam sifat-sifat mekanikal keluli dengan pertambahan kandungan karbonmelebarluaskan julat aplikasi keluli dalam dalam kehidupan manusia.Seperti ditunjukkan dalam Rajah 2.9, kekerasan keluli bertambah secara linear dengan pertambahan
kandungan karbon. Kekuatan tegangan meningkat secara linear dengan pertambahan karbon sehinggamencapai titik eutectoid sebelum menjadi hampir sekata. Manakala kemuluran keluli yang diukur melaluiperatus pemanjangan, mengalami pengurangan secara mendadak dengan pertambahan komposisi karbon.Keluli dengan kandungan karbon sebanyak 1.3 % menjadi sangat rapuh dengan kehadiran fasa sementit.Rajah 2.9: Hubungan Antara Kandungan Karbon, Sifat Mekanikal Dan Kegunaan Aloi Besi-Karbon Yang TelahDisejukkan Secara Perlahan Daripada Suhu Di Atas Suhu Kritikal[Adaptas i Daripada Higgins R.A. Materials For Engineers And Technicans, 4th Ed., 2006]2.4 RAWATAN HABA KELULIKeluli mungkin tidak memenuhi kesemua sifat yang diperlukan dalam produk akhir. Kaedah rawatan habaseringkali digunakan untuk mengawal sifat-sifat bahan melalui perubahan pada mikrostuktur keluliberkenaan. Perubahan fasa ini memberi kesan kepada sifat-sifat mekanikal seperti kekuatan, kemuluran,ketahanan, kekerasan dan kerintangan haus. Oleh itu, proses rawatan haba dibuat dengan tujuan untukmeningkatkan kualiti produk melalui pertambahan kekuatan mekanikal serta menyediakan bahan untukproses pengeluaran yang lebih baik. Antara proses rawatan haba utama yang dikenakan ke atas keluliialah: a. Penyepuhlindapan b. Penormalan
c. Pembajaan2.4.1 Penyepuhlindapan PenuhDalam proses ini, keluli hipoeutektik dan eutektik dipanaskan di dalam rantau austenite lebih kurang 40°Cdi atas garisan A3, dikekalkan pada suhu berkenaan untuk beberapa ketika, dan seterusnya disejukkan kesuhu bilik dengan kadar penyejukan terkawal. Penyejukan keluli biasanya dilakukan di dalam relaupemanasan yang sama.Untuk keluli hiperuetektik, pemanasan dilakukan sehingga mencapai suhu austenit dalam rantau 2 fasaaustenite dan fasa sementit iaitu lebih kurang 40°C di atas garisan A1. Mikrostruktur untuk kelulihipoeutektik selepas penyepuhlindapan penuh terdiri daripada proeutektoid ferrit dan pearlit. Fasa-fasaini berbentuk butiran kasar yang lembut dan bebas daripada tegasan serta mudah untuk dimesin. Rajah2.10 menunjukkan julat suhu yang biasa digunakan untuk proses penyepuhlindapan.Rajah 2.10 : Julat Suhu Yang Biasa Digunakan Untuk Proses Penyepuhlindapan2.4.2 Penyepuhlindapan ProsesProses yang juga dikenali sebagai legaan tegasan ini, mengeluarkan tegasan dalaman yang terhasildaripada kerja sejuk. Proses ini biasanya dikenakan kepada keluli hipoeutektik dengan komposisi karbonadalah kurang daripada 0.3 % wt. Suhu yang dikenakan adalah di bawah suhu eutectoid, di antara 550°Cdan 650°C.
2.4.3 PenormalanProsedur rawatan haba ini memerlukan keluli dipanaskan di dalam rantau austenite dan disejukkan didalam udara biasa. Mikrostruktur untuk keluli yang menjalani proses penormalan terdiri daripada fasaproeutektik ferrit dan pearlit halus. Objektif proses penormalan adalah pelbagai. Antaranya ialah: a. Untuk menghaluskan struktur butiran b. Meningkatkan kekuatan keluli berbanding dengan keluli penyepuhlindapan c. Mengurangkan pengasingan komponen-komponen aloi dalam produk tuangan dan tempaan, seterusnya menghasilkan struktur fasa-fasa yang lebih seragam2.4.5 PembajaanProses pembajaan melibatkan pemanasan keluli martensit pada suhu di bawah suhu perubahan eutektoiduntuk menjadikannya lembut dan lebih mulur. Rajah 2.11 menunjukkan secara skematik proses sepuh-lindap dan pembajaan untuk keluli karbon. Keluli pertama sekali diaustenitkan dan disepuh-lindap dengankadar yang amat cepat. Keadaan ini diperlukan untuk menghasilkan fasa martensit dan juga untukmengelakkan berlaku perubahan fasa daripada austenit kepada fasa-fasa ferrit dan cementit. Keluliseterusnya dipanaskan semula pada suhu di bawah suhu eutektoid untuk melembutkan fasa martensitdengan mengubah fasa martensit kepada struktur partikel-partikel besi karbida di dalam matriks fasaferrit.Rajah 2.11: Lakaran Skematik Menunjukkan Proses Sepuh-Lindap Dan Pembajaan Untuk Keluli Karbon
3 JENIS-JENIS KELULI3.1 KELULI KARBON DAN KELULI ALOIKeluli karbon dan keluli aloi-rendah adalah kumpulan keluli terbesar yang dihasilkan berdasarkannombor variasi dan kuantiti.Selain banyak digunakan di dalam industri kejuruteraan dan industripemesinan, keluli ini juga banyak digunakan pada pembungkusan, perabot, peralatan rumah, alatpemanasan dan ventilasi. Keluli karbon secara dasarnya adalah aloi yang mengandungi sehingga 1 %kandungan karbon serta jumlah kandungan elemen aloi sebanyak 2 %. Kandungan elemen aloi lain adalahseperti mangan (Mn) dan silikon (Si) sebagai agen penyahoksidaan, fosforus (P) untuk meningkatkankekuatan dan kekerasan serta sulfur (S) untuk meningkatkan kebolehmesinan.Sifat mekanik sesuatu keluli sangat bergantung kepada mikrostrukturnya. Oleh yang demikian, komposisi,proses haba awalan, proses mekanik (kerja sejuk) atau proses mekanik haba (kerja panas) menentukanmikrostruktur dan transformasi fasa sesuatu keluli.Di dalam keluli karbon biasa, kandungan karbon (C) serta mikrostruktur mempengaruhi sifat mekaniknya.Dengan adanya kandungan Mangan, ia dapat meningkatkan kekuatan larutan pepejal secara sederhana sertameningkatkan kekerasan. Sifat sesuatu keluli karbon biasa juga dipengaruhi oleh silikon (Si), fosforus (P)dan sulfur (S). Selain itu,gas seperti oksigen (O), nitrogen (N), hidrogen(H) dan hasil tindak balasnyamemainkan peranan penting dalam menentukan sifat mekanik sesuatu keluli karbon biasa.Keluli karbon dibezakan melalui empat angka digit AISI (American Iron and Steel Institute). Dua digitpertama menunjukkan nilai gred keluli, manakala dua digit terakhir menunjukkan kandungan peratuskarbon sesuatu aloi dalam angka exponen negatif dua. Sebagai contoh AISI 1060 menunjukkan 10 adalahnilai gred keluli serta 60 menunjukkan kandungan karbon sebanyak 0.60 %. Jika terdapat huruf L atau Bpada AISI ini, ia menunjukkan bahawa nilai gred keluli ini samada keluli plumbum-L ataupun keluliboron-B. Kadangkala huruf H diletakkan pada akhir nombor AISI bagi menunjukan keluli ini dihasilkandengan limit kekerasan yang tertentu. Jadual 3.1 menunjukkan jadual penamaan keluli karbon dan kelulialoi rendah yang terdapat dipasaran.Jadual 3.1: Penamaan Keluli Karbon Dan Keluli Aloi Rendah Mengikut Sistem AISI(W.Martienssen Dan H.Warlimont, 2005)DIGIT DAN ANGKA JENIS KELULI DAN KANDUNGAN ALOI NOMINAL (WT%)Ke luli Karbon Karbon Kosong (maksimum Mn 100)10xx Disulfur semula11xx Disulfur semula dan difosforus semula12xx Karbon Kosong (maksimum Mn 1.00-1.65)15xx
Ke luli M angan Mn 1.7513xx Ni 3.50Ke luli Nike l Ni 5.0023xx25xx Ni 1.25; Cr 0.65 dan 0.80 Ni 1.75; Cr 1.07Ke luli Nike l-Kromium Ni 3.50; Cr 1.50 dan 1.5731xx Ni 3.00; Cr 0.7732xx33xx Mo 0.20 dan 0.2534xx Mo 0.40 dan 0.52Ke luli M olibde num Cr 0.50, 0.80, dan 0.95; Mo 0.12, 0.20, 0.25, dan 0.3040xx44xxKe luli kromiummolibde num41xxKe luli Nike l-Kromium-M olibde num. Ni 1.82; Cr 0.50 dan 0.80; Mo 0.2543xx Ni 1.82; Cr 0.50; Mo 1.12 dan 0.25; min V 0.0343BVxx Ni 1.05; Cr 0.45; Mo 0.20 dan 0.3547xx Ni 0.30; Cr 0.40; Mo 0.1281xx Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.2086xx Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.2587xx Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.3588xx Ni 3.25; Cr 1.20; Mo 0.1293xx Ni 0.45; Cr 0.40; Mo 0.1294xx Ni 0.55; Cr 0.20; Mo 0.2097xx Ni 1.00; Cr 0.80; Mo 0.2598xxKe luli Nike l M olibde num Ni 0.85 dan 1.82; Mo 0.20 dan 0.2546xx Ni 3.50; Mo 0.2548xxKe luli Kromium Cr 0.27, 0.40, 0.50, dan 0.6550xx Cr 0.80, 0.87, 0.92, 0.95, 1.00, dan 1.0551xx Cr 0.50; C 1.00 min50xxx Cr 1.02; C 1.00 min51xxx Cr 1.45; C 1.00 min52xxxKe luli Kromium-Vanadium Cr 0.60, 0.80, and 0.95; V 0.10 danmin 0.1561xxKe luli Tungs te n-Kromium W 1.75; Cr 0.7572xxKe luli Silikon-M angan Si 1.40 and 2.00; Mn 0.65, 0.82, dan 0.85; Cr 0 dan 0.6592xx B merujuk kepada keluli boron L merujuk kepada keluli plumbumKe luli B oron V merujuk kepada keluli vanadiumxxBxxKe luli PlumbumxxLxxKe luli VanadiumxxVxx3.2 KELULI ALOI RENDAH BERKEKUATAN TINGGI(HSLA)
Keluli aloi rendah berkekuatan tinggi direka bentuk untuk memiliki nilai sifat mekanik yang tinggi. Ia jugamempunyai nilai rintangan kepada kakisan atmosfera yang lebih tinggi dari keluli aloi-rendah yangmempunyai nilai kandungan aloi setara dengannya. Nilai tegasan alah yang lebih tinggi boleh dicapaidengan penambahan ≤0.1wt % nitrogen (N), niobium (Nb), vanadium (V), titanium (Ti), dan zirkonium(Zr) yang membentuk pemendakan karbida atau pemendakan karbonitrit dan dengan proses yang dikawalmenghasilkan kebanyakkan mikrostruktur berbutir halus.Keluli aloi rendah berkekuatan tinggi mengandungi 0.05-0.25wt % karbon (C), ≤ 2 wt % mangan (Mn),kromium (Cr), nikel (Ni), molybdenum (Mo) dan kuprum (Cu) sebagai elemen aloi tambahan. Nilaitegasan alah keluli aloi rendah berkekuatan tinggi adalah dalam lingkungan ≥275 MPa di manakebiasaannya dihasilkan dalam bentuk tergelek.Kaedah proses khas keluli aloi rendah berkekuatan tinggi terdiri daripada: a. Gelek terkawal b. Penyejukan Terpecut c. Lindapkejut keluli yang mengandungi 0.08 ≤ wt% karbon (C) d. Penormalan keluli aloi V e. Penyepuhlindapan separa kritikalKeluli rendah berkekuatan tinggi mengandungi pelbagai piawai dan gred reka bentuk yang bersesuaianuntuk menghasilkan kombinasi sifat yang dikehendaki seperti kekuatan,kemuluran, kebolehkimpalan danrintangan kepada kakisan atmosfera. Jadual 3.2 menunjukkan limit komposisi bagi kebanyakkan kelulirendah berkuatan tinggi.Keluli aloi rendah berkekuatan tinggi digunakan secara meluas seperti struktur rasuk dalam pembinaanjambatan, pelantar minyak dan gas, badan kapal serta sebagai menara penghantaran elektrik dan menaratelekomunikasi. Di dalam industri automotif, keluli aloi rendah digunakan sebagai bahan tahan impak.Bahan tahan impak pada industri automotif ini sering dipasang pada pintu serta bamper kenderaan masakini.Ia juga digunakan sebagai pembinaan chasis kenderaan kerana sifatnya yang ringan dan berkuatantinggi. Selain itu, keluli rendah berkekuatan tinggi ini juga digunakan sebagai bahan dalam pembuatan paipgas.Jadual 3.2 Komposisi Keluli Rendah Berkuatan-Tinggi Mengikut Spesifikasi ASTM(W.Martienssen Dan H.Warlimont, 2005)
3.3 KELULI TAHAN KARATKeluli tahan karat digunakan secara meluas di dalam industri terkini kerana memiliki sifat-sifat bahanyang unggul. Antara sebab utama keluli tahan karat digunakan secara meluas berbanding keluli karbon dankeluli aloi rendah adalah kerana memiliki sifat kerintangan kepada kakisan yang sangat tinggi. Sifatkerintangan kepada kakisan yang tinggi ini dicapai kerana memiliki kandungan elemen Kromium yangtinggi.Sifat kerintangan kepada kakisan ini dicapai melalui kandungan peratus minimal kromium sebanyak 11%.Peratus kandungan kromium ini diperlukan bagi membentuk satu lapisan oksida pelindung yangmengandungi kandungan utama kromium oksida dan hidroksida. Pembentukan lapisan oksida pelindung initerbentuk dengan adanya bantuan egen pengoksidaan. Namun demikian, sifat kerintangan bagi keluli tahankarat ini boleh ditingkatkan dengan penambahan aloi seperti elemen nikel, aluminum, kuprum, kobalt,silikon, molibdenum, mangan serta tungsten. Secara umumnya keluli tahan karat terbahagi kepada limajenis keluli tahan karat (Jadual 3.3).Jadual 3.3: Jenis-Jenis Keluli Tahan Karat SIRI(W.Martienssen dan H.Warlimont, 2005) 2xx 3xx JENIS KELULI TAHAN KARAT 4xx Keluli Tahan Karat Austenit Dengan Kandungan Nikel Yang Rendah 329 Keluli Tahan Karat Austenit 4xx Keluli Tahan Karat Berferit 6xx (xx-x PH) Keluli Tahan Karat Dupleks Keluli Tahan Karat Martensit Keluli Tahan Karat Pengerasan PemendakanSistem klasifikasi keluli tahan karat berbeza dengan sistem klasifikasi untuk keluli aloi rendah AISI dimana dua angka digit terakhir tidak menunjukkan kandungan karbon dan tidak melambangkan sebarangkomposisi bahan.3.3.1 Keluli Tahan Karat AustenitKeluli tahan karat austenit adalah pertigaan aloi keluli-kromium-nikel yang mengandungi 16-25 %kromium dan 7-20 % Ni. Aloi ini dinamakan keluli tahan karat austenit kerana strukturnya kekal sebagaiaustenit pada suhu normal rawatan haba. Dengan kandungan nikel yang mempunyai struktur hablur kekisikubus berpusat (FCC), ia membolehkan struktur hablur kubus berpusat (FCC) ini dikekalkan pada suhubilik. Sifat mampu bentuk keluli tahan karat austenit ini disebabkan struktur hablur kekisi kubus berpusat(FCC) yang dimiliki. Kebiasaannya, keluli tahan karat austenit mempunyai sifat kerintangan kepadakakisan yang lebih baik berbanding keluli tahan karat berferit dan keluli tahan karat martensit keranakarbida dapat dikekalkan pada keadaan larutan pepejal dengan penyejukan pantas dari suhu yang tinggi.Keluli tahan karat austenite ini adalah bahan tidak bermagnet. Selain daripada sifat kerintangan padakakisan yang tinggi, ia juga mempunyai sifat keliatan yang baik pada suhu rendah serta sifat
kebolehkimpalan yang baik. Namun demikian, ia mempunyai nilai tegasan alah yang rendah dan hanyaboleh diperkuatkan dengan kerja sejuk, pengerasan pembajaan atau dengan penguatan larutan pepejalcelahan.3.3.2 Keluli Tahan Karat BerferitKeluli tahan karat berferit secara dasarnya adalah aloi perduaan besi-kromium yang mengandungi 12-30% kandungan kromium. Ia dinamakan keluli tahan karat berferit kerana strukturnya adalah kekal berferitpada keadaan rawatan haba normal. Keluli tahan karat berferit ini banyak digunakan sebagai bahan umumpembinaan kerana kos yang rendah, memiliki sifat kerintangan kepada kakisan yang baik serta memilikisifat kerintangan kepada haba yang baik.3.3.3 Keluli Tahan Karat DupleksKeluli tahan karat dupleks mempunyai kekuatan yang tinggi dan mempunyai sifat kebolehrintangan kepadaretakan kakisan tegasan yang baik. Jenis 329 merupakan aloi kromium-besi dengan 2.5-5 % kandungannikel dan 1-2 % molibdenum serta mengandungi peratus campuran mikrostruktur ferit dan austenit hampirsama. Sifat kakisan pada keluli tahan karat dupleks ini adalah hampir dengan sifat kakisan pada kelulitahan karat austenit. Namun demikian, keluli tahan karat dupleks ini mempunyai kekuatan yang lebih tinggidaripada keluli tahan karat austenit serta mempunyai kebolehrintangan kepada retakan kakisan tegasanyang lebih baik berbanding keluli tahan karat austenit.3.3.4 Keluli Tahan Karat MartensitKeluli tahan karat martensit secara dasarnya adalah aloi Fe-Cr yang mengandungi 12-17 % kandungankromium dan 0.15-1.00 % kandungan karbon. Peratus kandungan kromium dan karbon ini adalah untukmenghasilkan struktur fasa austenit ke martensit melalui proses lindap kejut. Aloi ini dinamakan kelulitahan karat martensit kerana ia mampu membentuk struktut martensit selepas proses mengaustenit danrawatan haba lindap kejut. Oleh kerana kandungan komposisi keluli tahan karat martensit diubahsuai bagimengoptimumkan kekuatan dan kekerasan, sifat kerintangan kepada kakisan keluli ini kurang berbandingkeluli tahan karat berferit dan keluli tahan karat austenite. Kaedah rawatan haba keluli tahan karatmartensit ini secara asasnya sama seperti kaedah rawatan haba keluli karbon dan keluli aloi rendah dimana aloi ini diaustenit kemudian disejukkan dengan pantas secara secukupnya untuk menghasilkanstruktur martensit dan seterusnya di bajakan untuk meringankan tegasan dan keliatan.3.4 KELULI TAHAN PANASSesuatu keluli adalah keluli tahan panas jika memiliki sifat mekanik yang baik pada suhu ambient-sifatkerintangan yang istimewa terhadap pendedahan jangka panjang pada gas panas, hasil pembakaran dancairan logam pada suhu melebihi 550°C di mana keluli aloi rendah atau bukan aloi tidak bersesuaian padapenskalaan tinggi dan rayapan.Oleh yang demikian, keluli tahan panas disifatkan sebagai kombinasi kekuatan pada suhu tinggi yang baik,
kerintangan penskalaan, pembentukan sejuk dan panas dengan secukupnya dan kebolehkimpalan. Kelulitahan panas ini adalah kukuh kepada proses-proses kerapuhan pada suhu aplikasi yang tinggi. Kerintangankepada penskalaan dan kakisan gas panas disebabkan oleh pembentukan lapisan pelindung, bebas liangdan kebolehrekatan lapisan oksida pada permukaan.Elemen aloi utama yang mudah untuk membentuk lapisan oksida adalah kromium (Cr), aluminum (Al) dansilikon (Si). Dengan penambahan nilai kromium (Cr) sebanyak 6-25 wt % akan meningkatkan kerintanganpembentukan oksida dan penskalaan. Selain itu, penambahan unsur nadir bumi dengan jumlah yang sedikitakan meningkatkan kebolehrekatan serta kemuluran lapisan oksida. Untuk mengekalkan kerekatan lapisanoksida pada suhu berubah, sesuatu keluli perlu mempunyai kebolehubahan isipadu yang rendah atau tiadatransformasi fasa semasa pemanasan dan penyejukan. Terdapat dua kumpulan utama keluli tahan panasiaitu keluli berferit dan keluli austenit.Keluli kromium (Cr) berferit adalah murah namun demikian mempunyai kekuatan rayapan yang rendahpada suhu 800°C ke atas. Pada keadaan suhu di atas suhu kerintangan kerayapan, kerapuhan akan terjadi.Tiga mekanisma kerapuhan akan berlaku iaitu: a. ‘Kerapuhan suhu pada 475°C’ disebabkan penguraian dalam sela kebolehlarut campuran metastabil Fe-Cr larutan pepejal. Ini berlaku di antara suhu 350-550°C pada keluli yang mempunyai kandungan kromium (Cr) lebih daripada 15wt % b. Pembentukan kerapuhan antara logam FeCr fasa α pada suhu diantara 550-900°C c. Pertumbuhan ira pada suhu melebihi 900°CMekanisma kerapuhan yang berlaku tidak akan mengurangkan kelakuan keluli pada suhu yang tinggi jikadijaga dengan rapi. Namun demikian, sifat keliatan akan berkurangan selepas proses penyejukan padasuhu bilik. Pemanasan pada suhu di atas julat kejadian fasa kerapuhan diikuti penyejukan pantas yangmencukupi akan menghindari kesan kerapuhan pada keluli tahan panas ini.3.5 KELULI PERKAKASKeluli perkakas adalah kumpulan bahan yang banyak digunakan untuk membuat perkakas memotong danpembentukan. Selain daripada keluli perkakas ini, bahan lain seperti karbida terekat dan seramik termasukintan. Bahan yang sering digunakan adalah keluli perkakas yang ditempa sama ada keluli karbon, aloi, ataukeluli berkelajuan tinggi. Keluli-keluli ini dikeraskan dengan proses lindapkejut dan pembajaan sehingga≤ 10 HRC. Nama keluli berkelajuan tinggi ini diberi nama berdasarkan kesesuaian keluli ini untukdigunakan sebagai keluli perkakas dengan memotong pada kelajuan yang tinggi. Keluli lain yangdigunakan untuk aplikasi kerja logam termasuklah keluli yang dihasilkan dari metalurgi serbuk, keluli aloikarbon-sederhana, keluli tahan karat karbon-tinggi martensit, dan keluli penuaan-martensit.Keluli perkakas tempawan secara dasarnya adalah keluli aloi yang boleh dikeraskan dengan kandunganelemen pembentukan karbida seperti kromium (Cr), molibdenum (Mo), tungsten (W) dan vanadium (V).Selain itu, kobalt (Co) merupakan elemen aloi yang digunakan untuk meningkatkan kestabilan suhu sesuatukeluli perkakas dengan meningkatkan suhu lebur.Jadual 3.4 menunjukkan julat komposisi keluli perkakasyang sering digunakan.
Jadual 3.4: Julat Komposisi Keluli Perkakas Mengikut Klasifikasi AISI Dan UNS Yang Sering Digunakan(W.Martienssen Dan H.Warlimont, 2005)
4PEMPROSESAN DAN PENGHASILAN LOGAM FERUS4.1 METALURGI SERBUKProses penghasilan logam secara metalurgi serbuk adalah satu teknik fabrikasi yang melibatkan prosespemadatan serbuk logam ke dalam acuan bentuk yang dikehendaki, kebiasaannya adalah bentuk-bentukyang kompleks dan diikuti dengan proses pensinteran (pemanasan tanpa peleburan) untuk menghasilkanlogam berjasad padu.Di antara peringkat-peringkat proses asas yang terlibat dalam proses metalurgi serbuk ialah: a. Penghasilan Serbuk b. Pengadunan c. Pemadatan atau Penekanan d. Pensinteran e. Proses KemasanPada masa kini, proses penghasilan logam secara metalurgi serbuk telah menjadi proses penghasilan yanglebih diminati terutamanya bagi menghasilkan produk dengan bentuk-bentuk yang kompleks berbandingproses penghasilan logam yang lain seperti penuangan, tempaan dan pemesinan. Kebanyakan produk-produk ini dihasilkan daripada logam berkekuatan tinggi dan aloi keras. Sehingga 70 % produk dankomponen yang digunakan di dalam industri automotif pada ketika ini dihasilkan menggunakan kaedahmetalurgi serbuk.4.1.1 Penghasilan SerbukTerdapat beberapa kaedah yang boleh digunakan untuk menghasilkan serbuk logam. Kebanyakan serbuklogam ini boleh dihasilkan menggunakan lebih daripada satu kaedah. Pemilihan kaedah penghasilanserbuk logam untuk proses metalurgi serbuk bergantung kepada keperluan produk akhir yang akandihasilkan. Mikrostruktur, sifat pukal dan permukaan, ketulenan, keliangan, bentuk dan taburan saiz bagipartikel serbuk yang dihasilkan dipengaruhi oleh jenis kaedah penghasilan serbuk logam tersebut. Ciri-ciri ini adalah penting kerana ia akan mempengaruhi kebolehaliran dan kebolehtelapan campuran serbuklogam semasa proses pemampatan dan diikuti proses pensinteran.Di antara kaedah-kaedah penghasilan serbuk logam yang sering digunakan adalah: i) Pengabusan (Atomization) ii) Penurunan iii) Endapan Elektrolit iv) Karbonil (Carbonyls)
v) Komunisi vi) Pengaloian Mekanikal 4.1.1.2 Bentuk, Saiz dan Taburan Partikel SerbukBentuk partikel serbuk akan mempengaruhi ciri-ciri pemprosesan, bentuk zarah biasanya diterangkanberdasarkan nisbah aspek atau faktor bentuk. Nisbah aspek adalah nisbah di antara dimensi terbesarkepada dimensi terkecil partikel serbuk tersebut. Rentang nisbah ini bernilai dari satu unit, bagi partikelberbentuk sfera, sehinggalah kepada nilai 10, bagi partikel berbentuk seakan kepingan atau seakan jarum.Bentuk-bentuk partikel yang sering ditemui di dalam kaedah penghasilan logam secara metalurgi serbukadalah seperti yang ditunjukkan di dalam Rajah 4.1 di bawah.Rajah 4.1: Bentuk-Bentuk Serbuk Yang WujudFaktor bentuk yang juga dikenali sebagai indeks bentuk adalah nisbah di antara nilai keluasan permukaansesuatu partikel kepada nilai isipadu partikel. Nisbah ini dinormalkan dengan merujuk kepada nisbahpartikel sfera dengan isipadu yang sama. Oleh itu, kebiasaannya nilai faktor bentuk bagi partikel kepinganadalah lebih tinggi berbanding partikel berbentuk sfera.Saiz partikel pula, kebiasaannya diukur menggunakan kaedah penapisan. Menggunakan kaedah ini, serbuklogam akan dilalukan melalui beberapa siri penapis yang mempunyai saiz jejaring yang pelbagai yangdisusun secara menegak di atas satu sama lain. Penapis-penapis ini disusun mengikut susunan saiz jejaringyang paling besar di bahagian atas dan saiz jejaring yang paling kecil di bahagian bawah. Semakin besarnilai saiz jejaring, bermakna semakin kecil saiz bukaan penapis tersebut.Selain daripada kaedah penapisan, terdapat beberapa lagi kaedah pengukuran saiz partikel yang bolehdigunakan. Di antaranya adalah kaedah: a. Pemendapan b. Analisis Mikroskop c. Serakan Cahaya
d. Optikal e. Partikel Terampai4.1.2 PengadunanPengadunan adalah langkah yang seterusnya dalam proses penghasilan metalurgi serbuk. Tujuan prosespengadunan ini adalah untuk: a) Serbuk dari pelbagai jenis logam dan pelbagai jenis bahan boleh diadunkan bersama untuk mendapatkan sifat-sifat fizikal dan mekanikal yang istimewa bagi produk yang dihasilkan. Bagaimanapun, campuran di antara beberapa jenis logam boleh dihasilkan terlebih dahulu menggunakan kaedah pengaloian dan kemudiannya aloi tersebut ditukar kepada bentuk serbuk. Pengadunan yang sempurna perlu dilakukan untuk memastikan sifat-sifat mekanikal yang diingini terserak secara seragam di keseluruhan produk. b) Walaupun hanya logam tunggal yang digunakan, partikel serbuk logam tersebut kebiasaannya akan mempunyai saiz dan bentuk partikel yang pelbagai. Oleh itu, partikel serbuk ini perlu diadun untuk mendapatkan taburan saiz dan bentuk yang seragam di keseluruhan produk. c) Bahan pelincir boleh diadunkan ke dalam campuran serbuk untuk memperbaiki sifat aliran campuran serbuk logam yang dihasilkan. Bahan pelincir akan mengurangkan kesan geseran di antara partikel-partikel logam dan menambahbaik aliran campuran serbuk logam ke dalam acuan, seterusnya memanjangkan jangka hayat acuan. Bahan pelincir yang sering digunakan adalah asid stearik atau zink stearat mengikut nisbah dari 0.25 sehingga 5 % berat campuran.Pengadunan campuran serbuk perlu dilakukan di dalam keadaan terkawal bagi mengelakkan pencemarandan kemerosotan. Kemerosotan akan terjadi daripada pengadunan berlebihan apabila ia merubah bentukpartikel serbuk dan menyebabkan ianya mengalami pengerasan kerja yang seterusnya akan menyebabkanproses pemadatan atau penekanan menjadi lebih sukar. Proses pengadunan serbuk boleh dilakukan samaada di dalam udara, persekitaran lengai bagi mengelakkan pengoksidaan, atau di dalam cecair yang akanbertindak sebagai pelincir dan menghasilkan adunan yang lebih seragam.4.1.3 Pemadatan Atau PenekananPemadatan atau penekanan adalah proses di mana campuran serbuk logam yang telah diadun ditekanmenjadi bentuk-bentuk yang pelbagai menggunakan acuan-acuan tertentu. Turutan kaedah penekanan iniditunjukkan di dalam Rajah 4.2 di bawah.
Rajah 4.2: Turutan Proses Penekanan Metalurgi SerbukTujuan pemadatan dilakukan untuk mendapatkan bentuk dan ketumpatan yang dikehendaki sertamemberikan kekuatan kepada bahagian tersebut untuk proses yang selanjutnya. Serbuk yang telah melaluiproses pemadatan dikenali sebagai jasad hijau memandangkan ia hanya mempunyai kekuatan yang rendah.Jasad hijau kebiasaannya bersifat mudah pecah dan mudah mengalami kecacatan. Sekiranya prosespemadatan dilakukan dengan kaedah yang betul, jasad hijau yang dihasilkan akan mempunyai kekuatanmuda dan ketumpatan padatan yang tinggi. Semakin tinggi nilai tekanan yang dikenakan ke atas serbuklogam semasa proses pemadatan, semakin tinggi nilai ketumpatan padatan jasad hijau, sehinggamenghampiri nilai ketumpatan logam di dalam bentuk pukal. Perhubungan di antara nilai tekanan yangpelbagai terhadap nilai ketumpatan jasad hijau ditunjukkan di dalam Rajah 4.3 di bawah.
Search
