Bahan Material Bangunan (Tahan Api)

• Baja, Material ini dapat berubah bentuk bila terpapar api karena itu bahayanya adalah apabila konstruksi baja dalam keadaan terbakar maka bangunan dapat roboh karena perubahan bentuk struktur baja. Material ini sebenarnya dapat dicampurkan dengan logam lain seperti krom (Cr), Molibdan (Mo), Nikel (Ni), atau Vanadium (V) untuk menghasilkan material baja yang lebih dapat bertahan terhadap api namun baja dengan campuran harganya cukup mahal. Baja yang digunakan dalam struktur beton bertulang yaitu besi tulangan lebih tahan terhadap api berkat selimut betonnya. Namun bila struktur baja digunakan sebagai konstruksi secara langsung sebaiknya diselimuti dengan gypsum, sekaligus sebagai aksen.

• Beton, Material yang umum dipakai ini merupakan material yang tahan terhadap api. Bila dijadikan konstruksi beton bertulang maka beton tersebut mampu melindungi besi dari berubah bentuk. Apabila terbakar, kandungan air dalam beton akan menurun dan dapat pula menurunkan kekuatan beton. Karena itu apabila sudah terbakar maka sebaiknya beton diganti dengan yang baru.

• Kaca, Material ini tidak tahan api meskipun tidak terbakar, sehingga kemungkinannya adalah kaca akan pecah. Kaca tempered merupakan kaca yang lebih tahan api dan pecahnya tidak membahayakan manusia karena pecah kecil-kecil. Lapisan pelindung kaca juga dapat mencegah kaca pecah berhamburan apabila terpapar panas.

• Kayu, Kita tahu material ini tidak tahan terhadap api atau mudah terbakar. Meskipun demikian, apabila api mati dan belum menghabiskan seluruh kayu maka lapisan arangnya justru akan mencegah kayu terbakar, hal ini menjadikan bangunan kayu lebih lambat robohnya dibandingkan bangunan berstruktur baja maupun beton bertulang. Kayu yang dicat juga lebih tahan terhadap api.

• Bahan Plastik, Material ini hadir dalam rumah dalam berbagai bentuk dan susunan kimianya yang membedakan cepat tidaknya terbakar. Material plastik sangat mudah terbakar, dan menimbulkan tetesan plastik terbakar yang dapat menyebarkan api serta mengeluarkan gas beracun. Berbagai material seperti pipa saluran, pintu PVC, peralatan rumah tangga, busa kasur dan sebagainya merupakan contoh plastik dalam rumah.
  
  

  Dari segi desain bangunan, sebaiknya diperhatikan bagaimana mencegah dan menyelamatkan diri apabila terjadi kebakaran. Setiap rumah tangga sebaiknya memikirkan bagaimana tindakan cepat yang harus dilakukan apabila terjadi kebakaran, misalnya seperti rute terpendek untuk keluar rumah, adanya tangga darurat, serta bukaan yang dapat digunakan untuk menyelamatkan diri.

  
  

  
  

  PEMILIHAN MATERIAL TAHAN PANAS  

  Material tahan panas adalah material yang mampu mempertahankan sifat-sifatnya atau tidak mengalami penurunan kualitas pada suhu yang tinggi. Material tahan panas adalah material paduan yang dikembangkan untuk aplikasi pada suhu yang sangat tinggi dengan penekanan yang tinggi terhadap sifat-sifat seperti tensile, thermal, vibratory atau shock dan ketahanan terhadap oksidasi. Definisi lainnya yaitu material tahan panas adalah material yang mampu menahan beban pada suhu operasi mendekati titik lelehnya, mampu menahan degradasi mekanik selama waktu tertentu, serta tidak mudah bereaksi dengan lingkungan pada suhu operasi yang tinggi.   

  Dari beberapa definisi mengenai material tahan panas, dapat disimpulkan bahwa material tahan panas yang dimaksud adalah material yang berbasis pada logam, dimana logam tersebut merupakan material paduan yang dipadukan dengan unsur-unsur paduan tertentu untuk mendapatkan sifat-sifat sesuai dengan kebutuhan pada suhu operasi yang tinggi. 

  Material logam tahan panas dapat berupa produk wrought atau casting bergantung kepada aplikasi / komposisi yang terkandung di dalamnya. Produk wrought adalah produk yang melewati proses pembentukan lebih lanjut terlebih dahulu sebelum digunakan. Proses pembentukan tersebut antara lain yaitu forging, rolling, ekstrusi dan lain sebagainya. Sedangkan, produk casting adalah produk hasil pengecoran. Berdasarkan komposisi unsur paduannya, produk wrought biasanya merupakan paduan dengan komposisi paduan yang relatif rendah sehingga lebih mudah untuk dikenai pengerjaan lanjutan untuk merubah bentuknya. Sedangkan, produk casting merupakan paduan dengan kadar unsur paduan yang tinggi, dimana unsur-unsur tersebut mempersulit suatu logam paduan untuk dikenai proses perubahan bentuk, sehingga proses pembuatan yang dipilih adalah dengan metode pengecoran.

    

  JENIS-JENIS MATERIAL

  Paduan logam tahan panas dapat digunakan pada aplikasi yang luas, baik yang melibatkan pembebanan tinggi, pembebanan kejut, suhu tinggi, gesekan dan lain sebagainya. Hal ini adalah karena sifat logam dapat direkayasa sesuai kebutuhan dengan menambahkan unsur paduan yang tepat. Salah satu klasifikasi material logam yang telah banyak digunakan sebagai material tahan panas adalah superalloy. Superalloy adalah material yang memang dikembangkan dengan tujuan untuk mempertahankan kekuatannya pada temperatur tinggi (> 650 ^OC) untuk waktu yang lama, memiliki kombinasi yang baik antara kekuatan tinggi dan keuletan yang baik pada temperatur rendah, serta stabilitas permukaan yang baik. Sedangkan, kelompok lainnya adalah material logam baja tahan panas yang dibagi menjadi empat klasifikasi, yaitu:

  
  

  • Iron - chromium, kelompok baja ini memiliki komposisi sebesar 26-30% Cr dan <7% Ni. Kelompok ini biasa digunakan pada aplikasi dimana kekuatan pada suhu tinggi tidak diperlukan, seperti bearing, roll, fitting, dan lain-lain.
  • Iron - chromium - nickel, kelompok baja ini memiliki komposisi sebesar 18-32% Cr dan 8-22% Ni. Kebanyakan struktur mikronya fully γ. Pada suhu >800 ^oC α membentuk σ phase yang brittle, namun kuat pada suhu tinggi. Ketahanan creep dan rupture strength yang tinggi dan dapat ditingkatkan dengan meningkatkan kadar Ni. Biasa digunakan pada furnace.
  • Iron - nickel - chromium, komposisinya 15-28% Cr dan 23-41% Ni (Cr < Ni). Kelompok ini memiliki fasa γ yang stabil, memiliki kekuatann yang baik pada temperatur tinggi, tahan thermal stress dan oksidasi. Pada aplikasinya biasa digunakan sebagai chain, komponen furnace, steam reformer dan load bearing.
  • Nickel - iro - chromium, komposisi baja ini adalah 58-68% Ni dan 10-19% Cr. Kelompok ini memiliki sifat tahan terhadap karburisasi dan nitridasi. Karena sifatnya tersebut, maka biasanya kelompok baja ini digunakan untuk peralatan karburisasi dan nitridasi, komponen pembakar, dan lain sebagainya.
  SIFAT - SIFAT PENTING MATERIAL
  Berdasarkan definisi-definisi yang telah dikemukakan di atas, dapat diketahui bahwa sifat-sifat material tahan panas yaitu mampu menahan beban pada suhu operasi mendekati titik lelehnya, mampu menahan degradasi mekanik selama waktu tertentu, tidak mudah bereaksi dengan lingkungan pada suhu operasi yang tinggi, mampu mempertahankan sifat-sifatnya pada suhu operasi yang tinggi dan lain sebagainya. Adapun detail mengenai sifat-sifat material yang harus dipertahan oleh material tahan panas antara lain:
  • Kekuatannya pada suhu tinggi (tidak mengalami pelunakkan)
  • Kestabilan fasa (tidak berubah fasa)
  • Tahan warping (perubahan bentuk atau dimensi material)
  • Tahan retak
  • Tahan stres-rupture
  • Tahan thermal shock
  • Tahan thermal fatigue
  • Tahan creep (kegagalan mekanik yang diakibatkan pengaplikasian pada suhu tinggi, meskipun beban yang diterima tidak ditambahkan).
  • Harus tahan terhadap atmosfir yang korosif, seperti:
    • Oksidasi: pada suhu tinggi, logam cenderung akan lebih reaktif dan apabila lingkungannya bersifat korosif maka akan sangat memungkinkan terjadinya oksidasi (korosi).
    • Sulfidasi: terjadi akibat kontak dengan unsur S yang dapat membentuk senyawa sulfida yang keras namun sangat rapuh (sangat mengurangi keuletan material).
    • Karburisasi: terjadi akibat kontak dengan elemen hidrokarbon yang dapat membentuk karbida yang keras namun sangat rapuh (sangat mengurangi keuletan material). Biasanya terjadi pada suhu 900-1000 F.
    • Dekarburisasi: penghilangan kadar karbon dari material logam yang mengakibatkan kekerasan suatu logam akan menurun karena karbon yang dikandungnya menghilang.
    • Serangan hidrogen: salah satu jenis korosi yang disebabkan oleh serangan hidrogen.
    
    
  UNSUR - UNSUR PADUAN 
  Unsur-unsur paduan pada logam baja yang dapat meningkatkan sifatnya sebagai material yang akan diaplikasikan pada suhu tinggi, yaitu:
  

  • Nikel, Penambahan unsur nikel sampai dengan 70% dapat memberikan kekuatan dan ketangguhan pada logam baja, memicu terbentuknya austenit yang lebih kuat dan stabil pada suhu tinggi, memberikan ketahanan oksidasi, karburisasi, nitridasi dan thermal fatigue, serta meningkatkan fracture toughness. Namun, dari beberapa keuntungan yang dapat diberikan tersebut, ada juga kerugian yang dapat diakibatkan oleh nikel yaitu menurunkan kekuatan tarik pada suhu tinggi.

  • Kromium, Penambahan unsur kromium sekitar 10-30% dapat memberikan ketahanan terhadap oksidasi (scaling) pada suhu tinggi dan tahan terhadap sulfur yang bersifat korosif. Adanya senyawa CrC dapat meningkatkan temperatur creep dan rupture strength, serta menigkatkan nilai UTS pada temperatur tinggi. Di sisi lain, unsur kromium memiliki kecenderungan membentuk ferit (alpha).

  • Karbon, Penambahan unsur karbon sekitar 0,20-0,75% dapat mengakibatkan disperse-strengthening dengan membentuk karbida di dalam struktur. Semakin tinggi kadar karbon yang diberikan dapat memberikan beberapa sifat yang menguntungkan seperti meningkatkan kekuatan pada suhu tinggi dan ketahanan creep. Namun, karbon dapat menurunkan ductility.

  • Silikon, Penambahan unsur paduan silikon hanya dibatasi sampai dengan 1,5%. Pemberian unsur paduan silikon dapat meningkatkan fluiditas lelehan logam dan memberikan sifat ketahanan terhadap korosi temperatur tinggi dan karburisasi. Tetapi, pada sisi lain silikon dapat menurunkan nilai UTS pada suhu tinggi. Selain itu, unsur paduan silikon memiliki kecenderungan untuk membentuk ferit. 
  • Molibdenum, Unsur paduan ini mampu memperbaiki sifat creep dan rupture strength dengan cara membentuk “karbida yang stabil”

  • W, Zr, Ti dan N, Unsur-unsur ini dapat meningkatkan creep dan stress rupture pada pemakaian komponen sampai dengan 650 ^oC dengan struktur ferrit-austenit. Pada suhu aplikasi kurang dari 650 ^oC, paduan memiliki struktur austenit secara menyeluruh. Adanya ferit dapat menurunkan ketahanan creep pada temperatur tinggi. Selain itu, ferit juga dapat membentuk fasa sigma yang berakibat menurunnya keuletan dan bersifat getas.

  
  
  REAKSI PADA SUHU TINGGI
  
  

  Pada material logam tahan panas terdapat beberapa reaksi yang mungkin terjadi ketika suhu operasi mulai meningkat. Hal ini adalah karena sifat dasar dari material logam yang bersifat sangat reaktif ketika suhunya mendekati suhu lelehnya. Adappun reaksi yang mungkin terjadi adalah sebagai berikut:

  • Fasa sigma, Fasa sigma terbentuk pada kisaran suhu 593-927 ^oC. Fasa sigma dapat terbentuk karena suatu material memiliki fasa ferrit di dalamnya. Kerugian yang diakibatkan dari terbentuknya fasa sigma ini adalah menurunnya ductility dan ketangguhan sehingga apabila suatu material mendapat pembebanan impak akan mudah mengalami retak. Cara untuk mencegah terbentuknya fasa sigma adalah dengan memilih kombinasi unsur pembentuk fasa α dan γ dengan tepat. Tujuannya adalah agar tidak terbentuk ferit bebas.

  • Oksidasi, Pada suhu tinggi terbentuk oksidasi sangat mungkin terjadi. Beberapa cara untuk meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi adalah dengan menigkatkan kadar Cr (>25%), penambahan 25-30% Cr, <2% Si, <4% Al, Yttrium dan Cerium serta dapat juga dengan cara penambahan Ni.  Adanya penambahan Ni, walaupun Cr konstan dapat meningkatkan ketahanan oksidasi yang tinggi. Selain itu nikel yang tinggi juga dapat memberikan sifat kepada material tahan terhadap spalling dan juga meningkatkan kestabilan.

  • Karburisasi, Pada suhu tinggi atau sekitar 482-538 ^oC atmosfer CO, metana, etana dan hidrokarbon pada lingkungan pengaplikasian material dapat membentuk karbon. Karbon tersebut dapat bereaksi dengan unsur yang terkandung pada material seperti Cr, Nb, W, Mo atau Ti membentuk karbida pada butir atau pun batas butir. Karbida ini bersifat kuat, keras, tetapi brittle sehingga dapat mengakibatkan suatu material mengalami pengurangan ductility. Selain itu, apabila karburisasi terjadi, maka Cr pada material akan menjadi rendah sehingga secara tidak langsung juga mengakibatkan ketahanan oksidasi dan creep berkurang. Adapun pencegahan dari karburisasi adalah dengan mengkombinasikan Ni dan melapisi permukaan material dengan Si, Al, Cr atau kombinasi dari ketiganya. Kromium, nikel dan silikon adalah tiga unsur utama yang dapat meningkatkan ketahanan paduan dari absorpsi karbon. Nikel dan silikon memberikan kelarutan yang lebih rendah terhadap karbon dan nitrogen.

  • Nitridasi, Pada suhu tinggi, jika nitrogen bereaksi dengan Cr atau unsur lain akan dapat membentuk senyawa nitrida yang brittle. Pencegahan dari nitridasi adalah dengan menaikkan kandungan Ni. Hal ini adalah karena Ni sangat tahan terhadap nitridasi. Pada nikel, N memiliki kelarutan yang rendah. Selain dengan penambahan kadar Ni, sama halnya dengan karburisasi, nitridasi juga dapat dicegah dengan cara melapisi permukaan material dengan Si, Al, Cr atau kombinasi dari ketiganya.

  
  
  PROSES DESIGN & KRITERIA PEMILIHAN MATERIAL
  
  

  Aplikasi yang membutuhkan material tahan panas adalah aplikasi dengan suhu operasi sekitar 650-1315 ^oC, dimana apabila material biasa yang digunakan maka akan mudah mengalami degradasi, baik degradasi karena beban mekanik maupun karena korosi. Proses design dan kriteria pemilihan untuk membuat material logam paduan yang mampu menahan panas pada suhu tersebut adalah dengan memperhatikan beberapa faktor yang dapat dialami material pada suhu aplikasi tersebut.

  
  

  Adapun yang menjadi faktor pemilihannya adalah sebagai berikut:

  -          Tahan korosi suhu tinggi

  -          Stabilitas tinggi (tahan warping , retak, thermal fatigue)

  -          Memiliki kekuatan creep (plastic flow resistance)

  -          Tahan stress-rupture

  
  

  Selain itu, kondisi pengaplikasian dari suatu material juga harus diperhatikan, seperti beban yang akan diterima, atmosfir lingkungan pengaplikasian, bentuk komponen dan lain sebagainya. Setelah memperhitungkan faktor-faktor yang dapat terjadi pada material serta kondisi pengaplikasianya, proses design yang selanjutnya adalah memilih jenis material yang akan digunakan secara detail, seperti sifat-sifat logam utamanya dan unsur-unsur paduannya. Tujuan dari langkah penentuan material ini adalah untuk mendapatkan paduan yang sesuai dengan keinginan. 

  
  

  
  

  Pada logam paduan juga harus diperhitungkan mengenai fasa apa yang akan terbentuk, apakah austenit yang stabil pada suhu tinggi, ferit yang memiliki sifat lunak dan ductile atau mertensitik yang tidak stabil pada suhu tinggi. Contoh lainnya adalah adanya karbida/senyawa intermetalik (Ni₃Al) dalam autenit yang dapat menurunkan ductility. Untuk mencegahnya maka kita harus meninggikan kadar karbon.

  
  
  
  
  
  
  

  Referensi

  1. Ashraf, Muhammad Usman. “Industrial Application of Heat Resistant Materials”. (2010).
  2. Suharno, Bambang & Sri Harjanto. Bahan Kuliah Baja Paduan dan Paduan Super: “Heat Resistant Steel”. Departemen Teknik Metalurgi dan Material FTUI. (2010).
  3. Wilson, Jason. “Understanding Various Factors that Reduce Heat-Resistant-Alloy Component Life”. Heat & Corrosion Resistant Materials/Composites. (2007).
  4. Wilson, Jason. “Heat-Resistant Alloy Selection – The Importance of microstructure Under Cycling Conditions”. Heat & Corrosion Resistant Materials/Composites. (2008)
  5. Tillack, Donald J. & Joseph E. Guthrie. “Wrought and cast heat-resistant stainless steel and nickel alloys for the refining and petrochemical industries”. Nickel Development Institute.(2002).