PERLAKUAN
PANAS (HEAT TREATMENT OF STEEL)
Baja yang mengalami perlakuan panas
akan mempunyai sifat mekanis yang spesifik.
Perlakuan panas adalah suatu proses
pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat
fisis logam tersebut. Baja dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan
potong meningkat, atau baja dapat dilunakkan untuk memudahkan pemesinan lebih
lanjut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan,
besar butir diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan atau dapat
dihasilkan suatu permukaan yang keras di sekeliling inti yang ulet. Untuk
memungkinkan perlakuan panas yang tepat, susunan kimia baja harus diketahui
karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon dapat mengakibatkan
perubahan sifat-sifat fisis.
Macam perlakuan
panas :
1.
Anil (Annealing)
2.
Normalisasi (Normalisation/ Normalising)
3.
Pengerasan (Hardening)
4.
Temper (Tempering)
5.1. Anil
Tujuan utama dari proses anil adalah
pelunakan sehingga baja yang keras dapat dikerjakan melalui pemesinan atau
pengerjaan dingin. Hal ini dilakukan dengan memanaskan sedikit di atas suhu
kritis AC3, dibiarkan sampai suhu merata dan disusul dengan
pendinginan secara perlahan-lahan sambil dijaga agar suhu di bagian luar dan
dalam kira-kira sama. Kecepatan pendinginan 1500 – 2000C
tiap jam rata-rata. Proses yang digambarkan pada gambar berikut disebut proses
anil sempurna (full annealing) karena struktur sebelumnya akan berubah,
struktur kristal merata dan logam lebih lunak. Anil juga dapat meniadakan
tegangan dalam.
Gambar
5.1 Kurva transformasi untuk anil
sempurna
Bila logam yang telah dikeraskan
dipanaskan di atas daerah kritis, struktur kembali menjadi austenit dan
pendinginan perlahan-lahan memungkinkan terjadinya transformasi dari austenit
menjadi struktur yang lebih lunak. Baja hipoeutektoid bertransformasi menjadi
perlit dan ferit.
Suhu pemanasan proses anil
tergantung pada komposisi dan untuk baja karbon dapat dilihat pada diagram
besi-karbida besi. Laju pemanasan ditentukan oleh bentuk dan variasi ukuran
profil, harus diusahakan agar suhu merata. Bila suhu anil telah merata, baja
didiamkan beberapa lama, biasanya diperlukan waktu sekitar 45 menit untuk
ketebalan 25 mm pada penampang yang paling besar. Agar kekerasan minimal dan keuletan
maksimal, laju pendinginan harus lambat, untuk ini dapat dilakukan pendinginan
dalam dapur. Makin tinggi kadar karbon, makin lambat laju pendinginan.
Anil
isothermal :
Siklus anil isotermal dapat dilihat
pada gambar berikut.
Gambar 5.2
Diagram transformasi untuk anil isotermal
Baja dipanaskan
dengan suhu di atas suhu kritis AC3 dan ditahan pada suhu ini
sehingga terbentuk struktur austenit sepenuhnya. Selanjutnya baja didinginkan
dengan cepat sampai suhu 500 – 1000C di bawah AC1
kira-kira 6000 – 7000C dan ditahan pada suhu ini sampai
seluruh austenit berubah menjadi perlit. Selanjutnya baja didinginkan dalam
udara tenang. Anil isotermal menghasilkan perlit dengan struktur yang merata.
Kehalusan butirnya tergantung pada suhu transformasi.
5.2 Normalisasi.
Proses normalisasi terdiri dari
pemanasan baja 30 – 500C di atas daerah kritis AC3 disusul
dengan pendinginan dalam udara. Proses ini biasa diterapkan pada baja karbon
rendah dan sedang atau baja paduan agar struktur butiran lebih merata atau
untuk menghilangkan tegangan dalam atau untuk memperoleh sifat-sifat fisis yang
diinginkan. Baja setelah dinormalisasi akan mempunyai yield point, kekuatan
tarik dan kuat bentur (impact strength) yang lebih tinggi dari baja yang
dianil. Umumnya setelah digiling, ditempa, dipres, dicor baja mengalami proses
normalisasi. Baja hipoeutektoid setelah normalisasi akan memperoleh struktur
ferit dan perlit sedang. Baja hipereutektoid memperoleh struktur perlit dan
sementit.
Suhu
laku panas untuk anil dan normalisasi.
Suhu
laku panas berubah dengan kadar karbon
Proses
laku panas baja ( skematik )
5.3 Pengerasan (Hardening).
Pengerasan adalah proses pemanasan
baja sampai suhu di daerah atau di atas daerah kritis disusul dengan
pendinginan cepat. Bila kadar karbon diketahui, suhu pemanasannya dapat dibaca
dari diagram fasa besi-karbida besi. Akan tetapi bila komposisi baja tidak
diketahui, perlu diadakan percobaan untuk mengetahui daerah pemanasannya. Cara
yang terbaik ialah memanaskannya dan mencelup beberapa potong baja pada
berbagai suhu disusul dengan pengujian kekerasan atau pengamatan mikroskopik.
Bila suhu yang tepat telah diperoleh akan terjadi perubahan dalam kekerasan dan
sifat lainnya.
Pada setiap operasi perlakuan panas,
laju pemanasan merupakan faktor yang penting. Panas merambat dari luar ke dalam
dengan kecepatan tertentu. Bila pemanasan terlalu cepat bagian luar akan jauh
lebih panas dari bagian dalam sehingga tidak dapat diperoleh struktur yang
merata. Bila bentuk benda tidak teratur, benda harus dipanaskan perlahan-lahan
agar tidak mengalami distorsi atau retak Makin besar potongan benda, makin lama
waktu yang diperlukan untuk memperoleh hasil yang merata.
Kekerasan yang dapat dicapai
tergantung pada laju pendinginan, kadar karbon dan ukuran benda. Pada baja
paduan, jenis dan jumlah paduan akan mempengaruhi kemampuan pengerasan. Perlu
dibedakan antara kekerasan dan kemampuan pengerasan.
Dari diagram transformasi di bawah
jelas, bahwa diperlukan pencelupan yang cepat untuk mencegah perpotongan dengan
ujung kurva sehingga dapat diperoleh struktur martensit.
Gambar
5.3 Diagram transformasi yang menggambarkan
terjadinya martensit
Untuk baja
karbon rendah dan baja karbon sedang, lazim dilakukan pencelupan dalam air.
Laju pendinginannya cukup cepat sehingga terbentuk martensit. Untuk baja karbon
tinggi dan baja paduan biasanya digunakan minyak sebagai media pencelupan,
pendinginannya tidak secepat air. Tersedia berbagai jenis minyak, seperti
minyak mineral dengan kecepatan pendinginan yang berlainan sehingga dapat
diperoleh baja dengan berbagai tingkat kekerasan. Untuk pendinginan yang cepat
dapat digunakan air garam atau air yang disemprotkan. Beberapa jenis logam
dapat dikeraskan melalui pendinginan udara akan tetapi untuk baja biasa, laju
pendinginan udara terlalu lambat. Benda yang agak besar biasanya dicelup dalam
minyak. Suhu media celup harus merata agar dapat dicapai pendinginan yang
merata pula. Media pendingin yang digunakan dalam produksi harus dilengkapi
dengan perlengkapan pendingin.
Baja dengan kadar karbon rendah
sulit untuk dikeraskan. Dengan meningkatnya kadar karbon sampai sekitar 0,6%
kekerasan akan naik. Di atas 0,6% kenaikan harga karbon hanya sedikit
pengaruhnya, karena di atas suhu eutektoid baja dalam keadaan anil terdiri dari
perlit dan sementit. Baja yang sebagian besar terdiri dari perlit dapat diubah
menjadi baja yang keras.
Benda dengan ukuran yang lebih besar
pada umumnya akan menghasilkan permukaan yang kurang keras meskipun kondisi
perlakuan panas tetap sama. Hal ini disebabkan oleh terbatasnya jumlah panas
yang dapat merambat dari permukaan ke bagian dalam. Oleh karena itu kekerasan
di bagian dalam benda akan lebih rendah daripada di bagian luar, dan ada nilai
batas tertentu. Namun air garam atau air mungkin menurunkan suhu permukaan
dengan cepat, yang diikuti dengan penurunan suhu di dalam benda tersebut,
sehingga diperoleh lapisan keras dengan ketebalan tertentu. Hal ini tidak
terjadi pada pencelupan minyak, suhu permukaan lebih lambat dingin dan mungkin
masih agak tinggi hingga pendinginan terhambat.
Struktur Baja
yang dikeraskan.
Telah diketahui
bahwa austenit merupakan larutan padat karbon dalam besi-gamma. Baja karbon
terdiri dari austenit pada suhu di atas suhu kritis. Bentuk austenit yang dilihat
dengan mikroskop pada perbesaran 125x dapat dilihat pada gambar.
Dengan
pencelupan dari suhu yang cukup tinggi, biasanya tidak semua austenit berubah,
dan austenit sisa ini mempunyai kekerasan setengah dari martensit dan bersifat
non-magnetik.
Bila baja hipoeutektoid didinginkan secara perlahan-lahan austenit
bertransformasi menjadi ferit dan perlit. Baja dengan susunan demikian lunak
dan ulet. Bila baja didinginkan dengan lebih cepat, akan dihasilkan susunan
yang berlainan, baja akan lebih keras akan tetapi kurang ulet. Pendinginan yang
cepat seperti pencelupan dalam air akan menghasilkan struktur martensit.
Martensit adalah struktur yang paling keras. Sementit yang lebih keras sedikit
terdapat secara bebas dan dalam jumlah yang kecil dalam baja hipoeutektoid
sehingga pengaruhnya atas kekerasan baja dapat diabaikan.
Unsur yang sangat penting dalam baja
yang dikeraskan ialah martensit. Martens seorang ilmuwan berbangsa Jerman,
menemukan struktur ini pada tahun 1878. Martensit diperoleh dengan mencelupkan
baja karbon dalam air dan terbentuklan fasa transisi yang terjadi karena
dekomposisi austenit dengan cepat dan merupakan larutan padat karbon. Di bawah
mikroskop tampak jarum-jarum. Kekerasan martensit tergantung pada kadar karbon
dan berkisar antara Rockwell C45 dan C67. Martensit sukar dipotong, bahannya
getas dan bersifat magnetik.
Bila baja dicelup, lebih lambat dari
kecepatan kritis, terbentuklan struktur yang hitam; yang agak bulat yang
disebut perlit halus. Perlit halus kurang keras dibandingkan dengan martensit,
kekerasannya berkisar antara 34 dan 45 Rockwell C; ulet dan tahan beban kejut.
Bila laju pendinginan diperlambat lagi, maka akan terbentuk perlit kasar.
Kekerasan
Maksimum Baja
Kekerasan
Maksimum yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon. Meskipun penambahan
unsur paduan seperti khrom dan vanadium dapat meningkatkan kemampuan pengerasan
baja paduan, kekerasan maksimal tidak dapat melampaui kekerasan baja karbon
dengan kadar karbon yang sama. Hal ini dapat dilihat pada gambar.
Gambar 5.7 Kekerasan maksimum sebagai fungsi dari kadar
karbon
Untuk dapat mencapai kekerasan maksimum karbon harus larut sempurna dalam
austenit. Laju pendinginan minimal yang dapat menghasilkan 100% martensit
disebut kecepatan pendinginan atau pencelupan kritis. Selain itu, harus
diusahakan agar jumlah austenit sisa dapat ditekan karena austenit sisa akan
melunakkan struktur.
Kekerasan maksimum dapat dicapai
bila austenit seluruhnya berubah menjadi martensit dan nilai kekerasannya 66
sampai 67 Rockwell C. Untuk dapat mencapai nilai ini kadar karbon harus sama
dengan atau lebih dari 0,60%.
5.4 Temper.
Baja yang telah dikeraskan bersifat getas dan tidak cocok untuk
digunakan. Melalui temper, kekerasan dan kegetasan dapat diturunkan sampai
memenuhi persyaratan penggunaan. Kekerasan turun, kekuatan tarik akan turun
pula sedang keuletan dan ketangguhan baja akan meningkat. Proses temper seperti
terlihat pada gambar terdiri dari pemanasan kembali dari baja yang telah
dikeraskan pada suhu di bawah suhu kritis disusul dengan pendinginan. Meskipun
proses ini menghasilkan baja yang lebih lunak, proses ini berbeda dengan proses
anil karena disini sifat-sifat fisis dapat dikendalikan dengan cermat. Struktur
akhir hasil temper baja yang dikeraskan disebut martensit temper.
Gambar
5.3 Diagram transformasi yang
menggambarkan terjadinya martensit temper
Temper dimungkinkan oleh karena struktur martensit tidak stabil. Temper
pada suhu rendah antara 150 – 2300C tidak menghasilkan penurunan
kekerasan yang berarti, karena pemanasan akan menghilangkan tegangan dalam
terlebih dahulu bila suhu temper meningkat, martensit terurai lebih cepat
sekitar 3150C perubahan fasa menjadi martensit temper berlangsung
dengan cepat.
Proses temper terdiri dari presipitasi dan penggumpalan atau pertumbuhan
sementit. Pengendapan sementit terjadi pada 3150C diiringi dengan
penurunan kekerasan. Peningkatan suhu akan mempercepat penggumpalan karbida,
sementara kekerasan terus turun. Pada Gambar terlihat sifat baja AISI 1050 yang
dapat dicapai dengan melakukan proses temper, terlihat perubahan kekuatan
tarik, titik luluh, penyusutan penampang dan perpanjangan.
Gambar 5.9 Sifat fisis
baja AISI, berbutir halus, dicelupkan dalam air.
Ada dua
proses khusus dimana diterapkan pencelupan tertunda. Baja yang dikeraskan
dicelup dalam dapur garam pada suhu yang lebih rendah sebelum didinginkan lebih
lanjut. Proses yang dikenal dengan
nama austemper dan martemper memungkinkan diperolehnya sifat fisik khusus
Gambar 5.8 Baja SAE 1095 dicelup dari 8400C
disusul dengan temper selama 8 jam pada 6750C. Struktur: Sementit
spheroid dalam matrix feritik. Pembesaran 900x.
Aus Temper
Proses
pencelupan tertunda seperti tampak pada gambar disebut austemper. Austenit
mengalami transformasi isotermal dan berubah manjadi Bainit (Bainite) yang keras. Benda atau bagian
harus dicelup dengan cepat sampai mencapai suhu yang tepat, tanpa memotong
ujung kurva diagram transformasi. Baja dibiarkan di atas garis Ms
akan tetapi di bawah 4300C.
Bila dibiarkan
cukup lama, akan diperoleh struktur bainit. Di bawah mikroskop struktur bainit
mirip dengan martensit, akan tetapi bainit lebih ulet dibandingkan dengan
martensit temper. Proses ini diterapkan untuk benda yang kecil dengan kemampuan
pengerasan yang baik.
A.
Austemper B. Martemper ( martensit
temper )
Martemper.
Baja didinginkan dengan cepat dari daerah austenit
sampai suhu di atas garis Ms (lihat Gambar ). Baja dibiarkan
cukup lama sehingga suhu merata, artinya bagian dalam dan luar telah mencapai
suhu yang sama. Setelah itu biasanya baja didinginkan di udara sampai mencapai
suhu ruang dan terbentuklah martensit. Baja dipanaskan kembali; suhu tergantung
pada kadar karbon dan pada unsur paduan, untuk baja karbon dengan C = 0,40%,
suhu adalah 3700C. Tujuan utama martemper adalah untuk menekan
distorsi, terjadinya retak dan timbulnya tegangan dalam akibat pencelupan dalam
minyak atau air. Struktur yang terjadi sama dengan martensit temper, dan
biasanya disusul temper lagi
Proses
Transformasi ( Skematik )
Tidak ada komentar:
Posting Komentar