Baja dan Besi sampai saat ini menduduki peringkat pertama logam yang paling banyak penggunaanya, besi dan baja mempunyai kandungan unsur utama yang sama yaitu Fe, hanya kadar karbon lah yang membedakan besi dan baja, penggunaan besi dan baja dewasa ini sangat luas mulai dari perlatan yang sepele seperti jarum, peniti sampai dengan alat – alat dan mesin berat.

Klasifikasi baja

1. Menurut komposisi kimianya:

a. Baja karbon (carbon steel), dibagi menjadi tiga yaitu :

1. Baja karbon rendah (low carbon steel) è machine, machinery dan mild steel

0,05 % – 0,30% C. Sifatnya mudah ditempa dan mudah di mesin. Penggunaannya:

0,05 % – 0,20 % C : automobile bodies, buildings, pipes, chains, rivets, screws, nails.

0,20 % – 0,30 % C : gears, shafts, bolts, forgings, bridges, buildings.

2. Baja karbon menengah (medium carbon steel)

Kekuatan lebih tinggi daripada baja karbon rendah.

Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong. Penggunaan:

o 0,30 % – 0,40 % C : connecting rods, crank pins, axles.

o 0,40 % – 0,50 % C : car axles, crankshafts, rails, boilers, auger bits, screwdrivers.

o 0,50 % – 0,60 % C : hammers dan sledges.

3. Baja karbon tinggi (high carbon steel)  –> tool steel

Sifatnya sulit dibengkokkan, dilas dan dipotong. Kandungan 0,60 % – 1,50 % C   Penggunaan :

screw drivers, blacksmiths hummers, tables knives, screws, hammers, vise jaws, knives, drills. tools for turning brass and wood, reamers, tools for turning hard metals, saws for cutting steel, wire drawing dies, fine cutters.

b. Baja paduan (alloy steel)

Tujuan dilakukan penambahan unsur yaitu:

1. Untuk menaikkan sifat mekanik baja (kekerasan, keliatan, kekuatan tarik dan sebagainya)

2. Untuk menaikkan sifat mekanik pada temperatur rendah3. Untuk meningkatkan daya tahan terhadap reaksi kimia (oksidasi dan reduksi)4. Untuk membuat sifat-sifat spesial

Baja paduan yang diklasifikasikan menurut kadar karbonnya dibagi menjadi:

1. Low alloy steel, jika elemen paduannya ≤ 2,5 %2. Medium alloy steel, jika elemen paduannya 2,5 – 10 %3. High alloy steel, jika elemen paduannya > 10 %

Selain itu baja paduan dibagi menjadi dua golongan yaitu baja campuran khusus (special alloy steel) dan high speed steel.

Baja Paduan Khusus (special alloy steel)

Baja jenis ini mengandung satu atau lebih logam-logam seperti nikel, chromium, manganese, molybdenum, tungsten dan vanadium. Dengan menambahkan logam tersebut ke dalam baja maka baja paduan tersebut akan merubah sifat-sifat mekanik dan kimianya seperti menjadi lebih keras, kuat dan ulet bila dibandingkan terhadap baja karbon (carbon steel).

High Speed Steel (HSS)  è Self Hardening Steel

            Kandungan karbon : 0,70 % – 1,50 %. Penggunaan membuat alat-alat potong seperti drills, reamers, countersinks, lathe tool bits dan milling cutters. Disebut High Speed Steel karena alat potong yang dibuat dengan material tersebut dapat dioperasikan dua kali lebih cepat dibanding dengan  carbon steel. Sedangkan harga dari HSS besarnya dua sampai empat kali daripada carbon steel.

Baja Paduan dengan Sifat Khusus

1. Baja Tahan Karat (Stainless Steel)

Sifatnya antara lain:

Memiliki daya tahan yang baik terhadap panas, karat dan goresan/gesekan Tahan temperature rendah maupun tinggi Memiliki kekuatan besar dengan massa yang kecil Keras, liat, densitasnya besar dan permukaannya tahan aus Tahan terhadap oksidasi Kuat dan dapat ditempa Mudah dibersihkan

Mengkilat dan tampak menarik

2. High Strength Low Alloy Steel (HSLS)

Sifat dari HSLA adalah memiliki tensile strength yang tinggi, anti bocor, tahan terhadap abrasi, mudah dibentuk, tahan terhadap korosi, ulet, sifat mampu mesin yang baik dan sifat mampu las yang tinggi (weldability). Untuk mendapatkan sifat-sifat di atas maka baja ini diproses secara khusus dengan menambahkan unsur-unsur seperti: tembaga (Cu), nikel (Ni), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Vanadium (Va) dan Columbium.

3. Baja Perkakas (Tool Steel)

Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh baja perkakas adalah tahan pakai, tajam atau mudah diasah, tahan panas, kuat dan ulet.

Kelompok dari tool steel berdasarkan unsur paduan dan proses pengerjaan panas yang diberikan antara lain:

1. Later hardening atau carbon tool steel (ditandai dengan tipe W oleh AISI), Shock resisting (Tipe S), memiliki sifat kuat dan ulet dan tahan terhadap beban kejut dan repeat loading. Banyak dipakai untuk pahat, palu dan pisau.

2. Cool work tool steel, diperoleh dengan proses hardening dengan pendinginan yang berbeda-beda. Tipe O dijelaskan dengan mendinginkan pada minyak sedangkan tipe A dan D didinginkan di udara.

3. Hot Work Steel (tipe H), mula-mula dipanaskan hingga (300 – 500) ºC dan didinginkan perlahan-lahan, karena baja ini banyak mengandung tungsten dan molybdenum sehingga sifatnya keras.

4. High speed steel (tipe T dan M), merupakan hasil paduan baja dengan tungsten dan molybdenum tanpa dilunakkan. Dengan sifatnya yang tidak mudah tumpul dan tahan panas tetapi tidak tahan kejut.

5. Campuran carbon-tungsten (tipe F), sifatnya adalah keras tapi tidak tahan aus dan tidak cocok untuk beban dinamis serta untuk pemakaian pada temperatur tinggi.

 

Klasifikasi lain antara lain :

a. Menurut penggunaannya:

Baja konstruksi (structural steel), mengandung karbon kurang dari 0,7 % C. Baja perkakas (tool steel), mengandung karbon lebih dari 0,7 % C.

b. Baja dengan sifat fisik dan kimia khusus:

Baja tahan garam (acid-resisting steel) Baja tahan panas (heat resistant steel)

Baja tanpa sisik (non scaling steel) Electric steel Magnetic steel Non magnetic steel Baja tahan pakai (wear resisting steel) Baja tahan karat/korosi

Dengan mengkombinasikan dua klasifikasi baja menurut kegunaan dan komposisi kimia maka diperoleh lima kelompok baja yaitu:

1. Baja karbon konstruksi (carbon structural steel)2. Baja karbon perkakas (carbon tool steel)3. Baja paduan konstruksi (Alloyed structural steel)4. Baja paduan perkakas (Alloyed tool steel)5. Baja konstruksi paduan tinggi (Highly alloy structural steel)

Selain itu baja juga diklasifisikan menurut kualitas:

1. Baja kualitas biasa2. Baja kualitas baik3. Baja kualitas tinggi

2. Carbon Steels and Their Characteristics

Baja karbon adalah material logam yang terbentuk dari unsur utama Fe dan unsur kedua yang berpengaruh pada sifat-sifatnyakedua yang berpengaruh pada sifat sifatnya adalah karbon, sedangkan unsur yang lain berpengaruh menurut prosesntasenyaberpengaruh menurut prosesntasenya.

Fasa Yang terbentuk PADA baja KARBON• α ferrit, atau besi a, memiliki structureα BCC kristal ferrit, atau besi α, memiliki struktur kristal BCCpada suhu kamar• austenit, atau besi gamma, pada 912 ° C (1674 ° F), memiliki austenit, atau besi γ, pada 912 C (1674 F), memilikistruktur kristal FCC.• ferit δ, yang akhirnya meleleh pada 1538 ° C (2800δ ferit, yang akhirnya mencair at1538 C (2800° F), memiliki struktur kristal BCC• sementit (Fe3C), hanya berlaku untuk 6,70% berat C; sementit (Fe3C), hanya berlaku untuk 6,70% berat C;pada konsentrasi ini antarasenyawa besi karbida

Standar Struktural Baja Karbon di bagi 3 grup yaitu :1. Sifat mekanik nya terjamin, komposisi bahan kimia nya opsional (tidah harus) kecuali sulfur dan fosfor , kelas utamanya : BCT 3, BCT. 4, BCT. 5, BCT 6 (Bessemer Steels), dan CT.1,CT.2,CT.3,CT.4,CT.5,CT.6,CT.7(Open Heart Stee

2. Baja di grup kedua mempunya jaminan kompisisi kimianya, kelas utama di grup ini adalah B09,B16,B23,B33(Bessemer steels), and M09 KII,M12KII, M18 KII,M18,M21,M26,M31,M44,M56 (Open heart steels)3. Baja di grup ketika (baja kualitas tertinggi) mempunyai jaminan komposisi dan mechanical properties : M09,M12,M16,M18a,M21a,M26a,M31a,M44A, M56a

BAJA PADUAN (ALLOY STEEL)Baja Secara UmumBaja (steel) merupakan material yang sering digunakan dan dijumpai pada kehidupan kita sehari-hari. Kandungan utama dalam baja adalah ferrous atau iron. Selain ferrous, ada kandungan lain yang selalu ada pada baja. Kandungan lain yang selalu ada dalam baja adalah karbon dan manganese.

Baja dapat dibagi menjadi dua kategori yakni baja standar dan baja tool. Berdasarkan komposisi kimianya, baja standar dapat dibagi menjadi tiga kelompok. Ketiga kelompok baja standar antara lain baja karbon, baja paduan, dan baja tahan karat. Berikut akan dibahas mengenai baja paduan.

Baja Paduan (Alloy Steel)Baja paduan merupakan baja dengan campuran satu atau lebih elemen seperti carbon, manganese, silicon, nickel, chromium, molybdenum, vanadium, cobalt, dll. Fungsi utama dari elemen paduan yaitu untuk meningkatkan atau “menyempurnakan” sifat-sifat mekanis dari baja. Sebagai contoh nickel dapat memberi kekuatan pada baja dan dapat membantu baja dalam proses pengerasan melalui quenching serta tempering. Chromium dapat mencegah karat. Chromium serta molybdenum dapat membantu baja dalam meningkatkan kemampuan pengerasan. Vanadium juga dapat meningkatkan kekuatan baja.

Baja paduan rendahPada sistem SAE/AISI, baja paduan rendah diklasifikasikan sebagai berikut:

Baja manganese dengan nomor SAE/AISI 13xx.

Baja nickel dengan nomor SAE/AISI 23xx dan 25xx.

Baja nickel-chromium dengan nomor SAE/AISI 31xx, 32xx, 33xx, dan 34xx.

Baja molybdenum dengan nomor SAE/AISI 40xx dan 44xx.

Baja chromium-molybdenum dengan nomor SAE/AISI 41xx.

Baja nickel-chromium-molybdenum

dengan nomor SAE/AISI 43xx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx, 94xx, 97xx, dan 98xx.

Baja nickel-molybdenum dengan nomor SAE/AISI 46xx dan 48xx.

Baja chromium dengan nomor SAE/AISI 50xx, 51xx, 50xxx, 51xxx, dan 52xxx.

Baja chromium-vanadium dengan nomor SAE/AISI 61xx.

Baja tungsten-chromium dengan nomor SAE/AISI 71xx dan 72xx.

Baja silicon-manganese dengan nomor SAE/AISI 92xx.

Baja boron dengan nomor SAE/AISI xxBxx.

Baja timah dengan nomor SAE/AISI xxLxx.

Baja vanadium dengan nomor SAE/AISI xxVxx.

Selain baja-baja paduan di atas, ada jenis baja paduan lain yang penting dan banyak penggunaannya. Baja paduan tersebut dikenal dengan istilah baja paduan rendah berkekuatan tinggi (high-strength low-alloy steel disingkat HSLA). Baja HSLA diproduksi dalam bentuk lembaran, plat, profil, dan batangan. Kekuatan yield dari baja HSLA berkisar antara 290 sampai 690 MPa. Baja HSLA biasanya menggunakan standar SAE dan ASTM. Baja-baja HSLA dengan standar SAE antara lain J410, J1392, dan J1442. Sedangkan baja HSLA dengan standar ASTM antara lain A242, A440, A441, A572, A588, A606, A607, A618, A633, A656, A690, A709, A714, A715, A808, A812, A841, A860, dan A871.

Baja HSLA banyak digunakan pada berbagai macam bidang. Penggunaan baja HSLA antara lain pada konstruksi jembatan, struktur bangunan, landasan sumber minyak dan gas alam lepas pantai, lambung dan deck kapal, pipa gas, serta tower listrik. Dalam dunia otomotif, baja HSLA biasanya digunakan untuk membuat pintu tahan benturan, chassis, dan bumper peredam.

Jenis-jenis lain baja paduan rendahAda beberapa jenis baja paduan rendah lainnya yang dikenal dan digunakan di bidang industri serta energi. Baja paduan rendah tersebut antara lain baja fase ganda, baja trip, dan baja performa tinggi.

Baja fase ganda merupakan baja yang diproduksi dari baja karbon sedang dengan tambahan vanadium atau molybdenum yang didinginkan dengan cepat. Baja fase ganda memiliki karakter yang mampu meredam benturan. Baja tersebut saat ini diterapkan pada bidang otomotif seperti wheel rim, cakram, dan lokasi-lokasi kritis pada kendaraan sebagai pengaman bila terjadi tabrakan/benturan.

Baja trip mirip dengan baja fase ganda. Baja trip merupakan baja kekuatan tinggi yang mampu meredam benturan. Istilah trip diperoleh dari mekanisme transformation induced plasticity. Pada saat mengalami perubahan bentuk akibat forming atau benturan, austenite berubah menjadi martensite. Hal itu dapat meningkatkan formability dari material ini. Karena kemampuannya tersebut, baja trip digunakan pada komponen-komponen kendaraan.

Baja performa tinggi merupakan baja paduan rendah yang memiliki tingkat kekuatan tinggi dan keuletan yang sangat baik. Baja performa tinggi mampu bertahan pada suhu yang tinggi. Elemen paduan yang digunakan pada baja performa tinggi antara lain nickel, chromium, molybdenum, dan vanadium. Baja performa tinggi dengan paduan 2,25% Cr dan 1% Mo banyak dijumpai pada heat exchanger, pipa temperatur tinggi, serta boiler. Baja performa tinggi dengan paduan Ni-Cr-Mo digunakan sebagai rotor pada generator uap dan motor pada pembangkit listrik. Baja performa tinggi dengan paduan Ni-Cr-Mo-V digunakan pada pressure vessel reaktor nuklir. Beberapa baja performa tinggi diberi kode seperti HY80 atau HY100. Angka 80 dan 100 tersebut menandakan kekuatan yield minimum material dalam satuan ksi.

Diagram Fasa Sistem Besi – Besi KarbidaDiagram Fasa Sistem Besi – Besi Karbida

Diagram kesetimbangan besi-besi karbida dapat dijadikan sebagai dasar untuk mempelajari paduan besi baja. Diagram ini juga disebut sebagai diagram fasa atau diagram kesetimbangan antara dua fasa, yaitu larutan padat besi dan senyawa logam Fe3C yang disebut sementit. Contoh diagram fasa sistem besi-besi karbida dapat dilihat pada Gambar 1.

Pada gambar 1 ditunjukkan perubahan fasa yang terjadi selama pemanasan, pendinginan, jenis dan jumlah fasa yang ada pada setiap temperature. Paduan besi-besi karbida mempunyai beberapa fasa yaitu: ferit, austenite, besi delta, eutectoid atau perlit, dan eutektik atau ledeburit dan sementit.

Ferit

Ferit merupakan larutan padat interstisi dari atom-atom karbon pada besi murni. Kelarutan maksimum karbon dalam ferit adalah 0,025 persen pada temperature 723 celcius. Pada temperature kamar kelarutan karbon sekitar 0,008 persen karbon. Ferit mempunyai struktur sel BCC, body centered cubic. Ferit mempunyai sifat lunak dan ulet, kekuatan tariknya kurang dari 310 MPa. Dalam gambar fasa Ferit dinotasikan dengan α.

Gambar 1. Ferrite Dan Pearlite

Austenit

Austenit merupakan larutan padat interstisi atom karbon dalam besi yang mempunyai struktur sel FCC, face centered cubic. Austenit stabil di atas temperature 723 celcius. Dalam gambar fasa austenit dinotasikan dengan γ.

Besi Delta

Besi delta merupakan fasa yang mempunyai struktur sel BCC, berada diantara temperature 1400 – 1535 celcius. Atom karbon dapat larut sampai 0,1 persen. Dalam gambar besi delta dinotasikan dengan δ.

Sementit

Sementit mrupakan senyawa logam yang mempunyai kekerasan tinggi. Terkeras di antara fasa-fasa yang mungkin terjadi pada baja, tapi sangat rapuh. Sementit biasa disebut besi karbida mempunyai rumus Fe3C. Hal ini tidak berarti bahwa karbida besi membentuk molekul-molekul Fe3C. Akan tetapi kisi Kristal sementit mengandung atom besi dan karbon dalam perbandingan tiga lawan satu. Tiga atom besi dan satu atom karbon. Sementit mempunyai sel satuan ortorombik dengan 12 atom besi dan empat atom karbon per satu selnya.

Perlit

Perlit adalah campuran khusus terdiri dari dua fasa dan terbentuk sewaktu austenite dengan komposisi eutectoid bertransformasi menjadi ferit dan karbida besi secara bersamaan.  Struktur dasar perlit adalah struktur lamellar yang tersusun daari lapisan ferit dan sementit. Perlit hanya terjadi di bawah temperature 723 celcius. Perlit mempunyai sifat diantara ferit dan sementit, yaitu kuat dan cukup keras. Kandungan karbon dalam perlit untuk paduan besi karbon adalah 0,8 persen.

Gambar 2. Cementite Dan Pearlite

Perubahan-Transformasi-Dekomposisi  Fasa Selama Pendinginan

Sebagai ilustrasi akan dijelaskan pendinginan besi baja eutectoid dengan kandunagn karbon 0,8 persen karbon. Proses pendinginan untuk baja eutectoid, seperti ditunjukkan pada Gambar 3 yang dinyatakan oleh garis a. Pada temperature T1 terjadi pengintian austenite, selanjutnya antara temperature T1 – T2 butir-butir tumbuh dan pertumbuhan selasai pada T2. Antara T2 – T3 tidak terjadi perubahan fasa. Fasa yang ada adalah austenite. Setelah mencapai temperature T3, pada temperature ini austenite berangsur-angsur mulai bertransformasi menjadi perlit dan kemudian temperature terus  turun sampai temperature kamar. Struktur dassar perlit adalah lamellar yang tersusun dari lapisan-lapisan ferit dan lapisan-lapisan smentit yang kedudukannya atau posisinya berselang-seling.

CHAPTER IITRANSFORMATION IN STEEL ON HEATING

Transformasi perlit (α+Fe3C)Jika baja eutectoid dicelup dari fasa austenit dicelup dari fasa austenit ke suhu antara 723 550 °C maka akan terbentuk perlit melalui proses pengintian (nucleation) dan pertumbuhan (growth). Mekanisme transformasi (α+Fe3C) seperti terlihat pada gambar 1.8 di bawah.  perlit

Mekanisme transformasi perlit (α+Fe3C)

Pada gambar di atas terlihat bahwa mula-mula cementite (Fe3C) tumbuh dalam bentuk lapisan (lamella). Kadar C pada daerah austenit di dekat Fe3C mengalami penurunan karena terjadi perpindahan atom-atom C sehingga menjadi α-Fe sedangkan daerah dimana terjadi penumpukan C akan membentuk Fe3C. Laju trasnformasi perlit (α+Fe3C) biasanya dinyatakan dengan kurva yang berupa fraksi austenit yang telah berubah menjadi perlit, f sebagai fungsi dari waktu t seperti terlihat pada gambar 1.9. di bawah.

Kurva reaksi isothermal baja eutectoid

Kurva di atas berbentuk sigmoidal dimana pada tahap awal, transformasi berjalan lambat dan tahap ini merupakan waktu inkubasi (incubation time). Pada tahap kedua, laju transformasi meningkat karena terjadi pengintian dan pertumbuhan perlit sedangkan pada tahap akhir terjadi penurunan laju transformasi karena kecepatan pengintian turun dan perlit yang h tu u satu dengan lainnya. Laju transformasi ini dinyatakan den Per ehl sebagia berikut :1 −

dengan f adalah fraksi austenit yang telah menjadi perlit, N adalah laju pengintian, G laju pertumbuhan dan t adalah waktu transformasi. Secara umum laju transformasi dinyatakan dengan Persamaan Johnson-Mehl-Avrami (JMA) yaitu :f =1- exp( -ktn)

dengan k adalah konstanta kecepatan (rate constant) dan n adalah eksponen Avrami. Pada umumnya perlit lebih lunak dari martensit atau bainit tetapi lebih keras dari ferit. Tegangan luluh perlit sangat dipengaruhi oleh jarak antar lamellar S yaitu :σy (MPa) =139 +46,4S-1