Proses Perlakuan Panas Pada Baja

Proses perlakuan panas adalah suatu proses mengubah sifat logam dengan cara mengubah struktur mikro melalui proses pemanasan dan pengaturan kecepatan pendinginan dengan atau tanpa merubah komposisi kimia logam yang bersangkutan. Tujuan proses perlakuan panas untuk menghasilkan sifat-sifat logam yang diinginkan. Perubahan sifat logam akibat proses perlakuan panas dapat mencakup keseluruhan bagian dari logam atau sebagian dari logam.

Adanya sifat alotropik dari besi menyebabkan timbulnya variasi struktur mikro dari berbagai jenis logam. Alotropik itu sendiri adalah merupakan transformasi dari satu bentuk susunan atom (sel satuan) ke bentuk susunan atom yang lain. Pada temperatur dibawah 910 0C sel satuannya Body Center Cubic (BCC), temperatur antara 910 dan 1392 oC sel satuannya Face Center Cubic (FCC) sedangkan temperatur diatas 1392 sel satuannya kembali menjadi BCC. Bentuk sel satuan ditunjukan pada Gbr dibawah ini:

Bentuk sel satuan BCC

Bentuk sel satuan FCC .Perubahan bentuk susunan atom (sel satuan) akibat pemanasan ditunjukan pada Gbr. Dibawah ini

Gbr. Perubahan bentuk sel satuan akibat pemanasan pada logam.

Proses perlakuan panas ada dua kategori, yaitu :1. Softening (Pelunakan) : Adalah usaha untuk menurunkan sifat mekanik agar menjadi lunak

dengan cara mendinginkan material yang sudah dipanaskan didalam tungku (annealing) atau mendinginkan dalam udara terbuka (normalizing).

2. Hardening (Pengerasan) : Adalah usaha untuk meningkatkan sifat material terutama kekerasan dengan cara selup cepat (quenching) material yang sudah dipanaskan ke dalam suatu media quenching berupa air, air garam, maupun oli.

Austenisasi Pada Perlakuan PanasTujuan proses austenisasi adalah untuk mendapatkan struktur austenit yang homogen.

Kesetimbangan kadar karbon austenit akan bertambah dengan naiknya suhu austenisasi, ini mempengaruhi karakteristik isothermal. Bila kandungan karbon meningkat maka temperatur Ms menjadi rendah, selain itu kandungan karbon akan meningkat pula jumlah grafit akan membentuk senyawa karbida yang semakin banyak. Proses perlakuan panas selalu diawali dengan transformasi dekomposisi austenit menjadi struktur mikro yang lain. Struktur mikro yang dihasilkan lewat transformasi tergantung pada parameter proses perlakuan panas yang diterapkan dan jenis proses proses perlakuan panas. Struktur mikro yang berubah melalui transformasi dekomposisi austenit menjadi struktur mikro yang lain, dimaksudkan untuk memperoleh sifat mekanik dan fisik yang diperlukan untuk suatu aplikasi proses pengerjaan logam. Proses selanjutnya setelah fasa tunggal austenit terbentuk adalah pendinginan, dimana mekanismenya dipengaruhi oleh temperatur, waktu, serta media yang digunakan. Pada pendinginan secara perlahan-lahan perubahan fasa berdasarkan mekanisme difusi, dimana kehalusan dan kekasaran struktur yang dihasilkan tergantung pada kecepatan difusi.

Bila pendinginan dilakukan secara cepat, maka perubahan fasanya berdasarkan mekanisme geser menghasilkan struktur mikro dengan sifat mekanik yang keras dan getas. Perubahan struktur mikro selama proses pendinginan dapat merupakan paduan dari mekanisme difusi dan mekanisme geser.

Variasi dari pembentukan struktur mikro yang merupakan fungsi dari kecepatan pendinginan pada baja dari temperatur eutektoid, dapat dilihat pada Gbr. dibawah.

Gbr. Pengaruh Kecepatan pendinginan pada baja terhadap struktur mikro

Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia suatu paduan, tetapi juga tergantung pada strukturmikronya. Suatu paduan dengan komposisi kimia yang sama dapat memiliki strukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya akan berbeda. Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang dialami, terutama proses laku-panas yang diterima selama proses pengerjaan.Proses laku-panas adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap logam atau paduan dalam keadaan padat, sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu. Proses laku-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan pemanasan sampai ke temperatur tertentu, lalu diikuti dengan penahanan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu.Secara umum perlakukan panas (Heat treatment) diklasifikasikan dalam 2 jenis :

1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan)

Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Near Equilibrium ini diantaranya adalah untuk : melunakkan struktur kristal, menghaluskan butir, menghilangkan tegangan dalam dan memperbaiki machineability. Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium, misalnya : Full Annealing (annealing), Stress relief Annealing, Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing.

2. Non Equilirium (Tidak setimbang)

Tujuan umum dari perlakuan panas jenis Non Equilibrium ini adalah untuk mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi. Jenis dari perlakukan panas Non Equibrium, misalnya : Hardening, Martempering, Austempering, Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction hardening)

Sebelum kita membahas lebih jauh lagi tentang perlakuan panas, tidak ada salahnya jika kita sedikit mereview kembali (mengulang kembali) pengetahuan kita tentang Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid (Fe-Fe3C)

Penekanan kita terletak pada Struktur mikro, garis-garis dan Kandungan Carbon.Kandungan Carbon

0,008%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada temperature kamar0,025%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada temperature 723 Derajat Celcius 0,83%C = Titik Eutectoid2%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Gamma pada temperature 1130 Derajat Celcius4,3%C = Titik Eutectic0,1%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Delta pada temperature 1493 Derajat Celcius

Garis-garisGaris Liquidus ialah garis yang menunjukan awal dari proses pendinginan (pembekuan).Garis Solidus ialah garis yang menunjukan akhir dari proses pembekuan (pendinginan).Garis Solvus ialah garis yang menunjukan batas antara fasa padat denga fasa padat atau solid solution dengan solid solution.Garis Acm = garis kelarutan Carbon pada besi Gamma (Austenite)Garis A3 = garis temperature dimana terjadi perubahan Ferrit menjadi Autenite (Gamma) pada pemanasan.Garis A1 = garis temperature dimana terjadi perubahan Austenite (Gamma) menjadi Ferrit pada pendinginan.Garis A0 = Garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic pada Cementid.Garis A2 = Garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic pada Ferrite.Struktur mikro

Ferrite ialah suatu komposisi logam yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 0,025%C pada temperature 723 Derajat Celcius, struktur kristalnya BCC (Body Center Cubic) dan pada temperature kamar mempunyai batas kelarutan Carbon 0,008%C.

Austenite ialah suatu larutan padat yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 2%C pada temperature 1130 Derajat Celcius, struktur kristalnya FCC (Face Center Cubic).

Cementid ialah suatu senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C dengan perbandingan tertentu (mempunyai rumus empiris) dan struktur kristalnya Orthohombic.

Lediburite ialah campuran Eutectic antara besi Gamma dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 1130 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 4,3%C.

Pearlite ialah campuran Eutectoid antara Ferrite dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 723 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 0,83%C.

Dari sedikit penjelasan diatas dapat kita tarik benang merah bahwa secara umum laku panas dengan kondisi Near Equilibrium itu dapat disebut dengan anneling.

Anneling ialah suatu proses laku panas (heat treatment) yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam proses pembuatan suatu produk. Tahapan dari proses Anneling ini dimulai dengan memanaskan logam (paduan) sampai temperature tertentu, menahan pada temperature tertentu tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi dengan laju pendinginan yang cukup lambat. Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate), dll. Sehingga kita akan mengenal dengan apa yang disebut : Full Annealing (annealing), Stress relief Annealing, Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing.

1. Full annealing (annealing)

Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki machinibility.

Pada proses full annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A1). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat (biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat penyekat panas yang baik).

Perlu diketahui bahwa selama pemanasan dibawah temperature kritis garis A1 maka belum terjadi perubahan struktur mikro. Perubahan baru mulai terjadi bila temperature pemanasan mencapai garis atau temperature A1 (butir-butir Kristal pearlite bertransformasi menjadi austenite yang halus). Pada baja hypoeutectoid bila pemanasan dilanjutkan ke temperature yang lebih tinggi maka butir kristalnya mulai bertransformasi menjadi sejumlah Kristal austenite yang halus, sedang butir Kristal austenite yang sudah ada (yang berasal dari pearlite) hampir tidak tumbuh. Perubahan ini selesai setelah menyentuh garis A3 (temperature kritis A3). Pada temperature ini butir kristal austenite masih halus sekali dan tidak homogen. Dengan menaikan temperature sedikit diatas temperature kritis A3 (garis A3) dan memberI waktu penahanan (holding time) seperlunya maka akan diperoleh austenite yang lebih homogen dengan butiran kristal yang juga masih halus sehingga bila nantinya didinginkan dengan lambat akan menghasilkan butir-butir Kristal ferrite dan pearlite yang halus.Baja yang dalam proses pengerjaannya mengalami pemanasan sampai temperature yang terlalu tinggi ataupun waktu tahan (holding time) terlalu lama biasanya butiran kristal austenitenya akan terlalu kasar dan bila didinginkan dengan lambat akan menghasilkan ferrit atau pearlite yang kasar sehingga sifat mekaniknya juga kurang baik (akan lebih getas). Untuk baja hypereutectoid, annealing merupakan persiapan untuk proses selanjutnya dan tidak merupakan proses akhir. Tujuan dari annealing untuk memperbaiki ; mampu mesin, mampu bentuk, keuletan, kehomogenan struktur, menghilangkan tegangan dalam, dan lain sebagainya.

2. Normalizing

Merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih keras dan kuat dari hasil anneal.

Secara teknis prosesnya hampir sama dengan annealing, yakni biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 50 Derajat Celcius diatas garis Acm). Kemudian

dilanjutkan dengan pendinginan pada udara. Pendinginan ini lebih cepat daripada pendinginan pada annealing. Tujuan normalizing antara lain untuk memperbaiki sifat mampu mesin, memperhalus butir dan lain sebagainya.

Temperatur pemanasan untuk Annealing, Normalizing, Hot Working dan Homogenizing pada diagram Fe-Fe3C.

Setelah waktu penahanan pada temperatur austenisasi selesai, kemudian baja didinginkan di udara sampai mencapai temperatur kamar (27 oC). Struktur Metalurgi baja HypoEutektoid yang dihasilkan terdiri dari ferit dan perlit.

Sifat mekanik baja yang dihasilkan setelah proses annealing dan normalizing, tergantung pada laju pendinginan diudara. Laju pendinginan yang agak cepat akan menghasilkan kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi. Siklus dari temperatur pemanasan dan kecepatan pendinginan dari proses annealing dan normalizing, dapat dilihat pada Gbr:

Gbr .Skematik siklus temperatur – waktu dari annealing dan normalizing

Struktur yang dihasilkan dari proses pemanasan dan pendinginan yang lambat adalah fasa ferit dan fasa perlit.

Gbr.Struktur mikro baja karbon medium (AISI 1045) yang dinormalisasi hasil austenisasi pada temperatur 1095oC pendinginan diudara

Dari Gbr.terlihat fasa ferit dan perlit. Fasa ferit adalah fasa yang terlihat berwarna terang, fasa ini mempunyai mempunyai sifat lunak. Sedangkan

fasa perlit yang terlihat berwarna gelap adalah lapisan ferit dan sementit, fasa ini mempunyai sifat mampu mesin yang baik.

Temperatur pemanasan austenisasi yang semakin tinggi (super heating) diatas garis A3

akan menghasilkan pertumbuhan butir austenit yang semakin besar, sehingga pada saat pendinginan yang lambat akan menghasilkan butir ferit dan perlit yang semakin kasar. Pada Gbr.dapat dilihat skema pengaruh temperatur austenisasi pada struktur mikro baja hasil proses annealing dan normalizing.

Gbr.Skema pengaruh temperatur austenisasi yang menunjukan perubahan struktur baja dalam proses annealing dan normalizing.

Temperatur pemanasan yang sangat tinggi (overheating) pada proses annealing dan normalizing ini sedikit berpengaruh pada kekuatan luluh, kekuatan tarik dan kekerasan suatu baja. Persentase perpanjangan, reduksi dan kekuatan impak akan meningkat dengan semakin meningkatnya besar butir. (Ref.4)

3. Spheroidizing

Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan struktur carbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks ferrite. Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki machinibility pada baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja hypereutectoid yang dianneal itu mempunyai struktur yang terdiri dari pearlite yang “terbungkus” oleh jaringan cemented. Adanya jaringan cemented (cemented network) ini meyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibility rendah. Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus dihancurkan dengan proses spheroidizing.

Spheroidizing ini dilaksanakan dengan melakukan pemanasan sampai disekitar temperature kritis A1 bawah atau sedikit dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam waktu yang lama (sekitar 24 jam) baru kemudian didinginkan. Karena berada pada temperature yang tinggi dalam waktu yang lama maka cemented yang tadinya berbentuk plat atau lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere) yang disebut dengan spheroidite yang tersebar dalam matriks ferrite.

4. Process Annealing

Merupakan proses perlakuan panas yang ditujukan untuk melunakkan dan menaikkan kembali keuletan benda kerja agar dapat dideformasi lebih lanjut. Pada dasarnya proses Annealing dan Stress relief Annealing itu mempunyai kesamaan yakni bahwa kedua proses tersebut dilakukan masih dibawah garis A1 (temperature kritis A1) sehingga pada dasarnya yang terjadi hanyalah rekristalisasi saja.

5. Stress relief Annealing

Merupakan process perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa akibat proses sebelumnya. Perlu diingat bahwa baja dengan kandungan karbon dibawah 0,3% C itu tidak bisa dikeraskan dengan membuat struktur mikronya berupa martensite. Nah, bagaimana caranya agar kekerasannya meningkat tetapi struktur mikronya tidak martensite? Ya, dapat dilakukan dengan pengerjaan dingin (cold working) tetapi perlu diingat bahwa efek dari cold working ini akan timbu yang namanya tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress relief Annealing.

Proses Hardening Proses ini berguna untuk memperbaiki kekerasan dari baja tanpa dengan mengubah

komposisi kimia secara keseluruhan. Proses ini mencakup proses pemanasan sampai pada austenisasi dan diikuti oleh pendinginan dengan kecepatan tertentu untuk mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan. Temperatur yang dipilih tergantung pada jenis baja yang diproses, dimana temperatur pemanasan 50 ˚C – 100 ˚C di atas garis A3 untuk baja hypoeutektoid. Sedangkan proses pendinginannya bermacam-macam tergantung pada kecepatan pendinginan dan media quenching yang dikehendaki. Untuk pendinginan yang cepat akan didapatkan sifat logam yang keras dan getas sedangkan untuk pendinginan yang lambat akan didapatkan sifat yang lunak dan ulet.

Pada baja hypoeutektoid temperatur diatas garis Ac3, struktur baja akan seluruhnya berkomposisikan butir austenit, dan pada saat pendinginan cepat akan menghasilkan martensit. Quenching baja hypoeutektoid dari temperatur diatas temperatur optimum akan menyebabkan terjadinya overheating. Overheating dalam hardening akan menghasilkan butir martensit kasar yang mempunyai kerapuhan yang tinggi (Ref.4)

Proses ini sangat dipengaruhi oleh parameter tertentu seperti :

a. Temperatur pemanasan, yaitu temperatur austenisasi yang dikehendaki agar dicapai transformasi yang seragam pada material.

b. Waktu pemanasan, yaitu lamanya waktu yang diperlukan untuk mencapai temperatur pemanasan tertentu (temperatur austenisasi).

c. Waktu penahanan, yaitu lamanya waktu yang diperlukan agar didapatkan distribusi temperatur yang seragam pada benda kerja.

Waktu pemanasan ini merupakan fungsi dari dimensi dan daya hantar panas benda kerja. Lamanya waktu penahanan akan menimbulkan pertumbuhan butir yang dapat menurunkan kekuatan material.

Pada Gbr. berikut dapat dilihat pengaruh parameter tersebut di atas, dengan kekerasan yang dihasilkan.

Grafik pengaruh parameter pengerasan.

Berdasarkan faktor-faktor tadi maka selanjutnya pembentukan austenit dan pengontrolan butiran austenit merupakan aspek penting dalam proses hardening, karena transformasi austenit dan sifat mekanis dari struktur mikro yang terbentuk ditentukan oleh ukuran butir austenit. Quenching

Untuk memperoleh kekerasan yang diinginkan, maka dilakukan proses quenching. Media quech yang biasa dipergunakan diantaranya :

Larutan Garam Air Oli

Pemilihan media quech untuk mengeraskan baja tergantung pada laju pendinginan yang diinginkan agar dicapai kekerasan tertentu. Untuk lebih memahami laju pendinginan dari setiap media queching, perlu memeriksa kurva pendinginan seperti terlihat pada Gbr.17. Kurva ini menyatakan perubahan temperatur benda kerja pada saat didinginkan atau di quench dari temperatur pengerasannya. Pada pendinginan tersebut terjadi dalam 3 tahap berbeda yang ditandai A, B, C, dimana masing-masing tahap memiliki karakteristik pendinginan yang berbeda-beda.

Gbr.17. Tahapan dari pendinginan selama quenching (Ref.5)

Jika suatu benda kerja diquench ke dalam medium queching, lapisan cairan disekeliling benda kerja akan segera terpanasi sehingga mencapai titik didihnya dan berubah menjadi uap. Pada tahap ini (tahap A) benda kerja akan segera dikelilingi oleh lapisan uap yang terbentuk dari cairan pendingin yang menyentuh permukaan benda kerja. Uap yang terbentuk menghalangi cairan pendingin menyentuh permukaan benda kerja. Sebelum terbentuk lapisan uap, permukaan benda kerja mengalami pendinginan yang sangat intensif. Dengan adanya lapisan uap, akan menurunkan laju pendinginan, karena lapisan terbentuk dan akan berfungsi sebagai isolator.(Ref.5)

Pendinginan dalam hal ini terjadi efek radiasi melalui lapisan uap ini lama-kelamaan akan hilang oleh cairan pendingin yang mengelilinginya. Kecepatan menghilangkan lapisan uap makin besar jika viskositas cairan makin rendah.

Jika benda kerja didinginkan lebih lanjut, panas yang dikeluarkan oleh benda kerja tidak cukup untuk tetap menghasilkan lapisan uap, dengan demikian tahap B dimulai. Pada tahap ini cairan pendingin dapat menyentuh permukaan benda kerja sehingga terbentuk gelembung-gelembung udara dan menyingkirkan lapisan uap sehingga laju pendinginan menjadi bertambah besar.

Tahap C dimulai jika pendidihan cairan pendingin sudah berlalu sehingga cairan pendingin tersebut pada tahap ini sudah mulai bersentuhan dengan seluruh permukaan benda kerja. Pada tahap ini pula pendinginan berlangsung secara konveksi karena itu laju pendinginan menjadi rendah pada saat temperatur benda kerja turun. Untuk mencapai struktur martensit yang keras dari baja karbon dan baja paduan, harus diciptakan kondisi sedemikian sehingga kecepatan pendinginan yang terjadi

melampaui kecepatan pendinginan kritik dari benda kerja yang diquench, sehingga transformasi ke perlit atau bainit dapat dicegah.

Fluida yang ideal untuk media quench agar diperoleh struktur martensit, harus bersifat :

o Mengambil panas dengan cepat didaerah temperatur yang tinggi.

o Mendinginkan benda kerja relatif lambat di daerah temperatur yang rendah, misalnya di bawah

temperatur 350˚C agar distorsi atau retak dapat dicegah.Pada tabel.berikut dapat dilihat beberapa sifat dan keunggulan dari setiap media quenching

yang biasa digunakan.

Tabel. Nilai kekerasan (severity) dari media quenching

Air Oil Water Brine

No Circulation of Fluid or Agitation of Piece 0.02 0.25 to 0.300.9 to

1.02

Mild Circulation ……………………………. … 0.30 to 0.351.0 to

1.12 to 2.2

Moderate Circulation ……………………… … 0.35 to 0.401.2 to

1.3…

Good Circulation …………………………… … 0.4 to 0.51.4 to

1.5…

Strong Circulation ………………………….. 0.05 0.5 to 0.81.6 to

2.0…

Violent Circulation …………………………. … 0.8 to 1.1 4 5