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 Panas

Tujuan 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

Annealing

          Annealing adalah proses pemanasan baja yang diikuti dengan pendinginan lambat didalam tungku yang dimatikan. Temperatur pemanasan annealing, untuk baja hypoeutektoid adalah sekitar sedikit diatas garis A3(Gbr. 5.) dan untuk baja hypereutektoid adalah sedikit diatas garis Acm (Gbr.5.). Tujuan dari annealing untuk memperbaiki ; mampu mesin, mampu bentuk, keuletan, kehomogenan struktur, menghilangkan tegangan dalam, dan lain sebagainya.

Normalizing

          Normalizing adalah proses pemanasan baja yang diikuti dengan pendinginannya diudara terbuka. Tujuannormalizing antara lain untuk memperbaiki sifat mampu mesin, memperhalus butir dan lain sebagainya. Temperatur pemanasan normalizing, untuk baja hypoeutektoid dipanaskan pada temperatur 30 oC sampai dengan 40 C diatas garis A3 agar  diperoleh Austenit yang homogen.

          Daerah temperatur pemanasan untuk proses Annealing dan Normalizing dari diagram fasa Fe-C, dapat dilihat pada Gbr

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 danperlit.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 diudaraDari Gbr.terlihat fasa ferit dan perlit.  Fasa ferit adalah fasa yang terlihat berwarna terang,  fasa ini mempunyai mempunyai sifat lunak. Sedangkanfasa 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 dannormalizing 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)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 :

• Temperatur pemanasan, yaitu temperatur austenisasi yang dikehendaki agar dicapai transformasi yang seragam pada material.
• Waktu pemanasan, yaitu lamanya waktu yang diperlukan untuk mencapai temperatur pemanasan tertentu (temperatur austenisasi).
• 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.QuenchingUntuk 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 :

• Mengambil panas dengan cepat didaerah temperatur yang tinggi.
• 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 0.30	0.9 to 1.0	2
Mild Circulation …………………………….	…	0.30 to 0.35	1.0 to 1.1	2 to 2.2
Moderate Circulation  ………………………	…	0.35 to 0.40	1.2 to 1.3	…
Good Circulation ……………………………	…	0.4 to 0.5	1.4 to 1.5	…
Strong Circulation …………………………..	0.05	0.5 to 0.8	1.6 to 2.0	…
Violent Circulation ………………………….	…	0.8 to 1.1	4	5