MENGENAL
PERLAKUAN PANAS (HEAT TREATMENT) PADA BAJA
Oleh Okasatria Novyanto
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 kamar
0,025%C = Batas kelarutan maksimum Carbon pada Ferrite pada temperature 723
Derajat Celcius
0,83%C = Titik Eutectoid
2%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Gamma pada temperature
1130 Derajat Celcius
4,3%C = Titik Eutectic
0,1%C = Batas kelarutan Carbon pada besi Delta pada temperature
1493 Derajat Celcius
Garis-garis
Garis 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.
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.
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.