HEAT AND SURFACE TREATMENT (HST)Wahyono Suprapto

DEFINISI PERLAKUAN PANAS DAN PERMUKAAN

Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan logam untuk mengubah sifat-sifat mekaniknya. Baja dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan memotong meningkat atau dapat dilunakan untuk memudahkan proses permesinan lanjut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, ukuran butir dapat diperbesar atau diperkecil. Selain itu ketangguhan ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet. Untuk memungkinkan perlakuan panas tepat,komposisi kimia baja harus diketahui karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat fisis.

Urgency HST

1. Menyediakan material untuk dikerjakan lebih lanjut (bersifat lunak/soft dan ulet /ductile).

2. Memperbaiki kualitas produk/komponen sehingga komponen tersebut memiliki life service yang panjang (kompromi keras dan ductile, tahan aus, tahan korosi, dan tegangan dalam atau sisa kecil).

Jenis HST1. Menyatu (integration) antara bagian permukaan (keras) dan

bagian dalam material/logam (lunak), contoh; heat treatment, thermo-chemical treatment, thermo-mechanical treatment.

2. Terpisah (disintegration) antara bagian keras dan bagian lunak, contoh; electro-plating, metal coating (spraying, deeping process)

Baja dalam bentuk dasarnya adalah sebuah kombinasi dari besi dan karbon. Elemen-elemen ini dikombinasi dalam ratio tertentu yang mana mempengaruhi kekuatan, keuletan, dan kekerasan dari material hasil campuran. Elemen lain mungkin ditambahkan ke bentuk paduan. Dengan meleburkan material kemudian menuangkan kedalam cetakan.

Proses cetakan telah diperkenalkan untuk membuat bagian-bagian yang kompleks yang mana mempertahankan kekuatan dari benda tempaan dengan biaya dan sifat yang baik. Untuk mendeskripsikan karakter utama dari baja cetakan: kekuatan, keuletan dan kemampuan kerja yang dijabarkan dengan struktur yang sangat kompleks dimana sangat memiliki sifat tergantung dari material dan bagaimana mengolahnya.

Dasar-dasar HST adalah ;

1. Material teknik : mikro-struktur (struktur kristal dan fasa,

diagram kesetimbangan dan transformasi fasa).

2. Fisika dan kimia : sifat fisik (berat jenis, pemuaian dan

penyusutan) dan (unsur material, diffusi, korosi).

3. Pengujian material : Uji metalografi (bentuk dan ukuran butir,

jenis fasa), Uji mekanik (kekerasan, tarik, fatigue, keausan)

Baja variasi carbon 0.06% - 1.5% yang dikelompokan menjadi

(Khurmi);

1. Dead mild steel, sampai 0.15%C

2. Low carbon steel atau mild steel, 0.15 – 0.45%C

3. Medium carbon steel, 0.45% – 0.8%C

4. High carbon steel, 0.8% – 1.5%C

D

Diagram Fe-Fe3C

Diagram Fe-Fe3C adalah diagram yang menampilkan

hubungan antara temperatur dan kandungan karbon

(%C) selama pemanasan. Dari diagram diatas dapat

diperoleh informasi penting seperti:

1. Fasa yang terjadi pada komposisi dan temperatur

yang berbeda.

2. Temperatur cair dari masing-masing paduan.

3. Batas-batas kelarutan dari fasa tertentu.

Besi merupakan logam yang bersifat Allotropi dimana ada 3 yaitu:

1. Delta iron : mampu melarutkan karbon max 0,1% pada 1500oC

2. Gamma iron : mempu melarutkan karbon max 2% pada 11300C

3. Alpha iron : mampu melarutkan karbon max 0.025% pada 723oC

Dalam kondisi cair karbon dapat larut dalam besi. Dalam kondisi padat, besi dan karbon dapat membentuk:Larutan Padat ( Solid Solution )Senyawa Interstisial ( Interstisial compound )Eutectic mixture : austenite + cementiteEutectoid mixture : ferrite + cementiteGrafit: karbon bebas

Struktur-struktur yang ada pada diagram fase Fe3C :

1. Cementite2. Austenite3. Ledeburite4. Ferrite5. Perlite

1. Cementite

Merupakan senyawa interstisial disebut juga karbida besi (Fe3C). Strukturnya keras dan getas dengan kekuatan tarik yang rendah dan kekuatan tekan yang tinggi. Memiliki struktur kristal orthorhombic dan merupakan struktur yang paling keras dalam diagram Fe3C.

2. Austenite

Austenite merupakan larutan padat karbon dalam besi dimana disebut interstisial solid solution. Struktur kristalnya FCC (Face Center Cubic). Kelarutan karbon maksimal 2% pada temperatur 1130oC dengan Tensile Strength 1050 kg/cm2. Memiliki sifat ketangguhan yang tinggi dan tidak stabil pada suhu kamar.

3. Ledeburite

Merupakan eutectic mixture yang mana merupakan campuran dari austenite dengan cementite. Mengandung karbon 4,3% dan terbentuk pada suhu 1130oC.

4. Ferrite

Ferrite merupakan Interstisial Solid Solution atau larutan padat kerbon dalam besi. Pada temperatur 723oC, batas kelarutan karbon 0,025% sedangkan pada suhu kamar, batas kelarutan karbon adalah 0,008% dan pada temperatur 1492oC, batas kelarutannya 0,1%. Memiliki tensile strength yang rendah namun keuletan tinggi. Kekerasan kurang dari 90 HRB. Ferrite merupakan struktur paling lunak pada diagram Fe-Fe3C.

5. Pearlite

Pearite merupakan eutectoid mixture yang mana adalah campuran dari ferrite dan cementite. Struktur ini terjadi pada suhu 723oC karena pendinginan yang lambat. Pearlite mengandung 0,8% karbon.

Garis-garis penting dalam diagram Fe-Fe3C1. Upper Critical Temperature (Temperatur

kritis atas), A3 : Temperatur perubahan allotropi

2. Lower Critical Temperature (Temperatur kritis atas), A1 : Temperatur reaksi eutectoid

3. Solvus Line,Acm: Menunjukkan batas kelarutan karbon dalam austenite

Besi yang relatif lunak, lemah dan ulet (dead mild steel) dan tidak memiliki kemampuan untuk dikeraskan dengan perlakuan panas. Kekuatan tegangan pada suhu ruangan sekitar 40,000 lb/in2 dengan tegangan yield sekitar 20,000 lb/in2 dan BHN sekitar 80 serta modulus elastisitas sekitar 29,000,000 lb/in2 . Kekuatan dan kekerasan dapat ditingkatkan dengan menurunkan keuletan melalui pengerjaan dingin.

Beberapa properti mekanik dari pearlite yang dibentuk dengan pendinginan lambat dari baja eutectoid ( dengan karbon 0,8%):Kekuatan tegangan115,000 lb/in2. Tegangan yield 60,000 lb/in2. BHN 200.

Menentukan jenis baja dengan BHN 200.1. HSAE 1020 = 120BHN2. HSAE 1020 ≈ ST403. ST40 = 120BHN4. Jadi untuk BHN 200

200 BHN = 200/3 = 66kg/mm2 = ± ST70

Komposisi kimia (% massa) dan sifat mekanik dari baja

Strengthening Mechanisms• Refining the ferrite grain size (Grain size effect)• Solid solution strengthening• Precipitation strengthening• Dislocation strengthening/Work hardening• Transformation strengthening

Bake Hardening Steels (Kekuatan yield and tegangan baja yang tinggi)

Komposisi dan pemrosesan dari beberapa baja yang didesain untuk meningkatkan kekuatan yield dengan perlakuan panas dalam temperatur rendah. Arcelor Mittal, Baja Bake Hardening dapat mencapai kekuatan yang lebih tinggi dengan diselesaikan ketika menahan bentuknya pada performa yang baik.

Keuntungan dari "bake hardening" (BH) akan mengakibatkan peningkatan kekuatan yield menjadi lebih besar dari 40 MPa. Dampak dai Bake Hardening menyuguhkan 2 keuntungan dibandingkan dengan metode konvensional untuk memperbaiki kualitas baja:1. Memperbaiki daya tahan pada kasus low forming strains (kap, atap, pintu dan

sayap)2. Menurunkan ketebalan dengan meningkatkan yield strength hasil dari proses

perlakuan panas. Baja Bake Hardening membuat respon yang tepat untuk kebutuhan pengerjaan

body otomotif. Dengan mengkombinasikan kekuatan ketahanannya akan membuat berat kendaraan menurun dan lebih estetis.

Iron and Steel Making Process

Semi Finished Products

Tahap pembentukan dengan annealing, sebuah proses dimana baja dipanaskan sampai 850°C sehingga menjai austenite seluruhnya. Dari sini, baja didinginkan secara terkontrol yang mana menentukan fase akhir.

Sebagai contoh, jika baja didinginkan dengan sangat lambat, austenit akan bertransformasi menjadi ferrite tanpa bertransformasi ke fasa lainnya. Sebaliknya, pendinginan yang cepat akan membuat austenite bertransformasi menjadi 100% martensitic steel (MART).

Apa yang dimaksud Advanced High Strength Steel (AHSS ) ?

Saat tipe baja secara relatif diperbarui, beberapa pabrikan mobil telah mulai menggunakan AHSS sampai 40% pada kendaraan baru. Tantangan utama dalam menghadapi perbaikan di bidang industri adalah mengidentifikasi kebenaran perbaikan kebijaksanaan dan prosedur untuk komponen AHSS.

• Dapatkah diluruskan?• Dapatkah menerima panas dan dibentuk kembali?• Dapatkah dilakukan pemotongan?• Apakah itu peralatan khusus pengelasan atau dibutuhkan prosedur yang tepat

untuk perbaikan.?