bab ii tinjauan pustaka - · pdf file2.1.3.6 tempering tempering adalah perlakuan panas yang...

BAB II Tinjauan Pustaka 8

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. PERLAKUAN PANAS

2.1.1 Pengertian

Perlakuan panas dilakukan untuk merubah karakteristik tertentu dari logam dan

paduan sehingga lebih sesuai dengan penggunaannya di lapangan. Secara umum

perlakuan panas merupakan suatu siklus yang terdiri dari pemanasan dan

pendinginan yang terkontrol pada suatu logam atau paduan logam dalam keadaan

padatan dengan tujuan untuk memodifikasi struktur mikro sehingga diperoleh

perubahan sifat-sifatnya (khususnya sifat mekanis) (7, 17), seperti kekerasan, kekuatan,

keuletan, ketangguhan, ketahanan aus, dan lain-lain. Definisi perlakuan panas dari

International Federation for the Heat Treatment of Materials (IFHT) (7) adalah

sebuah proses pada keseluruhan objek atau sebagian objek material dengan cara

memberinya siklus termal dan jika diperlukan dilakukan pula aksi fisika atau kimia

dengan tujuan untuk mendapatkan struktur dan sifat yang diinginkan. Pengertian

siklus termal itu sendiri adalah perubahan temperatur terhadap waktu selama proses

perlakuan panas.

Proses perlakuan panas sangat penting untuk dilakukan mengingat fakta hampir

semua komponen teknik yang terbuat dari logam memerlukan paling tidak satu

tahap/siklus perlakuan panas agar diperoleh sifat mekanis yang diperlukan. Proses ini

biasanya diterapkan mendekati atau pada tahap akhir dari proses produksi logam.

Misalnya adalah barang hasil forging, casting, pressing, dan fabrikasi (forming serta

joining) perlu dilaku panas sebelum dilakukan proses permesinan.

2.1.2 Tujuan Perlakuan Panas (7)

Tujuan utama dari perlakuan panas adalah :


1. Memperlunak

Memperlunak yaitu memperbaiki sifat plastisitas dengan cara mengatur ukuran,

bentuk, dan distribusi unsur-unsur pokok yang terkandung di dalam logam.

2. Menghilangkan tegangan sisa

Menghilangkan tegangan sisa yaitu memungkinkan berlangsungnya relaksasi

tegangan-tegangan sisa yang dihasilkan pada pengerjaan dingin (tarikan maupun

tekanan) dengan cara meningkatkan temperatur sehingga diperoleh penurunan

kekuatan luluh dan peningkatan recovery.

3. Melakukan homogenisasi

Homogenisasi bertujuan untuk mendapatkan komposisi kimia yang homogen di

dalam batas butiran melalui difusi unsur-unsur yang ada dalam paduan logam

pada temperatur tinggi, seperti austenitisasi, solution, dsb.

4. Meningkatkan ketangguhan

Meningkatkan ketangguhan yaitu meningkatkan kemampuan paduan untuk

menyerap energi dari beban dalam selang plastisnya tanpa terjadinya patahan.

5. Memperkeras

Memperkeras dilakukan dengan cara meningkatkan gangguan terhadap slip atau

meningkatkan penahanan terhadap pergerakan dislokasi melalui perubahan

ukuran, bentuk, dan distribusi mikrokonstituen baik melalui pengecilan ukuran

butiran, quench, maupun dengan age hardening.

6. Menambahkan unsur kimia melalui permukaaan

Tujuan penambahan unsur kimia melalui permukaan adalah memperbaiki

ketahanan aus dan ketahanan lelah (fatigue) khususnya pada permukaan melalui

permbentukan tegangan sisa tekan di permukaan logam yang dihasilkan dari

absorbsi atom-atom terlarut interstisi (C, N, dll) di bawah suatu siklus termal


tertentu (carburizing, nitriding, dll).

2.1.3 Tipe-Tipe Perlakuan Panas

Terdapat berbagai macam perlakuan panas yang biasa diterapkan pada baja. Masing-

masing jenis perlakuan panas tersebut memiliki tujuan dan prosedur yang berbeda

satu sama lainnya. Pemilihan perlakuan panas sangat tergantung pada tujuan

penggunaan baja tersebut di lapangan, struktur mikro serta sifat-sifat baja yang ingin

dihasilkan. Berikut beberapa tipe perlakuan panas yang biasa diterapkan pada baja.

2.1.3.1 Annealing (1)

Annealing merupakan sebuah perlakuan panas pada material dengan cara

memanaskannya pada temperatur di daerah kestabilan fasa austenit (diatas garis Ac3

dan Acm) selama beberapa waktu lalu kemudian didinginkan secara perlahan ke

temperatur kamar. Struktur mikro yang terbentuk setelah proses annealing terdiri

dari ferit dan perlit. Annealing biasa diterapkan pada material yang mengalami

pengerjaan dingin (cold work). Adapun tujuan dari annealing antara lain adalah

untuk menghilangkan tegangan sisa, melunakkan baja, dan meningkatkan keuletan

serta ketangguhan baja.

2.1.3.2 Stress relieving

Perlakuan panas stress relief bertujuan untuk menghilangkan tegangan sisa yang

terbentuk pada saat proses permesinan, pengerjaan dingin, pengelasan, dll. Adanya

tegangan sisa pada logam dapat mengakibatkan terjadinya distorsi pada logam atau

baja. Oleh karena itu, tegangan sisa ini harus dihilangkan atau dikurangi. Caranya

adalah dengan memanaskan baja hingga temperatur dibawah temperatur

transformasi (Ac1), ditahan selama beberapa waktu, kemudian setelah itu baja

didinginkan menuju temperatur kamar.

2.1.3.3 Normalizing

Normalizing merupakan proses perlakuan panas yang dilakukan untuk menghasilkan

ukuran butiran yang halus dan seragam. Selain itu, pada umumnya baja dinormalisasi

untuk menghasilkan struktur mikro ferit dan perlit yang seragam. Perlakuan panas

normalizing terdiri atas proses austenitisasi pada 100-150 oF di atas temperatur kritis

(garis Ac3 untuk baja hypoeutectoid, Acm untuk baja hypereutectoid) yang diikuti

dengan pendinginan udara (air cooling). Lama pemanasan pada temperatur

austenitisasi adalah sekitar satu jam untuk setiap ketebalan satu inci.

2.1.3.4 Spheroidizing (3)

Untuk menghasilkan baja selunak mungkin, maka baja biasanya dipanaskan hingga

di atas atau di bawah temperatur eutectoid (sekitar 100oF) kemudian ditahan selama

beberapa waktu. Struktur mikro yang terbentuk terdiri atas sementit yang berbentuk

spheroid (spheroid cementite) di dalam matrik ferit, seperti yang ditunjukkan pada

gambar 2.1. Untuk menghasilkan struktur sementit yang seragam, maka struktur awal

baja biasanya adalah martensit karena karbon terdistribusi lebih seragam di dalam

martensit dibandingkan pada perlit.

Gambar 2.1 Struktur Mikro Baja Karbon Sedang Setelah Perlakuan Panas

Spheroidisasi. 500X (3)

2.1.3.5 Hardening

Hardening biasanya dilakukan untuk menghasilkan baja dengan kekerasan dan



kekuatan yang baik. Proses hardening akan mengakibatkan perubahan struktur

kristal baja dari BCC (Body Centered Cubic) menjadi FCC (Face Centered Cubic).

Perlakuan panas hardening terdiri atas dua tahap utama yaitu austenitisasi dan

quenching. Austenitisasi merupakan pemanasan baja hingga temperatur austenitisasi

lalu ditahan selama beberapa menit (biasanya 15-45 menit). Setelah penahanan pada

temperatur austenitisasi baja kemudian didinginkan dalam sebuah media pendingin,

atau yang lebih dikenal dengan quenching. Struktur mikro yang terbentuk setelah

proses hardening biasanya terdiri atas karbida, austenit sisa, dan untempered

martensite.

2.1.3.6 Tempering

Tempering adalah perlakuan panas yang biasanya diberikan pada baja yang telah

mengalami pengerasan (hardening) dan normalisasi. Tujuannya adalah untuk

meningkatkan ketangguhan dan keuletan baja. Caranya adalah dengan memanaskan

baja pada temperatur 180-700o C (1) selama 30 menit hingga 4 jam.

Tempering biasanya dibagi menjadi empat tahap berdasarkan temperatur

pemanasannya (13) dan apa saja yang terjadi saat itu. Tahap pertama adalah

pemanasan pada temperatur 80-160 oC. Pada tahap ini terjadi presipitasi fasa karbida

dengan karbon tinggi yang disebut karbida ε (Fe2,7C). Konsekuensinya, karbon pada

martensit akan berkurang hingga mendekati 0,3%. Tahap kedua, pemanasan pada

temperatur 230-300 oC. Pada tahap ini terjadi pendekomposisian austenit sisa

menjadi bainit, ferit, dan sementit (9, 14). Namun kadang temperatur tempering tahap

dua dapat lebih tinggi karena austenit sisa yang relatif stabil akibat adanya unsur

paduan penstabil austenit. Tahap ketiga, pemanasan pada temperatur 160-400 oC.

Pada tahap ini terjadi pembentukan dan pertumbuhan sementit (Fe3C). Karbida ε

(karbida transisi) dan martensit berubah menjadi sementit dan ferit. Tahap terakhir,

tahap keempat, pemanasan pada temperatur 400-700 oC. Pada tahap ini terjadi

pertumbuhan, pengkasaran, dan spheroidisasi sementit.


2.2 BAJA PERKAKAS

2.2.1 Pendahuluan

Baja perkakas adalah baja yang mempunyai kandungan karbon paling tidak sebesar

0,6 % (2) dengan penambahan sejumlah unsur seperti kromium (Cr), tungsten (W),

molybdenum (Mo), vanadium (V), dan mangan (Mn) dalam jumlah yang cukup

besar. Penambahan sejumlah unsur pemadu ini memungkinkan baja perkakas untuk

digunakan pada berbagai aplikasi dilapangan. Selain itu penambahan unsur-unsur

pemadu tersebut juga mengakibatkan baja perkakas memiliki kontrol dimensi yang

lebih baik dan lebih tahan terhadap retakan selama berlangsungnya proses perlakuan

panas.

Baja perkakas banyak digunakan untuk membuat tool atau perkakas pada proses

pembuatan komponen (manufacturing), seperti untuk pemotongan atau permesinan

logam, kayu, dan plastik. Selain itu baja perkakas juga digunakan untuk membuat

komponen-komponen mesin dan untuk konstruksi bangunan seperti spring (pegas),

fastener, valve, bearing, punch, dan die.

Sebagian besar perkakas mengalami pembebanan yang cukup tinggi selama

penggunaannya di lapangan. Oleh karena itu, perkakas dirancang agar memiliki

kekuatan dan ketahanan aus serta ketahanan terhadap deformasi yang baik. Untuk

menghasilkan perkakas yang memiliki kualitas yang baik dengan kombinasi sifat

mekanik yang optimal maka ada beberapa faktor yang perlu diperhatikan dalam

pembuatan perkakas. Faktor-faktor tersebut antara lain perancangan yang baik,

ketepatan (akurasi) dalam pembuatan perkakas, pemilihan baja perkakas yang sesuai,

dan proses perlakuan panas yang tepat. Hampir semua baja perkakas memerlukan

perlakuan panas untuk menghasilkan kombinasi ketahanan aus, ketangguhan,

kekerasan, ketahanan terhadap deformasi, dan ketahanan terhadap softening pada

temperatur tinggi.


2.2.2 Karakteristik Baja Perkakas (3)

Baja perkakas memiliki karakteristik tersendiri yang membedakannya dengan baja

lainnya seperti baja tahan karat (stainless steel), baja karbon (carbon steel), dan baja

paduan (alloy steel). Karakteristik-karakteristik tersebut diantaranya adalah:

1. Baja perkakas mempunyai komposisi kimia dan sifat fisik yang sangat bervariasi.

Beberapa baja perkakas memiliki komposisi yang cocok dengan komposisi baja

karbon dan baja paduan, tetapi kebanyakan baja perkakas memiliki kandungan

paduan yang jauh lebih besar dari baja karbon dan baja paduan.

2. Penambahan unsur pemadu seperti kromium tidak meningkatkan ketahanan

terhadap korosi walaupun pada beberapa grade memiliki kandungan kromium

yang hampir sama dengan baja tahan karat. Penambahan unsur pemadu ini

bertujuan agar bereaksi dengan karbon membentuk karbida.

3. Perbedaan yang sangat mencolok antara baja perkakas dan baja jenis lain terletak

pada struktur mikro. Baja karbon dan baja paduan hanya memiliki struktur

martensit sebagai fasa predominant, sedangkan tool steel memiliki struktur

martensit dengan karbida paduan (alloy carbides).

4. Baja perkakas memerlukan proses laku panas yang khusus.

5. Memerlukan biaya produksi yang lebih besar dari baja paduan.

6. Memiliki hardenabilitas yang lebih baik daripada baja karbon dan baja paduan.

7. Memiliki ketahanan panas (heat resistance) yang tinggi.

8. Mudah untuk di laku panas.

9. Lebih sukar untuk di-machining dibandingkan dengan baja karbon dan baja

paduan.

10. Kebanyakan baja perkakas dijual dalam bentuk hot finished, seperti bentuk round

dan bar. Dimana bentuk cold finished sheets tidak tersedia karena sangat sulit

untuk melakukan pengerolan dingin (cold roll) atau cold finish pada baja

perkakas.


2.2.3 Pengaruh Unsur-Unsur Pemadu

Unsur-unsur pemadu dan jumlahnya di dalam baja merupakan salah satu faktor

utama yang mempengaruhi properti dan sifat mekanik baja perkakas. Tabel 2.1

berikut memperlihatkan peran unsur-unsur pemadu terhadap properti baja perkakas.

Tabel 2.1. Pengaruh Beberapa Unsur Pemadu Terhadap Properti Baja Perkakas (16)

Karakteristik Unsur Pemadu

Kekerasan W, Mo, Co, V, Cr, Mn

Ketahanan aus V, W, Mo,Cr, Mn

Deep Hardening Mn, Mo, Cr, Si, Ni, V

Distorsi Mo, Cr, Mn

Ketangguhan V, W, Mo, Mn, Cr

Penambahan unsur-unsur pemadu pada baja perkakas bisa mempengaruhi proses

transformasi austenit menjadi ferit melalui tiga cara, yaitu dengan merubah

homogenitas fasa-fasa sewaktu berlangsungnya proses austenitisasi, merubah laju

pengintian ferit, dan mempengaruhi kinetika pertumbuhan ferit. Baja perkakas

merupakan baja yang dipadu dengan karbon dan beberapa unsur-unsur pembentuk

karbida yang kuat.

Beberapa unsur pemadu pada baja perkakas diantaranya adalah sebagai berikut : (16)

a) Karbon (C)

Karbon merupakan unsur pemadu utama yang berpengaruh terhadup kemampuan

baja untuk diperkeras (hardenabilitas), termasuk pada baja perkakas. Untuk bisa

diperkeras maka baja setidaknya harus mengandung karbon sebesar 0,2 persen

berat yang terlarut didalam matrik Fe. Pada kandungan karbon hingga 1%

kekerasan baja meningkat dan mencapai kekerasan maksimum sekitar 65 HRC.

Pengaruh kandungan karbon terhadap kekerasan baja dapat dilihat pada gambar

2.2.

Dalam pembuatan baja perkakas, stoikiometri komposisi kimia baja sangat

berpengaruh terhadap kekerasan baja dan kemungkinan terbentuknya karbida-

karbida sepeti V8C7 dan Cr7C3 selama berlangsungnya proses perlakuan panas.

Gambar 2.2 Pengaruh Kandungan Karbon Terhadap Kekerasan Baja Perkakas (16)

b) Kromium (Cr)

Kandungan kromium berperan dalam pembentukan karbida-karbida seperti

Cr23C6 dan Cr7C3 selama berlangsungnya annealing. Karbida-karbida ini larut

selama berlangsungnya austenitisasi pada temperatur diatas 900o C dan larut

secara keseluruhan pada temperatur 1100o C. Penambahan kromium akan

menurunkan temperatur Ms dan Mf, meningkatkan hardenibilitas baja, dan

meningkatkan ketahanan aus baja perkakas.

c) Tungsten (W) dan Molybdenum (Mo)

Tungsten dan molybdenum memiliki pengaruh yang hampir sama terhadap

karakteristik baja perkakas. Perbedaan utama antara keduanya terletak pada

ketahanan terhadap dekarburisasi. Baja yang memiliki kandungan molybdenum

yang tinggi lebih mudah mengalami dekarburisasi dibandingkan dengan baja



yang mengandung tungsten. Hal ini mengakibatkan proses perlakuan panas pada

baja yang mengandung molybdenum menjadi lebih sulit (19). Baik Mo maupun W

keduanya menurunkan temperatur likuidus dan mempersempit daerah kestabilan

austenit.

Tungsten akan mendorong terbentuknya karbida M6C (20). Karbida ini larut

didalam matrik austenit pada temperatur diantara 1150oC hingga temperatur

solidus. Sedangkan molybdenum akan mendorong terbentuknya karbida M2C (20).

Karbida-karbida ini tidak stabil pada temperatur tinggi dan pada temperatur

sekitar 750o C karbida ini akan berubah menjadi karbida M6C.

d) Vanadium (V)

Vanadium akan mendorong terbentuknya karbida MC. Adanya karbida ini akan

meningkatkan ketahanan aus abrasi (abrasive wear) dan performansi perkakas

untuk alat potong (20, 21, 22). Karbida vanadium memiliki kelarutan terbatas

didalam matrik. Penambahan vanadium akan meningkatkan temperatur Ms dan

Mf dengan mengikat karbon untuk membentuk karbida dan meningkatkan

hardenabilitas baja perkakas. Selain itu penambahan vanadium juga akan

mengakibatkan pengecilan ukuran butiran matrik (grain refinement) (22).

e) Mangan (Mn)

Mangan berpengaruh terhadap peningkatan kedalaman pengerasan dan rasio σy/

σUTS. Peningkatan kandungan mangan akan mengakibatkan peningkatan

kandungan austenit sisa.(22, 23) Meskipun demikian, penambahan sejumlah kecil

mangan dapat mengurangi kegetasan (brittleness) dan meningkatkan kemampuan

untuk ditempa (forgeability).

f) Kobalt (Co)

Kobalt akan meningkatkan stabilitas termal hingga temperatur 650oC dan

mengakibatkan terjadinya pengerasan kedua (secondary hardening) hingga


mencapai 67-70 HRC, (23) tetapi akan menurunkan ketangguhan dan ketahanan

aus.(21) Penambahan kobalt akan menaikkan temperatur solidus. Selama

berlangsungnya austenitisasi sebagian besar karbida akan larut sehingga

memperbaiki hardenabilitas baja.

g) Silikon (Si)

Pemaduan dengan silikon akan meningkatkan kelarutan karbon didalam matrik

dan meningkatkan kekerasan setelah pendinginan. Silikon biasanya berperan

sebagai deoksidator. Penambahan silikon melebihi 0,2% berat akan

meningkatkan hardenabilitas baja. Untuk meningkatkan kekerasan dan stabilitas

sewaktu tempering maka biasanya ditambahkan silikon hingga 1% berat, tetapi

penambahan silikon hingga 1% ini akan mengakibatkan penurunan keuletan

(ductility). Pada konsentrasi tinggi, silikon bisa menyebabkan terjadinya

penggetasan (embrittlement). (21, 22, 23)

h) Nikel (Ni)

Penambahan nikel bertujuan untuk meningkatkan kekuatan baja, mengurangi

distorsi kisi, dan mencegah munculnya retakan sewaktu pendinginan

(quenching). (24)

2.2.4 Pengelompokan Baja Perkakas

Secara umum baja perkakas dapat dikelompokkan berdasarkan tiga hal:

1) Komposisi

2) Kekerasan

3) Properti

Berdasarkan komposisinya maka baja perkakas dibagi menjadi tiga kelompok utama,

yaitu baja hypereutectoid dan eutectoid dengan kekerasan 60-65 HRC, baja

hypoeutectoid dengan kekerasan 45-55 HRC, dan baja karbon paduan tinggi dengan

kekerasan 40-60 HRC. (23)


AISI (American Iron and Steel Institute) mengelompokkan baja perkakas kedalam

tujuh kelompok utama yaitu baja perkakas kecepatan tinggi, baja perkakas

pengerjaan dingin, baja perkakas pengerjaan panas, baja perkakas tahan kejut, baja

perkakas pengerasan air, baja perkakas khusus, dan mould steel. Pengelompokan ini

didasarkan pada karakteristik baja perkakas seperti unsur-unsur pemadu, perlakuan

panas, dan penggunaannya.

a. Baja perkakas pengerasan air (water hardening steel)

Baja pengerasan air biasa disimbolkan dengan huruf W (W steels). Unsur pemadu

utama baja ini adalah karbon dengan penambahan sedikit kromium dan vanadium.

Penambahan kromium dan vanadium bertujuan untuk menghasilkan butiran yang

lebih kecil (grain refinement), meningkatkan ketahanan aus, dan hardenibilitas. Baja

kelompok W ini tidak tahan terhadap softening pada temperatur tinggi. Baja

pengerasan air biasanya digunakan untuk aplikasi dengan beban dinamis yang

terbatas dan kecepatan rendah, misalnya alat pemotong kayu.

Tabel 2.2 Komposisi Kimia Beberapa Baja Perkakas Pengerasan Air (1)

BAJA PERKAKAS PENGERASAN AIR AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

W1 0.70-1.50 0.10-0.40 0.10-0.40 0.15 max 0.20 max

0.10 max

0.15 max

0.10 max

W2 0.80-1.50 0.10-0.40 0.10-0.40 0.15 max 0.20 max

0.10 max

0.15 max

0.15-0.35 . . .

W5 1.05-1.15 0.10-0.40 0.10-0.40 0.40-0.600.20 max

0.10 max

0.15 max

0.10 max . . .

b. Baja perkakas untuk tujuan khusus (special purposes tool steels)

Unsur pemadu utama pada baja ini adalah kromium dan vanadium. Selain itu baja ini

mengandung 0,5-1,1% berat karbon dan sejumlah kecil nikel dan molybdenum. AISI

membagi baja perkakas tujuan khusus menjadi dua tipe yaitu tipe L dan tipe F. Tipe

L termasuk low alloy steels dengan kandungan kromium sebesar 1% yang membuat

biaya produksi lebih murah sehingga dapat digunakan sebagai pengganti baja


perkakas pengerjaan dingin. Penggunaannya antara lain pada alat ukur (gages), peniti

(broaches), bor (drills), keran (taps), threading dies, ball and roller bearings, dan

pencengkram (clutch plates). Tipe F memiliki kandungan karbon dan tungsten yang

tinggi. Jenis ini mempunyai ketahanan aus dan ketangguhan yang tinggi serta

hardenability sedang. Baja ini biasa digunakan sebagai finishing machining tools

dikarenakan memiliki ketahanan aus yang tinggi dan memiliki permukaan tepi yang

tajam.

Tabel 2.3 Komposisi Kimia Beberapa Baja Perkakas Tujuan Khusus (1)

BAJA PERKAKAS TUJUAN KHUSUS AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

L2 0.45-1.00 0.10-0.90 0.50 max 0.70-1.20 . . . 0.25 max . . . 0.10-0.30

L6 0.65-0.75 0.25-0.80 0.50 max 0.60-1.20 1.25-2.000.50 max . . . 0.20-0.30

c. Mould steels

Mould steel atau kelompok P mengandung kromium dan nikel sebagai unsur pemadu

utama dengan kandungan karbon yang rendah (0,1-0,3% berat). Beberapa contoh

dari baja ini antara lain P4 dan P6. Kedua baja ini dapat diperkeras secara maksimum

dengan pendinginan udara. (25) Berdasarkan namanya, penggunaan utama baja ini

adalah untuk membuat mould. Kelompok baja ini memiliki ketahanan yang rendah

terhadap softening pada temperatur tinggi.

Tabel 2.4 Komposisi Kimia Mould Steel (1)

MOLD STEELS AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co P2 0.10 max 0.10-0.40 0.10-0.40 0.75-1.25 0.10-0.50 0.15-0.40 …. …. . . . P3 0.10 max 0.20-0.60 0.40 max 0.40-0.75 1.00-1.50 …. …. …. ….. P4 0.12 max 0.20-0.60 0.10-0.40 4.00-5.25 . . . 0.40-1.00 …. ….. …… P5 0.10 max 0.20-0.60 0.40 max 2.00-2.50 0.35 max …. ….. ….. ….. P6 0.05-0.15 0.35-0.70 0.10-0.40 1.25-1.75 3.25-3.75 …. ….. ….. …… P20 0.28-0.40 0.60-1.00 0.20-0.80 1.40-2.00 . . . 0.30-0.55 ….. …. ….

P21 0.18-0.22 0.20-0.40 0.20-0.40 0.50 max 3.90-4.25 0.15-0.25

1.05-1.25Al


d. Baja perkakas tahan kejut (shock resisting tool steel)

Karbon, mangan, silikon, kromium, tungsten, dan molybdenum merupakan unsur-

unsur pemadu utama pada baja tahan kejut (baja kelompok S). Kandungan karbon

baja ini sekitar 0,5% berat. Penambahan silikon yang cukup tinggi membuat baja ini

berbeda dengan baja perkakas lainnya karena dengan penambahan silikon yang

cukup tinggi tersebut akan menurunkan sensitivitas terhadap perpatahan (fracture).

Hardenabilitas dan kedalaman pengerasan baja ini bervariasi. Beberapa contoh dari

baja perkakas kelompok S ini antara lain S2, S1, S5, S6, dan S7. Tipe S2 yang

didinginkan dengan air (water quenching) memiliki hardenibilitas yang lebih rendah

jika dibanding tipe S7. Baja tahan kejut memiliki kekuatan yang cukup tinggi,

ketahanan aus sedang, dan ketangguhan yang tinggi. Baja ini tahan terhadap

pembebanan tinggi yang berulang dan biasa digunakan sebagai pemukul

(hammering) dan punching.

Tabel 2.5. Komposisi Kimia Baja Perkakas Tahan Kejut (1)

BAJA PERKAKAS TAHAN KEJUT AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

S1 0.40-0.55 0.10-0.40 0.15-1.20 1.00-1.800.30 max 0.50 max 1.50-3.00 0.15-0.30 . . .

S2 0.40-0.55 0.30-0.50 0.90-1.20 . . . 0.30 max 0.30-0.60 . . . 0.50 max . . .

S5 0.50-0.65 0.60-1.00 1.75-2.25 0.50 max . . . 0.20-1.35 . . . 0.35 max . . . S6 0.40-0.50 1.20-1.50 2.00-2.50 1.20-1.50 . . . 0.30-0.50 . . . 0.20-0.40 . . . S7 0.45-0.55 0.20-0.90 0.20-1.00 3.00-3.50 . . . 1.30-1.80 . . . 0.20-0.30

e. Baja perkakas pengerjaan panas (hot work tool steel)

Baja perkakas pengerjaan panas (hot work tool steel) memiliki ketahanan termal

yang sangat baik sehingga tahan terhadap softening pada temperatur tinggi.(12) Selain

karbon, baja perkakas tipe H juga terdiri atas beberapa unsur pemadu utama lainnya

seperti kromium, tungsten, dan molybdenum. Kandungan karbon baja ini relatif

rendah, yakni berkisar antara 0,3-0,4% berat. Baja tipe H ini digunakan untuk


aplikasi hot forging, pemotong logam (metal shearing), dan cetakan logam die-

casting.

f. Baja perkakas pengerjaan dingin (cold work tool steel)

Baja perkakas pengerjaan dingin dibagi kedalam tiga kelompok utama, yaitu

kelompok A (air hardening steel), D (high carbon, high chromium steel), dan O (oil

hardening steel).

Baja kelompok A memiliki sifat dapat diperkeras melalui pendinginan udara hingga

59-60 HRC. (23) Selain itu baja kelompok A sangat stabil selama berlangsungnya

quenching dan memiliki kandungan karbida yang terdistribusi secara homogen.

Adapun unsur-unsur pemadu utama pada baja kelompok ini adalah karbon,

molybdenum, kromium, dan mangan.

Tabel 2.6. Komposisi Kimia Beberapa Air Hardening Steel (1)

BAJA PERKAKAS PENGERASAN UDARA AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

A2 0.95-1.05 1.00 max 0.50 max 4.75-5.50

0.30 max 0.90-1.40 . . . 0.15-0.50 . . .

A3 1.20-1.30 0.40-0.60 0.50 max 4.75-5.50

0.30 max 0.90-1.40 . . . 0.80-1.40 . . .

A4 0.95-1.05 1.80-2.20 0.50 max 0.90-2.20

0.30 max 0.90-1.40 . . . …… …..

Unsur-unsur pemadu utama pada baja kelompok D adalah karbon dan kromium.

Kandungan kromium pada baja ini mencapai 12% berat. Baja kelompok D dengan

kandungan karbon yang cukup tinggi biasanya mengandung karbida dalam jumlah

yang cukup besar sehingga mengakibatkan baja ini memiliki ketahanan aus yang

sangat baik. Jika dibandingkan dengan kelompok A, baja kelompok D ini lebih

rentan terhadap distorsi dan bisa mengalami retakan selama berlangsungnya proses

hardening. Baja kelompok D banyak digunakan untuk membuat die.


Tabel 2.7 Komposisi Kimia Beberapa Baja Perkakas Kelompok D (1)

HIGH CARBON, HIGH CHROMIUM COLD WORK STEEL AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

D2 1.40-1.60 0.60 max

0.60 max 11.00-13.00

0.30 max 0.70-1.20 . . .

1.10 max . . .

D3 2.00-2.35 0.60 max

0.60 max 11.00-13.50

0.30 max . . .

1.00 max

1.00 max . . .

D4 2.05-2.40 0.60 max

0.60 max 11.00-13.00

0.30 max 0.70-1.20 . . .

1.00 max . . .

Baja kelompok O merupakan baja dengan kandungan karbon yang tinggi dan jumlah

unsur pemadu yang relatif rendah. Akibatnya, baja ini memiliki hardenabilitas yang

lebih rendah jika dibandingkan dengan baja kelompok A. Kandungan unsur pemadu

yang rendah mengakibatkan baja ini memiliki ketahanan aus tidak sebaik baja

kelompok A dan D. Baja kelompok O digunakan untuk membuat blanking, die,

gauge, dan collet.

Tabel 2.8 Komposisi Kimia Baja Pengerasan Minyak (1)

BAJA PERKAKAS PENGERASAN MINYAK AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

O1 0.85-1.00 1.00-1.40 0.50 max 0.40-0.600.30 max . . . 0.40-0.60

0.30 max

O2 0.85-0.95 1.40-1.80 0.50 max 0.50 max 0.30 max 0.30 max . . .

0.30 max . . .

O6 1.25-1.55 0.30-1.10 0.55-1.50 0.30 max 0.30 max 0.20-0.30 . . . . . .

g. Baja perkakas kecepatan tinggi (high speed tool steel)

Baja perkakas kecepatan tinggi banyak dipergunakan sebagai alat potong karena

memiliki kekerasan yang sangat tinggi. Baja ini dapat diperkeras hingga 65-70 HRC

dan memiliki ketahanan aus yang sangat tinggi. Baja kelompok ini mengandung

jumlah unsur-unsur pemadu sekitar 20% berat. Unsur-unsur pemadu tersebut antara

lain molybdenum, tungsten, kromium, vanadium, kobalt, dan karbon. Baja perkakas

kecepatan tinggi dibagi menjadi dua kelompok utama, yaitu kelompok M dan T.

Pembagian ini didasarkan pada jumlah molybdenum dan tungsten yang terdapat di


dalam baja. Jumlah molybdenum dan tungsten pada baja perkakas kecepatan tinggi

dinyatakan dengan tungsten equivalent, Weq. Weq bervariasi antara 17-20 % berat.

Beberapa anggota kelompok M mengandung tungsten sebanyak 10% berat,

sedangkan kelompok T hanya mengandung molybdenum hingga 1% berat.

Molybdenum high speed tool steel

Baja ini mengandung molybdenum, tungsten, kromium, vanadium, kobalt, dan

karbon sebagai unsur-unsur pemadu utama. Baja kelompok M ini memiliki

ketangguhan yang sedikit lebih tinggi dibandingkan baja kelompok T (tungsten high

speed steel) pada kekerasan yang sama.

Peningkatan kandungan karbon dan vanadium pada baja kelompok M ini akan

meningkatkan ketahanan aus. Sedangkan peningkatan kandungan kobalt akan

meningkatkan red hardness tetapi menurunkan ketangguhan baja. Selain itu baja

kelompok M ini lebih sensitif terhadap kondisi hardening, seperti temperatur

austenitisasi dan lingkungan udara luar. Baja ini harus diaustenitisasi pada

temperatur yang lebih rendah daripada temperatur austenitisasi baja kelompok T

untuk mencegah terjadinya pelelehan.

Baja kelompok M memiliki hardenabilitas yang baik. Kekerasan maksimal dapat

diperoleh dengan cara mendinginkan baja dari temperatur 1175o-1230o C. Baja

kelompok M dengan kandungan karbon yang lebih rendah seperti tipe M1, M2, M10,

M30, M33, M34, dan M36 memiliki kekerasan maksimal sekitar 65 HRC. Untuk

baja dengan kandungan karbon yang lebih tinggi, seperti tipe M3, M4, dan M7,

kekerasan maksimalnya adalah 66 HRC. Sedangkan tipe M41, M42, M43, M44, dan

M46 memiliki kekerasan maksimum hingga 70 HRC.


Tabel 2.9 Komposisi Kimia Beberapa Molybdenum High Speed Tool Steel (1)

MOLYBDENUM HIGH SPEED TOOL STEELS AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

M1 0.78-0.88 0.15-0.40

0.20-0.50 3.50-4.00

0.30 max

8.20-9.20 1.40-2.10 1.00-1.25 . . .

M4 1.25-1.40 0.15-0.40

0.20-0.45 3.75-4.75

0.30 max

4.25-5.50 5.25-6.50 3.75-4.50 . . .

M36 0.80-0.90 0.15-0.40

0.20-0.45 3.75-4.50

0.30 max

4.50-5.50 5.50-6.50 1.75-2.25 7.75-8.75

M7 0.97-1.05 0.15-0.40

0.20-0.55 3.50-4.00

0.30 max

8.20-9.20 1.40-2.10 1.75-2.25 . . .

Tungsten high speed tool steel

Baja kecepatan tinggi tungsten mengandung tungsten, kromium, kobalt, dan karbon

sebagai unsur-unsur pemadu utama. Karakteristik utama dari baja kelompok T ini

adalah red hardness nya yang tinggi dan ketahanan aus yang sangat baik. Selain itu

baja ini juga memiliki hardenabilitas yang baik karena dapat diperkeras hingga 65

HRC atau lebih melalui quenching di dalam media minyak (oil quenching).

Kandungan unsur pemadu dan karbon yang tinggi menyebabkan baja kelompok T

memiliki struktur mikro yang terdiri dari karbida-karbida yang keras dan tahan

terhadap aus, khususnya pada baja yang mengandung lebih dari 1,5% V dan 1,0% C.

Baja tipe T15 merupakan baja yang memiliki ketahanan aus yang paling tinggi pada

baja kelompok T ini.

Karena memiliki kombinasi ketahanan aus dan red hardness yang baik, baja ini

banyak digunakan sebagai mesin potong, seperti bit, drill, reamer, hob, dan milling

cutter. Selain itu baja ini juga digunakan untuk membuat die, punch, dan aircraft

bearing.

Tabel 2.10. Komposisi Kimia Tungsten High Speed Tool Steel (1)

TUNGSTEN HIGH SPEED TOOL STEELS AISI C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

T1 0.65-0.80 0.10-0.40 0.20-0.40 3.75-4.50 0.30 max . . . 17.25-18.75 0.90-1.30 . . .

T2 0.80-0.90 0.20-0.40 0.20-0.40 3.75-4.50 0.30 max1.00 max

17.50-19.00 1.80-2.40 . . .

T4 0.70-0.80 0.10-0.40 0.20-0.40 3.75-4.50 0.30 max0.40-1.00

17.50-19.00 0.80-1.20

4.25-5.75

2.2.5 Struktur Mikro Baja Perkakas

Struktur mikro pada baja perkakas sangat bervariasi dan beraneka ragam bentuknya.

Hal ini terutama dipengaruhi oleh komposisi dan perlakuan panas yang diterapkan

pada baja perkakas tersebut.

2.2.5.1 Struktur mikro setelah pengerjaan panas

Struktur mikro yang dihasilkan setelah pengerjaan panas (hot working) biasanya

mengandung sejumlah karbida. Gambar 2.3 dan 2.4 memperlihatkan struktur mikro

pada beberapa baja perkakas setelah pengerjaan panas. Secara umum, pendinginan

setelah pengerjaan panas harus dikontrol sedemikian rupa agar dihasilkan distribusi

karbon yang seragam sehingga distribusi karbida yang terbentuk setelah perlakuan

panas annealing seragam.

Gambar 2.3 Struktur Mikro Baja AISI A2, As Rolled, Mengandung Martensit (hitam)

dan Austenit Sisa (putih). 500X (1)


Beberapa baja perkakas seperti baja perkakas pengerjaan panas dengan kandungan

kromium sebanyak 5% berat dan plastic molding steel dengan kandungan 12% Cr

cenderung membentuk jaringan karbida pada batas butir austenit. Karbida-karbida ini

sangat sulit dihilangkan dengan perlakuan panas annealing. Keberadaan karbida-

karbida ini sangat merugikan karena dapat menurunkan keuletan dan ketangguhan

baja.

Gambar 2.4 Struktur Mikro Baja AISI H13 Mengandung Sejumlah Karbida Setelah

Pengerjaan Panas. 500X (1)

2.2.5.2 Struktur mikro setelah annealing

Pada kondisi annealed, struktur mikro baja perkakas pada umumnya terdiri atas

karbida yang berbentuk spheroid. Kontrol terhadap morfologi karbida selama proses

annealing ini sangat diperlukan karena berkaitan dengan kemampuan dibentuk

(formability) dan kemampuan permesinan (machinability) baja.

Sebagian besar baja perkakas diberi perlakuan panas spheroidization annealing. Pada

beberapa jenis baja perkakas, kekerasan menurun seiring dengan meningkatnya

proses spheroidisasi. Kontrol terhadap proses spheroidization annealing sangat

penting karena berkaitan dengan machinability dan formability baja perkakas.


Semakin seragam struktur mikro awal baja (setelah permesinan) maka akan semakin

seragam pula proses spheroidisasi dan baja yang dihasilkan akan semakin lunak.

Gambar 2.5 berikut ini menunjukkan struktur mikro baja AISI H13.

Gambar 2.5 Struktur Mikro Baja AISI H13, Spheroidize Annealed. 1000X (1)

2.2.5.3 Karbida pada baja perkakas

Jumlah karbida yang terbentuk pada baja perkakas bergantung pada kandungan

karbon dan unsur-unsur pembentuk karbida seperti Cr, Mo, V, dan W. Tipe dan

jumlah karbida sangat berpengaruh terhadap ketahanan aus baja perkakas karena

karbida akan memberikan kontribusi terhadap kekerasan matrik fasa. Kekerasan

masing-masing karbida bervariasi berdasarkan komposisinya, mulai dari 800 HV

untuk karbida Fe3C hingga 1400 HV.

Beberapa jenis karbida yang sering muncul pada baja perkakas antara lain Sementit

(M3C), M7C3, MC, M6C, M23C6, dan M2C. Sementit (M3C) adalah karbida yang

kaya akan Fe (besi) dengan struktur kristal orthorhombic. Pada kondisi annealed,

karbida sementit hanya mengandung sedikit tungsten, molybdenum, vanadium, dan



kromium. Sementit biasanya muncul pada baja perkakas yang diquench dan ditemper

dibawah temperatur 538o C. M7C3 adalah karbida yang kaya akan kromium dengan

struktur kristal hexagonal. Karbida ini biasanya terdapat pada baja perkakas yang

memiliki kandungan kromium sedang dan tinggi, seperti baja perkakas pengerjaan

dingin (cold work tool steel) tipe D. Karbida ini larut di dalam fasa austenit selama

berlangsungnya proses hardening. M23C6 adalah karbida yang kaya akan kromium

dengan struktur kristal FCC (face centered cubic). Karbida M23C6 biasa ditemukan

pada baja perkakas kecepatan tinggi (high speed steel) yang berada dalam kondisi

annealed.

M6C dan M2C adalah karbida yang kaya akan molybdenum dan tungsten. M6C

biasanya ditemukan pada baja perkakas kecepatan tinggi sedangkan M2C jarang

ditemukan pada baja perkakas. Karbida MC yang memiliki struktur FCC adalah

karbida yang paling keras diantara semua karbida yang ada. Karbida ini tidak larut

selama berlangsungnya proses austenitisasi. Karbida ini biasa ditemukan pada baja

perkakas yang memiliki kandungan vanadium sedang dan tinggi, terutama baja

perkakas kecepatan tinggi.

Jumlah karbida yang muncul pada baja perkakas pada kondisi annealed lebih besar

jika dibandingkan setelah austenitisasi dan quenching. Hal ini terjadi karena larutnya

beberapa karbida selama berlangsungnya austenitisasi. Jenis karbida yang muncul

juga bervariasi tergantung pada komposisi kimia baja.

2.3 PERLAKUAN PANAS PADA BAJA PERKAKAS

Perlakuan panas pada baja perkakas secara umum hampir sama dengan perlakuan

panas yang diterapkan pada jenis baja lainnya. Perlakuan panas tersebut diantaranya

meliputi normalizing, annealing, stress releaving, hardening, dan tempering. Berikut

penjelasan singkat dari setiap perlakuan panas tersebut.

2.3.1 Normalizing

Normalizing pada baja perkakas sebagaimana halnya pada baja lainnya bertujuan

untuk menghasilkan struktur mikro dan ukuran butiran yang lebih seragam serta

menghilangkan tegangan sisa. Normalizing biasanya dilakukan setelah forging dan

sebelum annealing. Tidak semua baja perkakas diberikan perlakuan panas

normalizing. Beberapa baja perkakas seperti high speed steel, shock resisting steel,

hot work tool steel, cold work tool steel (tipe A dan D, kecuali A10), dan mold steel

sebaiknya (tidak direkomendasikan) untuk dinormalisasi. (1)

2.3.2 Annealing

Baja perkakas yang tersedia dipasaran biasanya berada dalam kondisi annealed. (1)

Hal ini mengakibatkan baja tersebut mudah untuk diberikan permesinan dan dilaku

panas. Baja perkakas biasanya diberikan perlakuan panas annealing setelah forging

dan rolling atau sebelum rehardening. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6 Tahap Operasi pada Proses Produksi Baja Perkakas (1)

2.3.3 Hardening

Sebagaimana telah dijelaskan pada sub bab 2.2 di atas, proses hardening bertujuan

untuk menghasilkan baja dengan kekerasan dan kekuatan yang baik. Proses



hardening pada baja perkakas terdiri atas dua tahap utama, yaitu austenitisasi dan

quenching.

Austenitisasi

Austenitisasi merupakan tahap penting dalam proses hardening baja perkakas.

Selama berlangsungnya austenitisasi, unsur-unsur pemadu akan mengalami partisi

kedalam matrik austenit dan karbida sisa yang terbentuk (retained carbide). Karbida

paduan sisa tidak hanya berpengaruh terhadap ketahanan aus, tetapi juga terhadap

pengaturan ukuran butiran austenit. Semakin halus dan semakin besar volume fraksi

karbida sisa yang terbentuk maka kontrol terhadap pertumbuhan butiran austenit

akan semakin efektif. Austenitisasi pada temperatur yang terlalu tinggi akan

mengakibatkan terjadinya pertumbuhan butiran yang tidak diinginkan. Hal ini bisa

mengakibatkan terjadinya retakan, semakin banyaknya austenit sisa, dan terjadinya

distorsi.

Quenching

Quenching adalah proses pendinginan cepat logam atau material dari temperatur

austenitisasi atau temperatur solution treatment menuju temperatur kamar dengan

cara mencelupkan logam atau material tersebut kedalam media yang disebut dengan

quenchant (1). Tujuannya adalah untuk menghasilkan struktur mikro yang diinginkan,

biasanya bainit dan martensit.

Struktur martensit memiliki bentuk seperti jarum yang bersifat sangat keras dan

getas. Penampakan mikrostruktur martensit dipengaruhi oleh kandungan karbon.

Untuk kandungan karbon 0-0,6% struktur martensit dinamakan struktur lath dengan

penampakan kurang jelas menggunakan mikroskop optik. Sedangkan untuk jumlah

karbon lebih dari 1% maka akan muncul fasa austenit yang disebut austenit sisa.

Struktur martensit dengan austenit sisa ini dinamakan struktur plate. Struktur mikro

martensit lath dan plate ditunjukkan pada gambar 2.7.

(a) AISI 4340 (b) Fe - 1,39% C

Gambar 2.7 Foto Struktur Mikro, (a) Martensit Lath (b) Martensit Plate

Mikroskop Optik Perbesaran 700X (1)

Baja perkakas biasanya diquench dengan tujuan untuk menghasilkan struktur

martensit agar diperoleh kekerasan yang maksimal (1). Media quenching yang biasa

digunakan untuk mendinginkan baja perkakas antara lain air, brine, minyak, udara,

gas, dan larutan garam.

Baja perkakas yang hendak diperkeras dengan pendinginan udara dan minyak

biasanya dihot-quenched terlebih dahulu pada temperatur 540 oC – 650 oC setelah

diaustenitisasi. Media quenching harus bisa mendinginkan baja dengan relatif cepat.

Pendinginan yang terlalu lambat dapat mengakibatkan terbentuknya karbida pada

batas butir austenit. Keberadaan karbida akan menurunkan ketangguhan retak dan

menurunkan performansi baja perkakas terutama baja perkakas pengerjaan panas

seperti AISI H13. Kandungan karbida yang sedikit tidak terlalu berpengaruh

terhadap kekerasan baja. Dari beberapa penelitian juga disebutkan bahwa karbida

batas butir ini menurunkan ketangguhan baja perkakas yang telah diberi perlakuan



panas hardening dan tempering. (27, 28, 29)

2.3.4 Tempering

Baja perkakas yang telah diperkeras (hardened) biasanya langsung diberikan

perlakuan panas tempering agar dihasilkan kombinasi kekerasan, kekuatan, dan

ketangguhan yang lebih optimal. Sifat mekanik kekerasan, kekuatan, dan

ketangguhan sangat dibutuhkan pada baja perkakas, terutama baja perkakas yang

digunakan sebagai alat potong dan struktur bangunan. Oleh karena itu, perlakuan

panas tempering biasanya tidak bisa dipisahkan dari proses hardening.

Struktur mikro baja perkakas yang telah mengalami pengerasan (hardening) terdiri

atas austenit sisa, untempered martensite, dan karbida. Austenit sisa merupakan fasa

yang sangat merugikan karena dapat menurunkan kekerasan dan menyebabkan

terjadinya distorsi. Melalui perlakuan panas tempering, fasa austenit sisa ini dapat

dikurangi atau bahkan dihilangkan sehingga kekerasan maksimal bisa diperoleh.

Selain itu keberadaan untempered martensite tidak cocok untuk aplikasi dilapangan

karena sifatnya yang getas.

Pada baja perkakas dengan kandungan unsur pemadu yang lebih tinggi, sejumlah

untempered martensite dan austenit sisa masih terbentuk pada saat pendinginan

setelah tempering tahap pertama (single tempering). Oleh karena itu, tempering tahap

kedua biasanya diperlukan untuk mentransformasi austenit sisa dan untempered

martensite yang masih muncul setelah single tempering. Beberapa baja perkakas

paduan tinggi direkomendasikan untuk diberikan triple tempering atau quadruple

tempering. (1)

2.4 BAJA PERKAKAS PENGERJAAN PANAS

Baja perkakas pengerjaan panas disimbolkan dengan huruf H (standar AISI). Baja

tipe H ini dapat dibagi kedalam tiga kelompok berdasarkan kandungan unsur pemadu


utamanya, yakni chromium hot work tool steel, tungsten hot work tool steel, dan

molybdenum hot work tool steel. Baja perkakas pengerjaan panas memiliki

kandungan karbon yang relatif rendah, yakni sekitar 0,3-0,4% berat. Beberapa

karakteristik yang harus dimiliki oleh baja perkakas pengerjaan panas antara lain

sebagai berikut:

1. Ketahanan terhadap deformasi

2. Ketahanan terhadap kejut (shock)

3. Ketahanan aus yang baik

4. Ketahanan terhadap deformasi pada saat perlakuan panas

5. Ketahanan terhadap heat checking

6. Memiliki machinability yang baik pada kondisi annealed

Beberapa aplikasi dari baja perkakas pengerjaan panas antara lain casting dies,

forging dies, shear blade, punch, piercer, dan mandrel. Beberapa tipe dari kelompok

baja ini biasa juga digunakan sebagai bahan konstruksi.

2.4.1 Baja Perkakas Pengerjaan Panas Kromium (chromium hot work tool steel)

Adapun yang termasuk kedalam baja pengerjaan panas kromium adalah baja AISI

H11 hingga H19. Baja ini termasuk kedalam baja paduan rendah dengan kandungan

kromium sekitar 3-5 % berat. Unsur-unsur pemadu utamanya antara lain karbon,

kromium, tungsten, dan vanadium. Kandungan unsur pemadu yang rendah

mengakibatkan baja ini memiliki ketangguhan yang baik pada kekerasan yang

sedang (40-55 HRC). Baja perkakas pengerjaan panas memiliki temperatur

pembentukan martensit (Ms) dan Mf (martensite finish) yang tinggi sehingga bisa

diperkeras melalui pendinginan udara (air hardening).

Baja tipe H11 hingga H19 memiliki ketahanan yang baik terhadap heat softening.

Hal ini disebabkan oleh kandungan kromium dan adanya unsur-unsur pembentuk

karbida seperti molybdenum, tungsten, dan vanadium. Semakin tinggi kandungan

molybdenum dan tungsten akan semakin meningkatkan kekuatan tetapi menurunkan

ketangguhan. Vanadium ditambahkan untuk meningkatkan ketahanan terhadap

erosive wear pada temperatur tinggi. Peningkatan kandungan silikon akan

berpengaruh terhadap ketahanan oksidasi pada temperatur hingga 800o C.

Semua baja pengerjaan panas kromium memiliki hardenabilitas yang sangat baik.

Baja AISI H11, H12, dan H13 dengan ketebalan hingga 152 mm dapat diperkeras

hingga kekerasan maksimal melalui pendinginan udara. Hardenabilitas yang sangat

baik dan kandungan unsur pemadu yang seimbang mengakibatkan baja ini lebih

tahan terhadap distorsi selama berlangsungnya proses hardening. Beberapa kelebihan

lain dari baja perkakas pengerjaan panas, khususnya baja AISI H11, H12, dan H13

antara lain kemudahannya untuk dibentuk, kemampuan las (weldability) yang baik,

koefisien ekspansi termal yang rendah, dan ketahanan terhadap oksidasi dan korosi

yang diatas rata-rata.

Tabel 2.11 Komposisi Kimia Chromium Hot Work Tool Steel (1)

Komposisi (%) AISI

C Mn Si Cr Ni Mo W V Co

H10 0,35-0,45 0,25-

0,7

0,8-1,2 3-3,75 0,3

max

2-3 …… 0,25-

0,75

…….

H11 0,33-0,43 0,2-0,5 0,8-1,2 4,75-5,5 0,3

max

1,1-1,6 ……. 0,3-0,6 …….

H12 0,3-0,4 0,2-0,5 0,8-1,2 4,75-5,5 0,3

max

1,25-

1,75

1-1,7 0,5

max

…….

H13 0,32-0,45 0,2-0,5 0,8-1,2 4,75-5,5 0,3

max

1,1-

1,75

……… 0,8-1,2 …….

H14 0,35-0,45 0,2-0,5 0,8-1,2 4,75-5,5 0,3

max

…….... 4,5-

5,25

……… …….

H19 0,32-0,45 0,2-0,5 0,2-0,5 4-4,75 0,3

max

0,3-

0,55

3,75-

4,5

1,75-

2,2

4-4,5


2.4.2 Baja Perkakas Pengerjaan Panas Tungsten (tungsten hot work tool steel)

Jika dibandingkan dengan baja pengerjaan panas kromium, baja pengerjaan panas

tungsten memiliki kandungan unsur pemadu yang lebih tinggi dan lebih tahan

terhadap penggetasan. Selain itu baja pengerjaan panas tungsten merupakan baja

yang paling keras diantara ketiga tipe baja perkakas pengerjaan panas. Sebagaimana

baja pengerjaan panas kromium, baja ini juga dapat diperkeras melalui pendinginan

udara. Meskipun demikian baja ini umumnya diperkeras dengan oil quenching untuk

menghindari terjadinya scaling (pengelupasan).

Adapun yang termasuk kedalam baja pengerjaan panas tungsten adalah baja AISI

H21 hingga AISI H26. Komposisi unsur pemadu utama baja ini hampir sama dengan

baja perkakas kecepatan tinggi (high speed steel), tetapi dengan kandungan karbon

yang lebih rendah. Selain itu baja ini juga memiliki ketangguhan yang lebih tinggi

daripada baja perkakas kecepatan tinggi.

Tabel 2.12 Komposisi Kimia Tungsten Hot Work Tool Steel (1)

Komposisi (%) AISI


H21 0,26-0,36 0,15-

0,4

0,15-

0,5

3-3,75 0,3 max …… 8.5-10 0,3-

0,6

…….

H22 0,30-0,40 0,15-

0,4

0,15-

0,4

1,75-3,75 0,3 max ….. 10-

11,75

0,25-

0,5

…….

H23 0,25-0,35 0,15-

0,4

0,15-

0,6

11-12,75 0,3 max ….. 11-

12,75

0,75-

1,25

…….

H24 0,42-0,53 0,15-

0,4

0,15-

0,4

2,5-3,5 0,3 max …… 14-16 0,4-

0,6

…….

H25 0,22-0,32 0,15-

0,4

0,15-

0,4

3,75-4,5 0,3 max ….. 14-16 0,4-

0,6

…….

H26 0,45-0,55 0,15-

0,4

0,15-

0,4

3,75-4,5 0,3 max …... 17,25-

19

0,75-

1,25

……


2.4.3 Baja Pengerjaan Panas Molybdenum (molybdenum hot work tool steel)

Dua jenis baja pengerjaan panas molybdenum yang paling banyak digunakan saat ini

adalah baja AISI H42 dan AISI H43. Adapun unsur-unsur pemadu utamanya adalah

karbon, molybdenum, kromium, dan vanadium. Baja pengerjaan panas molybdenum

memiliki properti yang hampir sama dengan baja pengerjaan panas kecepatan tinggi

(high speed tool steel) pada jumlah tungsten yang sama (Weq).

Tabel 2.13 Komposisi Kimia Molybdenum Hot Work Tool Steel (1)

Komposisi (%) AISI


H42 0,55-0,7 0,15-0,4 …… 3,75-4,5 0,3 max 4,5-

5,5

5,5-6,75 1,75-

2,2

…….

Baja pengerjaan panas kromium dan molybdenum memiliki hardenabilitas yang

sangat tinggi. Hal ini disebabkan karena kandusngan kromiumnya yang cukup tinggi.

Sementara tungsten memiliki pengaruh yang kecil terhadap hardenabilitas,

sedangkan vanadium akan menurunkan hardenabilitas baja melalui pembentukan

karbida vanadium yang stabil. Kandungan silikon yang tinggi pada baja pengerjaan

panas kromium dan molybdenum akan meningkatkan ketahanan terhadap oksidasi.

2.5 PERLAKUAN PANAS PADA BAJA PERKAKAS PENGERJAAN PANAS

Baja perkakas pengerjaan panas dikembangkan untuk aplikasi-aplikasi yang

membutuhkan kombinasi ketahanan terhadap panas, tekanan, dan abrasi yang tinggi

(1). Ketahanan terhadap panas, tekanan, dan abrasi sangat berkaitan erat dengan sifat-

sifat mekanik seperti kekerasan, ketahanan aus, dan ketangguhan. Oleh karena itu,

perlakuan panas pada baja perkakas pengerjaan panas, khususnya baja perkakas

pengerjaan panas untuk aplikasi pemotongan, pada umumnya bertujuan untuk

menghasilkan kombinasi kekerasan, ketahanan aus, dan ketangguhan yang optimal.

Kekerasan yang tinggi diperoleh melalui transformasi fasa austenit menjadi martensit



sedangkan ketangguhan dikontrol melalui proses tempering fasa martensit.

Perlakuan panas untuk menghasilkan fasa martensit terdiri atas tiga tahap utama,

yaitu pemanasan menuju temperatur austenitisasi, austenitisasi, dan pendinginan

(cooling) atau quenching. Pemanasan menuju temperatur austenitisasi biasanya

didahului dengan preheating. Preheating bertujuan untuk menghindari terjadinya

thermal shock yang dapat menyebabkan crack karena perubahan temperatur yang

drastis. Selain itu baja perkakas akan mengalami perubahan volume ketika

transformasi struktur mikro dari kondisi annealed ke kondisi pada temperatur tinggi

(austenitisasi). Apabila perubahan volume tidak berlangsung secara seragam pada

setiap bagian, maka hal ini dapat menyebabkan terjadinya distorsi yang tidak

diperlukan khususnya ketika perbedaan terjadi pada bagian yang mendingin sebelum

bagian lain mencapai temperatur yang dibutuhkan. Preheating pada baja perkakas

pengerjaan panas biasanya dilakukan pada temperatur 600-850 oC selama 3/4 jam

untuk setiap ketebalan satu inci. Proses pemanasan dilakukan selambat mungkin.

Ketika austenit terbentuk, unsur-unsur pemadu dan karbon akan mengalami partisi

didalam austenit dan karbida. Saat karbida larut, austenit akan menjadi kaya dengan

karbon dan kandungan unsur-unsur pemadu. Austenitisasi baja perkakas pengerjaan

panas dirancang untuk menghasilkan spheroidized carbide dalam jumlah yang cukup

signifikan. Tujuannya tidak lain adalah agar dihasilkan austenit dengan komposisi

yang optimal, meningkatkan ketahanan aus, dan mencegah terjadinya pengkasaran

dan pertumbuhan butiran yang tidak normal selama berlangsungnya proses

austenitisasi.

Hardenabilitas baja perkakas pengerjaan panas sangat tinggi sehingga bisa diperkeras

(di-hardening) melalui pendinginan udara. Transformasi austenit menjadi martensit

mulai terjadi pada temperatur pembentukan awal martensit (Ms). Semakin tinggi

kandungan karbon dan unsur pemadu austenit, maka temperatur Ms akan semakin

rendah. Hal ini akan mengakibatkan jumlah martensit yang terbentuk pada

temperatur kamar juga semakin sedikit. Oleh karena itu, jika austenit yang terbentuk

pada saat proses austenitisasi mengandung unsur pemadu yang sangat tinggi maka

jumlah austenit sisa yang terbentuk pada temperatur kamar akan semakin banyak.

Dengan semakin banyaknya austenit sisa akan mengakibatkan kekerasan baja pada

kondisi hardened lebih rendah dari kekerasan maksimal yang bisa diperoleh jika

transformasi austenit menjadi martensit berlangsung secara sempurna.

2.6 BAJA PERKAKAS AISI H13

Baja perkakas AISI H13 merupakan salah satu baja perkakas pengerjaan panas yang

paling sering digunakan. Baja ini memiliki kombinasi kekuatan, ketahanan aus, dan

ketangguhan yang sangat baik.

Baja perkakas AISI H13 banyak digunakan sebagai dies untuk pengerjaan panas

logam (shearing, forming, punching, extruding dan trimming) dan mandrels. Selain

itu baja AISI H13 juga digunakan pada aplikasi struktural yang membutuhkan

kekuatan pada temperatur tinggi.

Gambar 2.8 Beberapa Aplikasi Baja AISI H13 (18)



Tabel 2.14 Tingkat Kekerasan Untuk Beberapa Aplikasi Baja AISI H13 (30, 31)

Perkakas untuk Die Casting Kekerasan (HRC) Komponen

Paduan seng, timbal, dan

timah

Paduan aluminium dan

magnesium

Dies 46-50 42-48

Fixed insert core 46-52 44-48

Sprue part 48-52 46-48

Nozzle 35-42 42-48

Ejector pin 46-50 46-50

Plunger 42-46 42-48

Perkakas untuk Extrusion

Kekerasan (HRC) Komponen

Paduan

tembaga

Paduan aluminium dan

magnesium

Stainless

Steel

Die 43-47 44-50 45-50

Backer, die holder,

liner, dummy block, stem

40-48 41-50 40-48

Perkakas untuk Hot Pressing

Material Kekerasan (HRC)

Aluminium, Magnesium 44-52

Paduan tembaga 44-52

Baja 40-50

Aplikasi Lain

Aplikasi Kekerasan (HRC)

Punching, scrap shear 50-52

Hot shearing 45-50

Shrink ring 45-50

Wear resisting part 50-52


2.6.1 Perlakuan Panas Pada Baja AISI H13

Seperti baja-baja lainnya, baja AISI H13 juga memerlukan perlakuan panas untuk

memperbaiki sifat-sifat mekanik dan fisiknya. Perlakuan panas yang umum

diterapkan pada baja AISI H13 menurut ASM International 2002 terdiri atas

annealing, stress relieving, preheating, austenitizing, dan tempering.

1. Annealing

Pemanasan pada perlakuan panas annealing harus dilakukan dengan lambat dan

seragam untuk mencegah terjadinya retakan, khususnya annealing pada baja

AISI H13 yang telah diperkeras. Pendinginan dari temperatur annealing biasanya

dilakukan dengan furnace cooling hingga temperatur 425 oC, setelah itu

didinginkan ke temperatur kamar melalui pendinginan udara (air cooling). Laju

pendinginan maksimum adalah 22 oC per jam.

2. Stress Relieving

Stress relieving berguna untuk menghilangkan tegangan sisa pada baja AISI H13

yang telah mengalami proses permesinan kasar (rough machining) dan

mengurangi terjadinya distorsi pada saat hardening. Caranya adalah dengan

memanaskan baja hingga temperatur 650-730 oC dengan waktu tahan sekitar 2

jam. Kemudian setelah itu didinginkan perlahan hingga mencapai 500 oC lalu

didinginkan pada udara bebas.

3. Preheating

Preheating bertujuan untuk menghindari terjadinya thermal shock yang dapat

menyebabkan crack karena perubahan temperatur yang drastis. Preheating pada

baja AISI H13 biasanya dilakukan sebanyak dua tahap (5) pada temperatur 600-

850 oC. Selama berlangsungnya preheating baja harus dilindungi dari

dekarburisasi dengan cara mengalirkan gas inert seperti argon.

4. Austenitisasi

Austenitisasi baja AISI H13 dilakukan pada temperatur 1000-1080 oC dengan

waktu tahan 15-45 menit. Selama berlangsungnya proses austenitisasi baja harus

dilindungi dari karburasi dan dekarburisasi. Karburasi dapat menyebabkan

terjadinya heat checking sedangkan dekarburisasi akan menurunkan kekuatan

baja.

5. Tempering

Baja perkakas pengerjaan panas seperti AISI H13 harus ditemper secepat

mungkin setelah quenching atau pendinginan udara karena baja kelompok ini

sensitif terhadap retakan apabila disimpan terlalu lama sebelum tempering.

Multiple tempering biasa dilakukan pada baja AISI H13 untuk mengurangi

retakan akibat tegangan yang timbul setelah hardening. Selain itu multiple

tempering juga berguna untuk mentransformasikan austenit sisa yang masih

muncul setelah tempering pertama menjadi tempered martensit.

Siklus perlakuan panas pada baja AISI H13 dapat dilihat pada gambar 2.9 berikut ini.

(a)


(b)

Gambar 2.9 Tahapan Proses Produksi Baja Perkakas, a) Proses Termomekanik b)

Perlakuan Panas Hardening dan Tempering (1)

2.7 KEKERASAN DAN KETANGGUHAN

2.7.1 Kekerasan

Kekerasan adalah sifat mekanis material yang merupakan ukuran ketahanan material

terhadap deformasi permanen akibat adanya beban tekan (8). Uji kekerasan dilakukan

dengan cara penekanan material yang diuji dengan menggunakan sebuah indentor

(berbentuk bola atau limas) yang memiliki kekerasan lebih tinggi daripada material

yang diuji. Dari hasil penekanan tersebut akan diperoleh jejak deformasi yang

memiliki kedalaman, diameter, atau diagonal tertentu. Dari data tersebut kemudian

nilai kekerasan bisa diukur dengan menggunakan beberapa metoda pengujian

kekerasan.

Beberapa metoda pengujian kekerasan yang paling sering digunakan diantaranya



adalah uji kekerasan Brinnel, uji kekerasan Vickers, dan uji kekerasan Rockwell. Uji

kekerasan Brinnel dilakukan dengan menggunakan indentor berbentuk peluru baja

dengan diameter tertentu (missal 5 mm atau 10 mm). Angka kekerasan dinyatakan

dalam BHN (brinnel hardness number). Penjelasan lebih lengkap mengenai uji

kekerasan Brinnel dapat dilihat pada BS 240 (1986) dan ASTM E 10-84. Uji

kekerasan Rockwell merupakan salah satu uji kekerasan yang paling cepat. Standar

yang digunakan adalah BS 891 (1989) dan ASTM 18-89a. Angka kekerasan diukur

berdasarkan kedalaman relatif terhadap hasil suatu hasil penekanan dengan indentor.

Indentor yang biasa digunakan adalah kerucut intan dan bola baja yang diperkeras.

Sedangkan uji kekerasan Vickers dilakukan dengan menggunakan indentor berbentuk

prisma yang terbuat dari intan dengan sudut 136o. Indentor dengan beban statik

ditekankan pada permukaan material yang diuji selama 10 sampai 15 detik. Standar

yang digunakan biasanya mengacu pada BS 427 bagian 1 (1981) dan ASTM E 92-

82.

2.7.2 Ketangguhan

Ketangguhan adalah suatu kemampuan logam untuk menyerap energi deformasi

plastis. Sifat ini penting untuk mengetahui bagian komponen atau konstruksi yang

terbuat dari logam yang harus menerima beban atau tegangan yang melebihi batas

elastisnya. Ketangguhan dinyatakan sebagai seluruh luas daerah dibawah kurva

tegangan-regangan, atau energi yang diserap atau dibutuhkan oleh logam untuk patah

akibat adanya tegangan luar statis.

Harga ketangguhan sebuah material diperoleh melalui pengujian ketangguhan, atau

yang biasa disebut impact test. Apabila uji kekerasan merupakan pengujian untuk

menentukan sifat statis dari material, maka uji ketangguhan dilakukan untuk

mendapatkan gambaran sifat material yang berkaitan dengan pembebanan yang tiba-

tiba. Meskipun kurva tegangan-regangan hasil uji tarik dapat dihasilkan sifat

ketangguhan material logam, namun dengan uji impak akan diperoleh gambaran sifat

ketangguhan yang lebih nyata.


Charpy test merupakan salah satu metode pengujian impak yang paling banyak

dipakai. Batang uji umumnya diberi takik (notch), seperti ditunjukkan pada Gambar

2.10. Pada bagian belakang takik akan dikenakan beban tiba-tiba dengan sebuah

pendulum hingga spesimen patah.

Bila masa pendulum diketahui yaitu m dan berada pada ketinggian h0 sebelum

pendulum dilepaskan maka energi potensialnya adalah mgh0. Bila kemudian

pendulum dilepaskan dan mematahkan batang uji, maka dengan sebagian dari energi

potensial digunakan untuk mematahkan batang uji hingga pendulum hanya akan

mengayun pada ketinggian maksimum hf. Pada titik ayun maksimum ini energi

potensialnya adalah mghf. Perbedaan energi potensial (mgh0 – mghf) adalah energi

yang diserap oleh spesimen untuk mematahkannya yang dikenal sebagai energi

impak. Semakin besar perbedaan energi tersebut atau energi yang diserap, maka

dikatakan material memiliki ketangguhan yang semakin besar.

Gambar 2.10 Uji Impak Charpy (12)


bab ii tinjauan pustaka - · pdf file2.1.3.6 tempering tempering adalah perlakuan panas yang...

Documents