158

BAB VI DASAR – DASAR PERLAKUAN PANAS PADA BAJA KARBON

6.1. BESI DAN PROSES TRANSFORMASINYA

Besi merupakan salah satu jenis logam yang sangat penting dan merupakan logam dasar

pembentuk baja yang merupakan salah satu material teknik yang sangat populer dewasa ini. Sifat

alotropik dari bersilah yang menyebabkan timbulnya variasi struktur mikro pada berbagai jenis

baja. Disamping itu, besi merupakan pelarut yang sangat baik bagi beberapa jenis logam lain.

Pengertian alotropik adalah adanya transformasi dari satu bentuk susunan atom (sel satuan) ke

bentuk susunan atom yang lain. Besi sangat stabil pada temperatur dibawah 9100C dan disebut

sebagai besi alfa (Fe ∝ ). Pada temperatur antara 910 dan 13920C besi dikenal dengan istilah besi

gamma (Fe ϒ ) dan pada temperatur diatas 13920C disebut besi delta (Fe δ ).

Gambar 6.1 Kisi Kristal pada besi (BCC)

159

Gambar 6.2 Kurva Pendinginan untuk Besi murni

Adanya fenomena alotropi dari besi merupakan suatu hal yang sangat penting dan mencakup dua

bentuk susunan atom. Pada temperatur dibawah 9100C susunan atomnya mengambil bentuk

Kubus Pusat Badan (KBP atau BCC) seperti terlihat pada gambar 6.6. mulai temperatur 9100C

akan terjadi perubahan susunan atom. Temperatur ini dikenal dengan sebutan titik A3 seperti

terlihat pada gambar 6.2. Diatas temperatur tersebut susunanya mengambil bentu kubus pusat

muka (KPM atau FCC) seperti terlihat pada gambar 6.3. Jika proses pemanasan dilanjutkan,

bentuk susunan atomnya pada temperatur 13920C berubah kembali menjadi KPB lagi dan dikenal

dengan sebutan besi delta. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan getaran atom semakin besar

sehingga pada temperatur 15360C gaya kohesif yang memelihara susunan atom tersebut tidak ada

600

800

1200

1000

1400

1600 1536 oC

1392 oC

AC3

AC2 723 oC

Molten Iron

Delta Phase

Gamma Phase (austenite)

910 oC

Alpha Phase Non-magnetic

Alpha Phase Magnetic

Time

Tem

pera

tur

(o C)

160

lagi dan besi menjadi cair. Pada saat mebekukan besi cair ke temperatur kamar, maka akan terjadi

transformasi yang urutanya kebalikan dari proses pemanasan.

Gambar 6.3. Kisi Kristal Besi (FCC)

Pada temperatur kamar besi bersifat feromagnetik; sifat magnetiknya menurun dengan

meningkatnya temperatur dan hilang samasekali pada temperatur 7690C yang umum dikenal

sebagai titik A2 atau titik currie (lihat gambar 6.2).

Gambar 6.2. menggambarkan kurva pendinginan dengan titik-titik kritiknya pada temperatur :

769 (Titik A2), 910 (Titik A3), 1392 (Titik A4) dan 15360C sebagai titik cair dari besi murni. Titik

yang lain adalah titik A1 terletak pada temperature 7230C dan hanya tampak jika besi dipadu

dengan karbon atau logam-logam lain.

Perubahan susunan atom yang terjadi pada saat pemanasan atau pendinginan ditabelkan pada

tabel 6.6. disamping itu, table tersebut mendata juga temperature – temperature (disebut sebagai

titik kritik) dimana terjadi perubahan fasa pada besi dan paduannya.

Penambahan unsur paduan pada besi, khususnya karbon, memungkinkan membuat berbagai jenis

baja yang jika dikombinasikan dengan berbagai jenis metoda perlakuan panas akan menghasilkan

sifat-sifat yang memadai untuk penggunaan yang tertentu.

161

Tabel 6.1 Perubahan susunan atom yang terjadi pada saat pemanasan atau pendinginan

On heating On cooling

Stable Lattice Temperature

range 0C

Stable Lattice Temperature range 0C

Body-centered

cubic alpha iron

Face-centered

cubic gamma

iron

Body-centered

cubic delta iron

≤ 910

9:0-1392

1392-1536

Body-cebtered cubic

alpha iron

Face-centered cubic

gamma iron

Body-centered cubic

delta iron

1536-1392

1392-898

< 898

6.2. DIAGRAM FASA BESI KARBON

Kegunaan dari baja sangat tergantung pada sifat-sifatnya yang sangat bervariasi yang diperoleh

melalui pemaduan dan penerapan proses perlakuan panas. Sifat mekanik dari baja sangat

tergantung pada struktur mikronya. Sedangkan struktur mikro sangat mudah diubah melalui

proses perlakuan panas.

Beberapa jenis baja memiliki sifat-sifat yang tertentu sebagai akibat penambhan unsure paduan.

Salah satu unsur paduan yang sangat penting yang dapat mengontrol sifat baja adalah karbon( C).

Jika besi dipadu dengan karbon, transformasi yang terjadi pada rentang temperature tertentu erat

kaiatannya dengan kandungan karbon. Berdasarkan hasil pemaduan antara besi dengan karbon,

karbon berada di dalam besi dapat berbentuk larutan atau berkombinasi dengan besi membentuk

karbida besi (Fe3C). Diagram yang menampilkan hubungan antara temperature dimana terjadi

yang menampilkan hubungan antara temperature dimana terjadi perubahan fasa selama proses

pendinginan dan pemanasan yang lambat. Dengan kadar karbon tersebut diagram fasa, diagram

ini akan merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi-operasi perlakuan panas. Gambar 6.4

menggambarkan diagram fasa besi karbon untuk seluruh rentang paduan besi dengan karbon

yang mencakup baja dan besi cor. Kadar karbonnya pada diagram tersebut bervariasi dari nol

sampai 6,67 %

162

Gambar 6.5 menggambarkan jenis-jenis struktur mikro yang ada di setiap bagian pada diagram

fasa besi-karbon yang kerap muncul pada setiap pembahasan proses perlakuan panas pada baja.

Gambar 6.4. Thermal equilibrium diagram for iron-iron carbida alloys

163

Gambar 6.5. Steel Portion of Iron-carbon equilibrium diagram

Baja adalah paduan besi dengan karbon sampai sekitar 1,7 % (maksimum). Paduan besi dengan

karbon diatas 1,7 % disebut besi cor (Cast Iron).

Karbon adalah unsure penyetabil austenit. Kelarutan maksimum dari karbon pada austenit adalah

sekitar 1,7 % (E ) pada 11400C sedangkan kelarutan karbon pada ferit naik dari 0 5 pada 9100

menjadi 0,025 % pada 723 OC. Pada pendinginan lanjut, kelarutan karbon pada ferit menurun

menjadi 0,08 % pada temperature kamar (lihat gambar 6.6).

Seperti ditunjukan oleh garis GS pada gambar 6.5, tampak bahwa jika kadar karbon meningkat

maka transformasi austenit menjadi ferit akan menurun dan akan mencapai minimum pada titik S

yaitu pada saat prosentase karbon mencapai 0,8 pada temperature 723OC. Titik ini biasa disebut

sebagai titik eutektoid. Komposisi eutektoid dari baja merupakan titik rujukan untuk

mengklarifikasikan baja. Baja dengan kadar karbon 0,8 % disebut baja eutektoid. Sedangkan baja

164

dengan kadar karbon kurang dari 0,8 % disebut baja hypoeutextoid. Baja hypoeutextoid adalah

baja-baja dengan kadar karbon lebih dari 0,8 %. Titik-titik kritik sepanjang garis GS disebut

sebagai garis A3 sedangkan titik-titik kritik sepanjang garis PSK disebut sebagai garis A6. Dengan

demikian, setiap titik pada garis GS dan Se menyatakan temperatur dimana transformasi dari

austenit dimulai baik pada saat dipanaskan maupun ada saat didinginkan.

Gambar 6.6. Solubility of Carbon in alpha iron

165

Jika baja eutektoid (0,8 % C) didinginkan dari temperatur austenitisasinya, maka pada saat

mencapai titik-titik sepanjang garis tersebut akan bertransformasi menjadi suatu campuran

eutektoid yang disebut Perlit. Jika baja hypoeutektoid didinginkan dari temperatur

austenitisasinya, pada saat mencapai garis GS, ferit akan terbentuk disepanjang batas butir

austenit. Sebagai contoh, baja karbon dengan kadar karbon 0,4 %, jika didinginkan dari

temperatur austentisasinya (titik a pada gambar 6.7) pada sat mencapai titik b, transformasi akan

dimulai.

Gambar 6.7. Schematic representations of the microstructural change which occur during slow

cooling of 0.4% C “steel” (a). Formation of austenite (gamma-γ ) (b). Formation of a grain at γ grain boundaries. (c). Growth of ferrite-α at grain boundaries.

Pada titik ini, pengintaian ferit akan terjadi di batas butir austenit dan mulai saat itu, paduan Fe –

C memasuki daerah dua fasa. Jika pendinginan yang lambat tersebut diteruskan ke titik C ferit

166

akan tumbuh. Pada 723 0C, struktur baja di titik C terdiri dari austenit (0,8 % C ) dan ferit 90,025

% C). Karena kelarutan karbon di ferit sangat rendah, maka pada saat pertumbuhan ferit akan

disertai “pembuangan” karbon ke austenit yang masih tersisa sehingga fasa austenit menjadi

semakin kaya dengan karbon. Pendinginan lanjut dari baja tersebut, pada saat melalui temperatur

eutekoidnya (pada titik d), austenit yang tersisa akan bertransformasi menjadi suatu campuran

ferit dan semenit yang berbentuk lamelar (serpih). Dengan demikian baja dengan kadar karbon

0,4 % pada titik d akan terdiri dari ferit dan perlit. Perbandingan ferit terhadap perlit sama dengan

perbandingan ferit terhadap austenit di titik c. Pendinginan lebih lanjut sampai ke temperatur

kamar tidak mempengaruhi struktur mikro yang sudah ada. Pada saat dipanaskan akan terjadi

transformasi yang berlangsung kebalikannya dari apa-apa yang telah diuraikan diatas.

Jumlah perlit yang ada pada setiap jenis baja sangat tergantung pada kadar karbonya. Sebagai

contoh, baja dengan 0,2 %C akan memiliki sekitar 25 5 perlit, sedangkan baja dengan 0,4 %C

akan memiliki sekitar 50 %. Struktur mikro dari baja hypoeutektoid hasil dari proses pendinginan

yang lambat, ditunjukkan pada gambar 6.8.

Gambar 6.8. Microstructure of hypoeutectoid steels ( dark areas represent pearlite structure and

white areas represent austenite structure

167

Jika baja hypereutektoid (lebih dari 0,8 % C ) didinginkan dari temperatur austenitisasinya, akan

terjadi pemisahan semenit pada batas butir austenit disepanjang garis SE (lihat gambar 6.9).

Gambar 6.9. Diagrammatic representation of tranformation phenomena when cooling an iron-

carbon alloy with 6.2% C. Sebagai contoh, jika baja dengan 1,2 % C diaustenisasi dan didinginkan perlahan-lahan dari titik

g, pada saat mencapai titik h akan terjadi pemisahan semenit. Dengan adanya pembentukan

semenit, karbon di austenit akan berkurang dan penurunan kadar karbon tersebut terus berlanjut

sammpai mendekati temperatur 7230C. Pada titik I, struktur baja akan terdiri dari campuran

austenit (0,8 % C) dan semenit (6,67 %C) dimana semenitnya terbentuk di sepanjang batas butir

austenit. Pendinginan lebih lanjut dari baja tersebut melalui temperatur eutektoidnya (pada titik j)

akan mengubah seluruh austenit yang masih tersisa menjadi perlit. Dengan demikian setelah titik

j, struktur baja0,2 % C akan terdiri dari perlit dan sementit di bats butir perlit. Pendinginan lanjut

sampai ke temperatur kamar tidak akan mengubah struktur mikro yang sudah ada. Struktur mikro

dari baja-baja hypereutektoid hasil pendinginan yang lambat ditunjukan pada gambar 6.10.

168

Gambar 6.10. Microstucture of pearlite and simentite (dark areas are pearlite and white areas cimentite)

Berdasarkan penjelasan seperti diatas, struktur baja karbon (tergantung pada kadar c-nya) hasil

pendinginan yang lambat pada temperatur kamar akan terdiri dari :

6. Untuk 0,007 – 0,025 % C, ferit

2. Untuk 0,025 – 0,8 % C, ferit dan perlit

3. Untuk 0,8 – 1,7 % C, perlit dan sememtit

4. Untuk 1,7 – 4,2 % C, perlit dan grafit (dengan perlakuan khusus)

Dengan bantuan diagram fasa Fe-C, dimungkinkan untuk memilih temperatur pemansan yang

sesuai untuk setiap proses perlakuan panas baik proses anil, normal maupun proses pengerasan.

Temperatur-temperatur dimana terjadi perubahan fasa padat ke fasa padat yang lain pada diagram

fasa Fe-C disebut titik-titik

6.2.1. Pengaruh Unsur Paduan Terhadap Diagram Fasa Fe - C

Penambahan unsur-unsur paduan terhadap paduan Fe-C akan berpengaruh terhadap batas-batas

fasa sedemikian sehingga rentang transformasinya dapat menjadi kecil atau besar. Gambar 6.11

memperlihatkan adanya perubahan terhadap temperatur eutektoid akibat adanya peningkatan

unsur-unsur paduan. Secara umum, adanya unsur paduan meningkatkan temperatur eutektoid

kecuali Ni dan Mn.

169

Gambar 6.16. Influence of alloying elemen on eutectoid temperature

Gambar 6.12. Influence of alloying elemen addition on eutectoid carbon content

Gambar 6.12 menunjukkan bahwa penambhan unsur-unsur paduan menurunkan juga prosentase

karbon pada komposisi eutektoidnya.

170

6.3. DIAGRAM TTT

Maksud utama dari proses perlakuan panas terhadap baja adalah agar diperoleh struktur yang

diinginkan supaya cocok dengan penggunaan yang direncanakan. Struktur tersebut dapat

diperkirakan dengan cara menerapkan proses perlakuan panas yang spesifik. Struktur yang

diperoleh merupakan hasi dari proses transformasi dari kondisi sebelumnya (awal). Beberapa

proses transformasi dapat dibaca melalui diagram fasa. Diagram fasa Fe-C dapat digunakan

untuk memperkirakan beberapa kondisi transformasi tetapi untuk kondisi tidak seimbang, tidak

dapat menggunakan diagram fasa. Dengan demikian untuk setiap kondisi transformasi lebih baik

menggunakan diagram TTT (Time-Temperature-Transformation). Diagram ini menghubungkan

transformasi austenit terhadap waktu dan temperatur. Nama lain dari diagram ini adalah diagram

S atau diagram C. Melalui diagram ini, dapat dipelajari kelakuan baja pada setiap tahap perlakuan

panas. Diagram ini dapat juga digunakan untuk memperkirakan struktur dan sifat mekanik dari

baja yang diquench (disepuh) dari temperatur austentisasinya ke suatu temperatur dibawah A6.

Gambar 6.15. (a). Isothermal tranformation diagram for 1 % carbon steel.

171

Pengaruh laju pendinginan pada transformasi austenit dapat diuraikan melalui penggunaan

diagram TTT untuk jenis baja tertentu. Sebagai contoh, Gambar 6.15 menggambarkan diagram

TTT untuk baja dengan kadar karbon 1 %. Pada diagram ini, sumbu tegak menyatakan

temperatur sedangkan sumbu mendatar menyatakan waktu yang diplot dalam skala logaritmik.

Diagram ini merupakan ringkasan dari beberapa jenis struktur mikro yang diperoleh dari

rangkaian percobaan yang dilakukan pada spesimen yang kecil yang dipanaskan pada temperatur

austenisasinya, kemudian diquench pada temperatur tertentu dibawah titik eutektoid A1 untuk

jangka waktu yang tertentu pula sampai seluruh austenit bertransformasi. Proses transformasi dari

austenit pada baja yang bersangkutan diamati dan dipelajari dengan menggunakan mikroskop.

Produk yang diperoleh dari transformasi austenit dapat dikelompokan kedalam tiga kelompok.

Pada rentang temperatur antara A1 sampai kira-kira 550OC akan terbentuk perlit. Tetapi perlit

yang terbentuk pada temperatur 700OC akan lebih kasar; sedangkan perlit yang terbentuk pada

temperatur sekitar 550OC akan lebih halus. Dibawah temperatur ini, yaitu sekitar 450OC akan

terbentuk upper bainite dan pada temperatur sekitar 250OC; yaitu sedikit diatas Ms akan

terbentuk lower banite. Harga kekerasan dari struktur-struktur tersebut diatas dapat dibaca pada

skala yang terdapat disebelah kanan kurva.

Pada diagram TTT; kurva B menyatakan awal dari transformasi austenit, sedangkan kurva E

menyatakan waktu yang diperlukan untuk mentransformasikan seluruh austenit. Daerah disebelah

kiri kurva B menyatakan periode inkubasi dimana transformasi dari austenit belum dimulai.

Terlihat bahwa proses transformasi yang paling cepat terjadi pada temperatur sekitar 550OC;

dimana awal transformasi dapat berlangsung kurang dari satu detik. Dan dalam waktu 5 detik

seluruh fasa austenit sudah bertransformasi. Hal ini menunjukan bahwa laju pendinginan untuk

memperoleh martensit atai Bainit harus cepat, dan ini hanya terjadi dengan jalan dicelup ke

dalam air (diquench).

Perlit yang terbentuk pada temperatur yang lebih tinggi memiliki kekerasan yang lebih rendah

dibanding perlit yang halus. Hal ini erat kaitannya dengan kelakuan presipitasi semenit dari

austenit.

Bainit yang terbentuk pada temperatur yang lebih tinggi memiliki kekerasan yang lebih rendah

dibanding dengan Bainit yang terbentuk pada temperatur yang lebih rendah. Struktur Bainit yang

172

terbentuk pada temperatur yang lebih tinggi relaif berbeda dengan struktur bainit yang terbentuk

pada temperatur yang lebih rendah.

Pembentukan Martensit sangat berbeda dibandingkan dengan pembentukan perlit atau bainit.

Pembentukan martensit hampir tidak tergantung pada waktu. Sebagai contoh : Martensit mulai

berbentuk sekitar 200OC (Ms) dan terus berlanjut sampai temperatur mencapai 29OC yaitu pada

saat Martensit mencapai 100 % (Mf). Pembentukan Martensit dikaitkan dengan waktu pada

diagram dinyatakan dengan garis horisontal. Pada 99OC hampir 90% Martensit telah terbentuk.

Perbandingan ini tidak berubah terhadap waktu sepanjang temperaturnya dijaga kosntan.

Gambar 6.15 b menggambarkan penerapan perlakuan panas isotermal untuk berbagai jenis

perlakuan panas; seperti anil, patenting, hardening dan sebagainnya.

Gambar 6.15. (b). Isothermal TTT diagram and methode of heat treatment

173

6.3.6. PENGARUH UNSUR-UNSUR PADUAN :

Bentuk dari kurva S dan C dipengaruhi oleh komposisi kimia baja. Hampir semua unsur paduan,

kecuali Co, Ti dan Ai menggeserkan kurva diagram transformasi isotermal kesebelah kanan; dan

ini berarti memperlambat awal transformasi dan menurunkan laju reaksi.

Peningkatan kadar C sampai dengan titik eutektoid memperlambat reaksi transformasi ke perlit :

tetapi setiap peningkatan lebih lanjut dari kadar C akan memperpendek waktu inkubasi dan

mempercepat laju reaksi. Besar kecilnya pengaruh unsur paduan terhadap transformasi isotermal

dari baja sangat tergantung pada jenis unsur paduannya. Sebagai contoh : Ni dan Mn dan Cr

sangat memperlambat transformasi ke perlit tetapi relatif sedikit pengaruhnya terhadap Bainit.

Unsur-unsur paduan tersebut juga meningkatkan awal terbentuknya perlit dan menurunkan

transformasi ke Bainit. Pengaruh unsur paduan seperti tersebut diatas akan menghasilkan diagram

TTT yang memiliki daerah austenit diantara dua zone reaksi (lihat gambar 6.16) seperti terlihat

pada baja-baja perkakas seperti HSS, baja hot-worked dan cold-worked.

Gambar 6.16. Isothermal TTT curve of AISI H13

174

6.3.2. TRANSFORMASI PADA PENDINGINAN YANG KONTINYU

Informasi dari diagram TTT secara kuantitatif hanya berlaku untuk transformasi isotermal pada

temperatur konstan. Dalam praktek, diagram TTT jarang digunakan karena pada kondisi

perlakuan panas yang sebenarnya, proses transformasi terjadi pada proses pendinginan yang

kontinyu. Karena itu diagram TTT perlu dimodifikasi agar dapat digunakan pada proses

pendinginan yang kontinyu.

Diagram pendinginan yang kontinyu (diagram CCt; continous cooling transformation) mirip

dengan diagram isotermal (diagram IT). Gambar 6.17 menunjukan suatu diagram yang

dimodifikasi dan menampilkan baik kurva isotermal maupun kurva pendinginan kontinyu (lihat

juga gambar 6.18 dan 6.19).

Gambar 6.17. Variation of microstructure as function of cooling rate of eutectoid steel.

175

Gambar 6.18. Contimous cooling TTT curve of BS780 M40

Gambar 6.19. Contimous cooling TTT curve of AISI H13.

176

Sebagai contoh : pada gambar 6.17, kurva B menyatakan spesimen B didinginkan dengan laju

pendinginan yang lambat seperti pada proses anil. Kurva tersebut memotong kurva transformasi

dari diagram TTT di B1 dan B2. Jika temperatur baja mencapai B1 maka transformasi ke perlit

akan dimulai dan jika temperaturnya mencapai B2, seluruh austenit sudah bertransformasi ke

perlit. Perlu diketahui bahwa perlit yang terbentuk sekitar B1 akan lebih kasar dibanding perlit

yang terbentuk sekitar titik B2.

Kurva C menyatakan laju pendinginan yang agak cepat seperti terjadi pada proses penormalan

(normalizing). Kurva tersebut memotong kurva transformasi di titik C1 dan C2. Jika temperatur

baja mencapai C1, transformasi ke perlit akan dimulai dan lebih halus dibanding dengan perlit

yang terbentuk di B6. Pada saat mencapai titik C2 transformasi ke perlit sudah selesai. Perlit yang

terbentuk menjelang C2 lebih halus lagi karena terbentuk pada temperatur yang lebih rendah.

Kurva D menyatakan laju pendinginan yang relatif lebih cepat dari sebelumnya. Kurva tersebut

memotong kurva awal transformasi di titik D1 dan tidak memotong kurva yang menyatakan akhir

transformasi. Ini berarti bahwa transformasi ke perlit dapat berlangsung tetapi tidak akan seluruh

austenit bertransformasi ke perlit. Dengan perkataan lain, sejumlah volume tertentu dari austenit

pada temperatur yang lebih tinggi akan bertransformasi ke perlit tetapi karena waktu yang

tersedia tidak memungkinkan untuk terjadinya transformasi secara menyeluruh. Maka volume

austenit yang masih tersisa pada saat temperaturnya mencapai Ms di titik D2 akan

bertransformasi ke Martensit. Jadi baja yang didinginkan dengan laju pendinginan seperti itu,

sebagian strukturnya adalah struktur yang keras (martensit).

Kurva G menyatkan laju pendinginan yang sangat cepat, yang dapat diperoleh dengan cara

mencelupkan benda keraja ke dalam suatu medium pendingin (diquench). Baja yang didinginkan

seperti itu tidak akan mengalami proses transformasi kecuali pada saat mencapai G6. Pada

temperatur tersebut austenit mulai bertransformasi ke martensit. Gambar 6.18 dan 6.19

menggambarkan kurva CCt untuk BS 708M40 dan AISI H13.

6.4. STRUKTUR METALOGRAFI DAN KAITANNYA DENGAN SIFAT :

Baja dapat dilaku panas agar diperoleh struktur mikro dan sifat yang dinginkan. Struktur mikro

dan sifat yang diinginkan tersebut dapat diperoleh melalui proses pemanasan dan pendinginan

177

pada temperatur tertentu. Jika permukaan dari suatu spesimen baja disipakan dengan cermat dan

struktur mikronya diamati dengan menggunakan mikroskop, maka akan tampak bahwa baja

tersebut memiliki struktur yang berbeda-beda. Jenis struktur yang ada sangat dipengaruhi oleh

komposisi kimia dari baja dan jenis perlakuan panas yang diterapkan pada baja tersebut. Struktur

yang akan ada pa suatu baja adalah ferlit, perlit, bainit, martensit, sementit dan karbida lainnya.

6.4.6. FERIT

Larutan pada karbon dan unsur paduan lainnya pada besi kubus pusat badan (Fe) disebut ferit.

Ferit terbentuk pada proses pendinginan yang lambat dari austenit baja hipoetektoid pada saat

mencapai A3. Ferit bersifat sangat lunak, ulet dan memiliki kkerasan sekitar 70-100 BHN dan

memiliki konduktifitas yang tinggi.

Jika austenit didinginkan dibawah A3 austenit yang memiliki kadar C yang sangat rendah akan

bertransformasi ke ferit (yang memiliki kelarutan C maksimum sekitar 0,025 % pada temperatur

723OC. Gambar 6.20 menggambarkan struktur ferit dengan butir-butir yang berbentuk poligonal.

Gambar 6.20. Microstructure of ferrite

178

6.4.2. SEMENTIT

Sementit adalah senyawa besi dengan karbon yang umum dikenal sebagai karbida besi dengan

rumus kimiannya Fe3C (prosentase karbon pada sementit adalah sekitar 6,67 %). Sel satuannya

adalah ortorombik dan bersifat keras dengan harga kekerasannya sekitar 65-68 HRC. Pada

struktur hasil anil. Karbida tersebut akan berbentuk bulat dan tertanam dalam matrik ferit yang

lunak dan berfungsi sebagai pemotong garam sehingga dapat meningkatkan mampu mesin dari

baja yang bersangkutan. Keberadaan karbida-karbida pada baja-baja yang dikeraskan; terutama

pada HSS dan baja cold-worked dapat meningkatkan ketahanan aus. Gambar 6.21

memperlihatkan suatu struktur mikro yang terdiri dari semenit yang bulat dalam matrika ferit.

Gambar 6.26. Microstructure of cimentite ferit.

6.4.3. PERLIT

Perlit adalah campuran semenit dan ferit yang memiliki kekerasan sekitar 10-30 HRC. Jika baja

eutektoid (0,8 % C) diaustenisasi dan didinginkan dengan cepat suatu temperatur dibawah A1

misalnya ke temperatur 700 OC dan dibiarkan pada temperatur tersebut sehingga terjadi

transformasi isotermal, maka austenit akan mengurai dan membentuk perlit melalui proses

pengintaian (nukleasi) dan pertumbuhan. Perlit yang terbentuk berupa campuran ferit dengan

semenit yang tampak seperti pelat-pelat yang tersusun bergantian (lihat gambar 6.22).

179

Gambar 6.22. Perlit yang terbentuk berupa campuran ferit dengan semenit yang tampak seperti

pelat-pelat yang tersusun bergantian Perlit yang terbentuk sedikit di bawah temperatur eutektoid memiliki kekerasan yang lebih

rendah dan memerlukan waktu inkubasi yang lebih banyak. Penurunan temperatur lebih lanjut

waktu inkubasi yang diperlukan untuk transformasi ke perlit makin pendek dan kekerasan yang

dimiliiki oleh Perlit lebih tinggi (lihat gambar 6.15). Pada baja hipoeutektoid (kadar karbonya

kurang dari 0,8%) struktur mikro baja akan terdiri dari daerah-daerah perlit yang dikelilingi oleh

ferit. Sedangkan pada baja hipereutektoid (kadar karbonya lebih dari 0,8%), pada saat

didinginkan dari austenitnya, sejumlah semenit proeutektoid akan didinginkan dari austenitnya,

sejumlah semenit proeutektoid akan terbentuk sebelum perlit dan tumbuh di bekas batas butir

austenit.

6.4.4. BAINIT

Bainit adalah suatu fasa yang diberi nama sesuai dengan nama penemunya yaitu E.C. Bain.

Bainit merupakan fasa yang kurang stabil (metastabil) yang diperoleh dari austenit pada

temperatur yang lebih rendah dari temperatur transformasi ke perlit dan lebih tinggi dari

temperatur transformasi ke perlit dan lebih tinggi dari temperatur transformasi ke Martensit.

Sebagai contoh, jika baja eutektoid yang diaustenisasi didinginkan dengan cepat ke temperatur

180

sekitar 250-500OC dan dibiarkan pada temperatur tersebut, hasil transformasinya adalah berupa

struktur yang terdiri dari ferit dan semenit tetapi bukan perlit.

Struktur tersebut dinamai Bainit. Kekerasannya bervariasi antara 45-55 HRC tergantung pada

temperatur transformasinnya. Ditinjau dari temperatur transformasinya, jika terbentuk pada

temperatur yang relatif tinggi disebut Upper Bainite sedangkan jika terbentuk pada temperatur

yang lebih rendah disebut sebagai Lower Bainite. Struktur upper bainite seperti perlit yang sangat

halus sedangkan lower bainite menyerupai martensit temper.

6.4.5. MARTENSIT

Martensit adalah fasa yang ditemukan oleh seorang metalografer yang bernama A. Martens. Fasa

tersebut merupakan larutan padat dari karbon yang lewat jenuh pada besi alfa sehingga latis-latis

sel satuannya terdistorsi. Sifatnya sangat keras dan diperoleh jika baja dari temperatur

austenitnya didinginkan dengan laju pendinginan yang lebih besar dari laju pendinginan

kritiknya.

Dalam paduan besi karbon dan baja, austenit merupakan fasa induk dan bertransformasi menjadi

martensit pada saat pendinginan. Transformasi ke martensit berlangsung tanpa difusi sehingga

komposisi yang dimiliki oleh martensit sama dengan komposisi austenit (Gambar 6.4 dan 6.5)

sesuai dengan komposisi paduannya. Sel satuan martensit adalah Tetragonal pusat badan (Body

center tetragonal / BCT). Atom karbon dianggap menggeser latis kubus menjadi tetragonal.

Besarnya tetragonalitas yang terjadi dapat dijelaskan dengan gambar 6.23. Kelarutan karbon

dalam BCC menjadi lebih besar jika terbentuk martensit, dan hal inilah yang menyebabkan

timbulnya tetragonalitas (BCT). Makin tinggi konsentrasi karbon, makin banyak posisi interstisi

yang terisi sehingga efek tetragonalitasnya makin besar. Pada gambar 6.24 parameter latis diplot

sebagai fungsi dari kadar karbon baik dalam austenit maupun dalam martensit. Dari gambar

tersebut terlihat bahwa parameter latis bervariasi secara linier dengan kadar karbon. Pada

martensit, dengan menaiknya kadar karbon, parameter di sumbu C juga meningkat sedangkan

parameter lainnya yang berhubungan dengan kedua sumbu lainnya (parameter a) menurun.

Parameter kubus kepunyaan austenit meningkat dengan menaiknya kadar karbon.

181

Gambar 6.23. BCT crystal structure of martensite in FeC alloys.

Gambar 6.24. BCT crystal structure of martensite in FeC alloys

Pembentukan martensit berbeda dengan pembentukan perlit dan bainit, dan secara umum tidak

tergantung pada waktu. Dari diagram transformasi terlihat martensit mulai terbentuk pada

182

temperatur Ms (lihat gambar 6.15). Jika pendinginan dilanjutkan, austenit akan bertransformasi

ke martensit. Makin rendah temperaturnya, makin banyak austenit yang bertransformsi ke

martensit dan pada titik Mf pembentukan martensit berakhir. Pada contoh ini, martensit mulai

terbentuk pada temperatur sekitar 29OC yaitu pada saat martensit hampir mencapai 100%. Bahwa

pembentukan martensit tidak tergantung pada waktu dijelaskan dengan adannya garis horisontal

pada diagram TTT/CCT. Pada 100OC sekitar 90 % martensit telah terbentuk dan perbandingan

ini tidak akan berubah terhadap waktu sepanjang temperaturnya konstan.

Gambar 6.25. Effect of Carbon content on the martensite points Ms and Mf

183

Gambar 6.26. Effect of alloying element on martensite points Ms and Mf

Awal dan akhir pembentukan martensit sangat tergantung pada komposisi kimia dari baja dan

cara mengaustenisasi. Pada baja karbon, temperatur awal dan akhir dari pembentukan martensit

(Ms dan Mf) sangat tergantung pada kadar karbon seperti terlihat pada gambar 6.25. Makin tinggi

kadar karbon suatu baja makin rendah temperatur awal dan akhir pembentukan martensit. Dari

gambar tersebut terlihat bahwa untuk baja dengan kadar karbon lebih dari 0,5 %, transformasi ke

martensit akan selesai pada temperatur dibawah temperatur kamar. Dengan demikian, jika kadar

karbon melampaui 0,5 % maka pada temperatur kamar akan terdapat martensit dan austenit sisa.

Makin tinggi kadar karbon pada baja akan makin besar jumlah austenit sisanya. Austenit yang

belum sempat bertransformasi menjadi martensit disebut sebagai austenit sisa. Untuk

184

mengkonversikan austenit sisa menjadi martensit, kepada baja tersebut harus diterapkan proses

“subzerro” (subzerro treatment).

Disamping karbon, unsur-unsur seperti Mn, Si, Ni, Cr, Mo dan W juga menggeserkan temperatur

Ms. Penurunan titik Ms sebanding dengan jumlah unsur yang larut dalam austenit (lihat gambar

6.26). Dari semua unsur tersebut diatas terlihat bahwa karbon yang memberi pengaruh lebih

besar terhadap penurunan temperatur Ms. Struktur martensit tampak seperti jarum (lihat gambar

6.27) atau pelat-pelat halus. Halus kasarnya pelat atau jamur tergantung pada ukuran butir dari

austenit. Jika butir austenitnya besar maka martensit yang akan diperoleh menjadi lebih kasar.

Pembentukan martensit diiringi juga kenaikan volume spesifik sekitar 3 5. hal inilah yang

menyebabkan mengapa timbul tegangan pada saat dikeraskan. Tegangan yang terjadi dapat

menimbulkan distorsi dan bahkan dapat menyebabkan timbulnya retak.

Gambar 6.27. Microstructure of hardesed steel

185

Gambar 6.28. Variation of the hardness of martensite as a function of carbon content, as

measurement on the Rockwell-C scale Penyebab tingginya kekerasan martensit adalah karena latis besi mengalami regangan yang tinggi

akibat adanya atom-atom karbon. Berdasarkan hal ini, kekerasan martensit sangat dipengaruhi

oleh kadar karbon. Kekerasan martensit berkisar antara 20-67 HRC (Lihat gambar 6.28). Makin

tinggi kadar karbon dalam martensit, makin besar distorsi yang dialami oleh letis besi di dalam

ruang dan mengakibatkan makin tingginya kekerasan martensit.

6.4.6. KARBIDA

Unsur-unsur paduan seperti Karbon, Mangan, Chrom, Wolfram, Molibden dan Vanadium banyak

digunakan pada baja-baja perkakas (seperti pada baja cold-worked, baja hot-worked dan HSS)

untuk meningkatkan ketahanan baja tersebut terhadap keausan dan memelihara stabilitas baja

tersebut pada temperatur tinggi. Keberadaan unsur paduan tersebut pada baja akan menimbulkan

terbentuknya karbida-karbida seperti : M3 C, M2 3 C6, M6 C, M7 C3 dimana M menyatakan atom-

atom logam sedangkan C menyatakan kadar karbon. Karbida-karbida ini memiliki kekerasan

yang sangat tinggi (lihat gambar 6.29); sehingga dapat meningkatkan ketahanan aus dari baja

perkakas ybs sebanding dengan volume karbida di dalam baja dan harga kekerasan dari karbida

ybs. Gambar 6.29 menggambarkan harga-harga kekerasan dari berbagai jenis karbida. Tabel 6.3

mengungkapkan pengelompokan dan sifat-sifat karbida yang ada pada suatu baja perkakas.

186

Gambar 6.29 Comparative hardness of carbides found in tool streels.

Banyaknya karbida yang ada pada suatu baja perkakas tergantung pada prosentase karbonn dan

unsur paduan serta tergantung pada jenis karbida yang akan terbentuk. Pada baja hypereutektoid

yang sudah dikeraskan, keberadaan karbida adalah sekitar 5-12 % sedangkan pada struktur yang

dianil, jumlah tersebut akan bertambah banyak. Pada saat diaustenisasi, karbida-karbida ini akan

memperkaya austenit dengan karbon dan unsur-unsur paduan. Unsur paduan yang memperkaya

austenit seperti : Cr, W, Mo atau V akan menciptakan kondisi yang dapat mempermudah

terbentuknya presipitasi karbida-karbida pada saat dikeraskan maupun pada saat ditemper.

Kondisi seperti itu dapat meningkatkan stabilitas termal dari baja ybs dan juga meningkatkan

kekerasan sekitar 3-5 HRC.

187

Tabel 6.3 : Klasifikasi dan Sifat Umum Karbida Di Dalam Suatu Baja

Jenis

Karbida

Bentuk Sel Satuan Keterangan

M3 C

M7 C3

M23 C6

M6 C

M2C

MC

Orthorombik

Heksagonal

FCC

FCC

Heksagonal

FCC

Karbida jenis ini disebut semenit. M-nyadapat

berupa : Fe, Mn, Cr dengan sedikit W, Mo, V

Banyak dijumpai pada baja Cr. Tahan terhadap

disosiasi pada temperatur tinggi, keras dan

terhadap abrasi. Banyak dijumpai pada saat

menemper HSS.

Terdapat pada baja Cr tinggi dan semua jenis HSS.

Karbida yang kaya akan W atau Mo. Mungkin juga

mengandung Cr, V, Co.

Terdapat pada semua jenis HSS, tahan terhadap

abrasi.

Karbida yang kaya dengan W atau Mo dari type

W2 C. Muncul setelah ditemper.

Karbida yang kaya dengan V, tidak mudah

mengurai.

Karbida semenit adalah karbida besi, simbolnya M3C, terdapat disemua jenis baja. Kekerasannya

berkisar antara 910 dan 1050 HV tergantung pada kondisi pembentukannya.

Karbida chrom kompleks M23 C6 : Karbida seperti ini akan ada pada baja dengan kadar chrom

lebih dari 3-4 % dan kadar C kurang dari 0,8-1 %. Kekerasannya bervariasi antara 1000 dan 1100

HV. Ketika di austenisasi pada temperatur sekitar 950-1000OC, karbida-karbida tersebut akan

memperkaya austenit dengan V, Mo dan W. Pada HSS yang memiliki temperatur pengerasan

yang tinggi, M23 C6 seluruhnya akan larut sedangkan pada jenis baja yang lain, sebagian karbida

tidak larut.

Karbida chrom kompleks M7 C3, (fe, Cr, mo, W, V) 7 C3 : Karbida seperti ini akan ada pada baja

yang mengandung chrom lebih dari 3-4 % dan C lebih dari 0,8-1,1 %. Kekerasannya sekitar

188

1600-1800 HV. Karbida M7 C3 memperkaya austenit Cr, V, Mo dan W pada temperatur

pengerasan sekitar 950-1150OC. Keberadaan karbida ini dapat meningkatkan ketahanan aus dan

stabilitas termal.

Karbida W-Mo kompleks (W, Mo, Cr, V) 6C : merupakan karbida utama yang ada pada semua

jenis baja HSS dan Hotworked. Kekerasanya bervariasi antara 1200-1300 HV. Larut dalam

austenit pada rentang temperatur sekitar 1150-1300OC. Baja yang mengandung karbida tersebut

akan memiliki ketahanan aus yang tinggi. Pada saat ditemper pada temperatur sekitar 500-600OC,

karbida ini akan terbentuk hasil transformasi dari fasa karbida lainnya.

Karbida Vanadium (MC) : Karbida ini memiliki kekerasan yang sangat tinggi (sekitar 2000 HV)

sehingga mampu meningkatkan ketahanan aus dari baja ybs. Larut dalam austenit pada

temperatur sekitar 1100 - 1150OC maksimum 1,5 – 2 %.

6.5. PENGARUH UNSUR PADUAN SPESIFIK TERHADAP BAJA

Sifat mekanik yang diperoleh dari proses perlakuan panas terutama tergantung pada komposisi

kimia. Baja Merupakan kombinasi Fe dan C. Disamping itu, terdapat juga beberapa unsur yang

lain seperti Mn, P, S dan Si yang senantiasa ada meskipun sedikit. Baja yang hanya mengandung

c tidak akan memiliki seperti sifat seperti yang diinginkan. Penambahan unsur-unsur paduan

seperti Mn, Ni, Cr, Mo, V, W dst baik masing-masing maupun secra kombinasi dapat menolong

untuk mencapai sifat-sifat yang dinginkan. Pengaruh dari penambahan unsur paduan spesifik

terhadap sifat baja diuraikan sebagai berikut :

6.5.6. KARBON

C adalah unsur pengeras yang utama pada baja. Jika kombinasi dengan besi akan membentuk

Karbida Fe3C atau semenit yang sifatnya keras. Penambahan lebih lanjut akan meningkatkan

kekerasan dan kekuatan tarik baja diiringi dengan penurunan harga impaknya. Jika kadar karbon

meningkat sampai diatas 0,85 % kekuatannya cenderung akan turun meskipun kekerasan relatif

tetap. Pada saat di quench, kekerasan maksimum yang dicapai sebanding dengan peningkatan

kadar karbon, namun diatas 0,6 % laju kenaikan kekerasannya menjadi kecil (lihat gambar 6.28).

Untuk baja kontruksi, kadar karbonya bervariasi antara 0,1-0,6 % sedangkan untuk baja karbon

189

perkakas kadar karbonya berkisar antara 0,5 – 1,4 %. Pada baja “Case Hardening” (Permukaan

saja yang dikeraskan), kadar karbonya berkisar antara 0,05 – 0,025 %.

6.5.2. MANGAN

Unsur ini senantiasa ada pada seluruh jenis baja komersil. Berperan dalam meningkatkan

kekuatan dan kekerasan, menurunkan laju pendinginan kritik sehingga mampu keras baja dapat

ditingkatkan dan juga meningkatkan ketahanan terhadap abrasi. Baja dengan kadar karbon yang

tinggi (diatas 0,8 5) disebut baja paduan mangan.

Baja paduan mangan sangat rentan terhadap overheating karena butirnya mudah menjadi kasar.

Keberadaan unsur mangan dapat memperbaiki kualitas permukaaan karena mangan dapat

mengikat belerang sehingga memperkecil terbentuknya sulfida besi yang dapat menimbulkan

“Hot-shortness” atau kerentanan terhadap timbulnya retak pada saat dikerjakan panas. Baja

mangan banyak digunakan untuk pegas, “sambungan” rel KA, Chusher dan komponen “dredger”.

Pada baja Hadfield, kandungan mangan sekitar 12 % dan pada baja tahan karat keberadaan Mn

dikombinasikan dengan Cr dan Ni.

6.5.3. SILIKON

Si dan Mn unsur-unsur yang selalu ada pada baja. Keberadaan Si pada baja-baja kontruksi

maksimum 0,35 %. Si menaikan kekerasan dan elatisitas tetapi menurunkan kekuatan tarik dan

keuletannya. Jika dikeraskan dan ditemper baja silikon akan memiliki kekuatan yang tinggi

disertai keuletan dan ketahanan terhadap beban yang tiba-tiba yang baik. Digunakan pada baja

dengan histeresis yang rendah, baja pegas serta sebagai material tahan asam pada industri

petrokimia.

6.5.4. CHROM

Cr merupakan unsur paduan yang penting setelah C. dapat membentuk karbida 9tergantung pada

jenis perlakuan yang diterapkan dan kadarnya). Cr ada pada baja-baja kontruksi dan pada baja-

baja perkakas grade yang tinggi. Cr juga merupakan salah satu unsur paduan utama pada HSS.

190

Cr meningkatkan temperatur austenisasi. Pada jenis baja tahan karat dan baja tahan panas, cr

meningkatkan ketahanan korosi karena Cr dapat membentuk lapisan oksida cr dipermukaan baja.

Cr terutama digunakan untuk meningkatkan mampu keras baja, kekuatan tarik, ketangguhan dan

ketahanan abrasi.

6.5.5. NIKEL

Nikel merupakan salah satu unsur paduan yang penting untuk meningkatkan kekuatan dan

ketangguhan baja dengan cara mempengaruhi proses transformasi fasa. Jika berada dalam jumlah

yang memadai, Ni dapat memperbaiki sifat mekanik. Jika jumlah NI relatif banyak , maka

austenit pada baja akan stabil sampai di temperatur kamar.

Ni menurunkan temperatur eutektoid baja bahkan dapat menurunkan sampai ke temperatur yang

efektif untuk proses quench. Ni tidak membentuk karbida dan tidak berpengaruh terhadap

kekerasan. Ni memperbaiki ketahanan korosi. Baja paduan nikel digunakan sebagai material

konstruksi dan teknik (misalnya jembatan) dengan kadar Ni sekitar 2-4 % komponen mesin dan

baja “Case Hardening”.

6.5.6. MOLIBDEN

Untuk setiap unit yang ditambahkan Mo sangat besar sekali pengaruhnya terhadap mampu keras

dibanding dengan unsur paduan lainnya (kecuali Mn). Akibat penambahan Mo dalamnya

pengerasan dari baja meningkat karena laju pendinginan kritiknya menjadi turun. Jika

berkombinasi dengan unsur paduan lainnya. Akan meningkatkan ketangguhan dan ketahanan

mulur dan juga meningkatkan ketahanan baja pada temperatur tinggi. Keberadaan Mo dapat

menurunkan kerentanan terhadap temper ebrittlement pada baja. Temper ebrittlement pada baja

sering terjadi pada baja-baja Ni-Cr pada saat didinginkan dengan laju pendinginan yang tinggi

dari temperatur temperingnya.

Pada baja perkakas, mo seperti halnya W, terutama digunakan pada baja Hot-worked dan HSS.

Mo dapat membentuk karbida sehingga dapat meningkatkan ketahanan terhadap keausan,

meningkatkan ketangguhan dan kekuatan pada temperatur tinggi.

191

Baja yang dipadu dengan Mo digunakan pada baja konstruksi untuk maksud “case Hardening”,

dan digunakan juga pada HSS dan baja tahan karat.

6.5.7. WOLFRAM

W membentuk karbida kompleks. Baja paduan W memiliki kekerasan yang tinggi, tahan abrasi,

kekuatan dan kekerasan pada temperatur tinggi yang baik. W juga menyebabkan transformasi

austenit ke martensit menjadi lambat dan dapat memperlambat pertumbuhan butir. Baja paduan

W tidak rentan terhadap overheating. Pada baja-baja austenitik Cr-Ni. Penambahan W dapat

menaikan batas mulurnya.

Baja paduan W digunakan di HSS, baja-baja perkkas, baja hot-worked, baja magnet, katup-katup

dan baja-baja tahan karat.

6.5.8. VANADIUM

Pada baja-baja konstruksi, vanadium menaikan kekuatan tarik dan batas mulur serta memperbaiki

rasio diantara kekuatan tarik dan mulur. V merupakan unsur pembentuk karbida yang kuat dan

karbida yang terbentuk sifatnya sangat stabil. Dengan penambahan sekitar 0,04 – 0,05 % mampu

keras baja karbon medium dapat ditingkatkan. Diatas harga tersebut, mampu kerasnya menurun

karena adanya pembentukan karbida yang tidak larut.

Jika diperlukan temperatur austenisasi yang lebih tinggi maka perlu ditambahkan V. karena

sifatnya yang mudah membentuk karbida, maka V banyak digunakan pada baja-baja perkakas. V

meningkatkan kekerasan pada temperatur tinggi (hot hardness) dan jika berda dalam jumlah yang

cukup pada baja perkakas, maka ketahanan aus baja tersebut akan meningkat.

V bersama-sama dengan Cr. Ni dan Mo sering digunakan pada baja-baja konstruksi yang

menerima tegangan yang tinggi. Juga dipergunakan sebagai material untuk “Punching’ dan

“Blankingdies”, Cold-worked dan Forming dies serta pada HSS.

6.6. MAMPU KERAS (HARDENABILITY)

Mampu keras merujuk kepada sifat baja yang menentukan dalamnya pengerasan sebagai akibat

proses quench dari temperatur austenisasinya. Memperkeras tidak dikaitkan dengan kekerasan

192

maksimum yang dapat dicapai oleh beberapa jenis baja. Kekersan permukaan dari suatu

komponen yang terbuat dari baja tergantung pada kadar karbon dan laju pendinginan. Dalamnya

pengerasan yang memberikan harga kekerasan yang sama hasil dari suatu proses quench

merupaan fungsi dari mampu keras. Mampu keras semata-mata tergantung pada prosentase

unsur-unsur paduan, besar butir austenit, temperatur austenisasi, lama pemanasan dan

strukturmikro baja ybs sebelum dikeraskan.

Mampu keras dari suatu komponen juga tergantung pada beberapa faktor seperti ukuran

komponen, bentuk dan kondisi pengoprasiannya. Untuk komponen-komponen yang mengalami

tegangan yang tinggi, terutama tegangan tarik, diperlukan kombinasi antara kekuatan dan

ketangguhan yang baik. Kombinasi tersebut dapat dicapai melalui pengerasan martensitik

kemudian diikuti dengan proses temper yang sesuai. Mengquench komponen seperti itu sehingga

diperoleh martensit sekitar 80 % dinilai memadai. Baja karbon dapat digunakan untuk membuat

produk yang memiliki penampang-penampang yang tipis, tapi jika ukuran penampang

ditingkatkan diperlukan suatu baja yang memiliki mampu keras yang lebih baik. Jika pada suatu

komponen yang terbuat dari baja hanya dibebani dengan beban yang moderat (sedang), maka

komponen tersebut cukup diquench sehingga menghasilkan martensit sekitar 50 % saja.

Perbedaan antara mampu keras dan kekerasan dapat dijelaskan dengan membandingkan

karakteristik kekerasan dua jenis baja A (DIN42CrMo4) dengan baja B. Baja A memiliki kadar C

= 0,4 % dan Cr = 0,7 % sedangkan baja B adalah baja karbon dengan kadar karbon sekitar 0,45

%.

Sejumlah spesimen dengan ukuran yang berbeda-beda dari kedua jenis baja tersebut diquench

dengan kondisi yang sama, kemudian pada penampangnya diukur kekerasannya mulai dari tepi

spesimen sampai ke bagian tengah (sumbu spesimen). Jika kekersan dari setiap spesimen diplot

dalam bentuk kurva yang menghubungkan kekerasan dengan jarak dari tepi sumbu, maka akan

diperoleh kurva-kurva kekerasan seperti terlihat bahwa baja A memiliki mampu keras yang lebih

baik dari B karena baja A sampai dengan diameter 40 mm memiliki level kekersan yang hampir

sama antara bagian tepi dan sumbu, sedangkan baja B dengan kondisi quench yang sama hanya

mampu dikeraskan (dengan level kekersan yang sama) sampai dengan diameter kurang dari 20

mm.

193

6.6.6. MAMPU KERAS KUANTITATIF

Mampu keras dapat dinyatakan secara kuantitatif dengan diameter kritik atau tebal penampang.

Diameter kritik dapat didefinisikan sebgaai suatu diameter yang jika diquench pada medium

pendingin tertentu. Di bagian tengahnya akan diperoleh kekerasan tertentu; atau akan diperoleh

suatu struktur yang sama mengandung martensit dengan prosentase tertentu. Biasanya akan

terdiri dari 50% martensit dan 50% perlit. Gambar 6.31 menggambarkan kekerasan yang dilpot

terhadap suatu diameter yang besar. Jika diameter dari batang uji (spesimen) meningkat. Maka

kekerasan dibagian tengah akan menurun. Tapi pada suatu diameter tertentu misalnya 25 mm,

diperoleh 50 % martensit dan 505 martensit dan 50 5 perlit. Dengan diameter batang uji yang

berdiameter kurang dari 25 m akan dapat dikeraskan secara efektif diseluruh penampang

sedangkan untuk batang-batang uji yang berdiameter lebih dari 25 m akan memiliki bagian

tengah yang lebih lunak yang berstruktur perlit. Dengan demikian diameter 25 mm untuk baja

ybs disebut sebagai diameter kritik.

Gambar 6.36. Typical hardness test survey made along different diameters of quenched

cylenders.

Mampu keras suatu baja dapat ditingkatkan dengan menambah unsur-unsur paduan. Dan ini

berarti akan ada pula peningkatan terhadap diameter kritiknya. Disamping itu diameter kritik

194

tergantung juga pada keampuhan jenis medium pendingin (severity of quench). Sebagai contoh

untuk satu jenis baja yang sama akan diperoleh variasi diameter kritik jika diquench pada

berbagai jenis medium pendingin. Dari gambar 6.32 terlihat bahwa diameter kritik menjadi lebih

besar bila diquench di air. Dialain fihak, ukuran ideal didefinisikan sebagai ukuran batang uji

yang dikeraskan sehingga memperoleh 50 % martensit dengan cara diquench sempurna dengan

menganggap bahwa permukaan batang uji akan segera menjadi dingin sesuai dengan temperatur

medium pendingin.

Gambar 6.32. Hardness at the centres of water and oil quenched bars of SAE 3140 steel of varies

diameters Dengan demikian, diameter kritik ideal akan lebih besar dari diameter yang diperoleh dari hasil

quench. Ukuran ideal merupakan ukuran sebenarnya dari mampu keras yang dikaitkan dengan

komposisi kimia dan ukuran ideal tersebut dapat digunakan untuk menentukan ukuran kritik dari

baja yang diquench pada berbagai jenis media pendingin yang memiliki saverity oq quench yang

berbeda-beda pula.

6.6.2. UKURAN KRITIK

Ukuran kritik dapat pula ditentukan dengan menggunakan diagram yang terlihat pada gambar

6.33. Diagram tersebut menghubungkan diameter kritik ideal (D1) sebagai absis dengan diameter

195

kritik (DO) sebagai ordinat untuk berbagai variasi saverity of quench (H). Pada diagram tersebut

terlihat sejumlah kurva yang berhubungan dengan laju pendinginan yang berbeda-beda (diukur

dengan suatu harga H yang berkaiyan dengan “severity of quench”). Beberapa harga H

ditampilkan pada tebel 6.4. Kurva yang berupa garis lurus menunjukan harga saverity of quench

yang tidak terhingga dan dari kurva tersebut terlihat bahwa ukuran kritiknya sama dengan ukuran

kritik ideal dan itu hanya terjadi pada proses quench ideal 9teoritik). Dalam praktek tidak

mungkin melaksanakan proses quench yang ideal. Quench yang ideal dapat didekati dengan cara

mengquench ke dalam brine (campuran air dengan garam) yang diagitasi dengan kuat. Harga

severity of quench dari brine yang diagitasi dengan kuat dari tabel 6.4 adalah = 5.

Gambar 6.33. Charts showing the correlation between critical diameter Do, ideal diameter Di and

H value.

196

Tabel 6.4 Harga Savety Of Quench (H) Beberapa Jenis Medium Pendingin

Udara Oli Air Brine

Medium / benda kerja tidak diagitasi

Medium agak diagitasi

Medium diagitasi secukupnya

Medium diagitasi agak kuat

Medium diagitasi cukup kuat

Medium diagitasi dengan kuat

0,02

-

-

-

0,05

-

0,25-0,30

0,30-0,35

0,35-0,40

0,40-0,50

0,50-0,80

0,80-1,10

0,9 – 1,0

1,0 - 1,1

1,2 – 1,3

1,4 – 1,5

1,6 – 2,0

4

2

2-2,2

-

-

-

5

Dengan menggunakan gambar 6.33 dan jika diameter batang uji (D1) serta harga severity of

quench (H) diketahui, maka diameter kritik D untuk suatu baja tertentu dapat ditentukan. Sebagai

contoh, jika diameter suatu batang uji = 2 inci (harga D1) dan di quenc ke dalam oli dimana harga

H-nya = 0,41; maka diameter kritik ( D ) baja tersebut adalah = 0,8 inchi

6.6.3. PENGUJIAN MAMPU KERAS

Metoda yang paling umum dalam menentukan mampu keras suatu baja adalah dengan cara

mengquench salah satu ujung dari batang uji (end-quench test) yang dikembangkan oleh jominy

Boegehold dari Amerika. Untuk selanjutnya metode pengujian seperti ini disebut uji Jominy.

Metoda ini di beberapa negara telah dibakukan dan merupakan standar uji untuk memeriksa

mampu keras suatu baja. Dewasa ini, metoda ini digunakan pula untuk mengklasifikasikan baja.

Untuk melaksanakan pengujian suatu batang uji dengan panjang 100 mm dan diameter 25 mm.

salah satu ujungnya diperlebar untuk memudahkan batang uji tersebut digantungkan pada

peralatan quench. Batang uji tersebut kemudian dimesin disesuaikan dengan ukuran yang lain

dari batang uji yang akan disemprot air. Permukaaanya harus dihaluskan. Batang uji tersebut

dipanaskan pada temperatur austenisasinya selama30-35 menit. Atmosfir tungku harus dijaga

netral agar tidak terjadi pembentukan terak dan dekarburasi. Setelah proses pemanasan selesai,

batang uji digantungkan pada peralatan quench (lihat gambar 6.34) dan kemudian salah satu

ujungnya diquench dengan air yang bertemperatur 25OC. Diameter dari berkas air yang

dipancarkan kira-kira 12 m dan harus memancar setinggi 65 mm dari ujung pipa air.

197

Gambar 6.34. Schematic diagram of jominy test

Dari sejak batang uji dikeluarkan dari tungku sampai diletakan pada peralatan quench tidak boleh

lebih dari 5 detik. Sesaat setelah batang uji diletakan air segera disemprotkan dan tidak boleh

kurang dari 10 menit. Berdasarkan hal ini ujung batang uji akan mengalami pendinginan yang

sangat cepat. Laju pendinginan akan menurun kearah salah satu ujungnya yang lain. Dengan

demikian, sepanjang batang uji akan terjadi variasi laju pendinginan. Setelah itu batang uji

dicelupkan ke dalam air.

198

Sepanjang batang uji diukur kekerasannya dengan menggunakan Rockwell C dan hasilnya diplot

pada diagram mampu keras yang standar. Kekerasan diplot sebagai ordinat sedangkan jarak dari

ujung yang diquench ke ujung yang lain dari batang uji diplot sebgaai absis (lihat gambar 6.35).

Baja yang mudah dikeraskan (deep – hardening steel) akan memberikan kurva yang hampir datar

(Kurva X). dan itu berarti bahwa pada baja tersebut akan diperoleh struktur martensit pada setiap

jenis laju pendinginan yang diperoleh pada saat uji Jominy. Tetapi untuk baja yang relatif “sulit”

dikeraskan kurva yang akan diperoleh seperti ditunjukan oleh kurva Y.

Gambar 6.35. Diagramtic representation of the jominy end-quench test

Mampu keras dari suatu baja yang sama akan bervariasi tergantung pada komposisi kimia dan

ukuran butirnya seperti ditunjukan pada gambar 6.36. Kurva yang paling atas menunjukan harga

kekerasan maksimum sesuai dengan batas atas dari rentang komposisi kimia baja ybs. Sedangkan

kurva yang dibawahnya menyatakan harga kekerasan minimum sesuai dengan batas bawah dari

rentang komposisi kimianya. Kedua kurava tersebut kurva mampukeras Jominy atau pita

mampukeras (hardenability-band)

199

Gambar 6.36. Hardenability band of DIN 40 Cr4Mo3.

6.6.4. ANALISIS MAMPU KERAS DENGAN CARA PERHITUNGAN

Mampu keras suatu baja dapat diperkirakan meskipun tidak melalui proses pengujian. Pada tahun

1942, M.A. Grossman telah menurunkan suatu cara untuk memperkirakan mampu keras suatu

baja karbon dan baja paduan rendah dari komposisi dan ukuran butirnya.

Grossman teleh menetapkan sejumlah faktor pengali untuk unsur-unsur paduan utama pada baja

seperti Si, Mn, Cr, Ni, V, Mo dan B. Sedangkan untuk unsur karbon telah ditentukan sejumlah

faktor-faktor yang dikaitkan dengan diameter kritik dari baja dengan seluruhnya jika diquench

dengan cara ideal. Bagian luar dari batang uji dianggap segera mendingin ke temperatur medium

pendinginnya. Diameter tersebut kemudian dinyatakan sebagai diameter kritik ideal Di.

Contoh Perhitungan Untuk Menentukan Mampu Keras

TAHAP PERTAMA

Misalnya suatu baja AISI 8640 diketahui besar butir 8 dan komposisi kimiannya sebgai berikut :

C = 0,39 %, Mn = 0,91 %, Si = 0,25 %, Ni = 0,54%, Cr = 0,56% dan Mo = 0,20%. Dari gambar

200

6.37 harga dasar untuk diameter kritik ideal Di adalah 0,195. Harga ini kemudian dikalikan

dengan faktor pengali yang tertera pada gambar 6.38 sehingga Harga Di hasil perhitungan adalah

sebagai berikut :

Di = 0,195 x 4,03 x 1,18 x 1,20 x 2,21 x 1,60 = 3,93

Gambar 6.37. The ideal critical diameter as a function of the carbon content and austenite grain

size for plain carbon steel

201

Gambar 6.38. Multiplying factors for different alloying element for hardenability calculations TAHAP KEDUA

Dari gambar 6.39 tentukan faktor pembagi yang disebut rasio IH / DH yang sesuai untuk harga

Di. Rasio IH/DH adalah rasio antara kekerasan maksimum yang harus dicapai (IH) dengan

kekerasan yang diperoleh (DH).

Gambar 6.39. Rasio antara kekerasan maksimum yang harus dicapai (IH) dengan

kekerasan yang diperoleh (DH)

202

Harga rasio IH/DH didasarkan pada hasil pengamatan dimana dengan harga Di = 7,3 atau lebih,

kurva jominy akan berupa garis lurus dan jika diameter kritik idealnya kurang dari 7,3; maka

akan diperoleh kurva tidak lurus. Rasio IH/DH untuk beberapa jarak yang berbeda dari salah satu

ujung yang di quench untuk harga Di 3,93 yang dibaca dari gambara 6.39 adalah sebagai berikut :

JARAK (INCHI) FAKTOR PEMBAGI

1 / 16

1 / 4

1 / 2

3 / 4

1

1,25

1,5

1,75

2

0,00

1,03

1,21

1,41

1,61

1,75

1,84

1,92

1,96

TAHAP KETIGA

Tentukan harga kekerasan insial (IH) dari gambar 6.40. Harga ini menyatakan harga kekerasan

pada jarak sejauh 1 / 16 inci dari ujung yang di quench dari harga ini merupakan fungsi dari

kadar karbon.

203

Gambar 6.40. Dependence of hardness on carbon contens

Kekerasan insial untuk 0,39 C adalah 55,5 HRC. Hitunglah kekerasanya untuk setiap jarak

dengan cara membagi harga IH (55,5) dengan masing-masing faktor pembagi.

Dengan menggunakan harga kekerasan yang diperoleh melalui perhitungan, maka sekarang dapat

dibuat kurva mampu keras dengan memplot harga kekerasan pada sumbu y dan jarak pada sumbu

x.

JARAK (IN) FAKTOR PEMBAGI KEKERASAN HASIL PERHITUNGAN

1 / 16

1 / 4

1 / 2

3 / 4

1

1,25

1,50

1,75

2

-

1,03

1,21

1,41

1,61

1,75

1,84

1,92

1,96

55,5

54

46

39,5

34,5

32

30

29

28,5

204

Perkembangan Terakhir :

Dapat dilihat bahwa metoda perhitungan dengan menggunakan faktor pengali seperti diuraikan

oleh Grossman dalam menentukan mampu keras sangat cocok untuk baja karbon dan baja paduan

rendah.

Gambar 6.14. Ideal Diamater for base carbon content (a). for grain size from 4 to 8 ASTM (b). at

four austenizing tempetature Jatczak telah pula memeriksa ulang faktor-faktor pengali dan menentukan kembali harga Di

untuk baja karbon (gambar 6.41) dan faktor pengali untuk unsur-unsur paduan utama (gambar

6.42). Disamping itu, Jatczak telah pula memperkenalkan faktor pengali untuk baja dengan kadar

karbon antara 0,6 sampai 1,10 % yang juga dikaitkan dengan temperatur pengerasannya. Untuk

ini, perhitungan dapat langsung didasarkan pada komposisi dari baja ybs, tanpa perlu

menambahkan koreksi dari keberadaan unsur-unsur paduan sepanjang unsur-unsur tersebut tidak

larut dalam austenit.

Faktor yang dikembangkan oleh Grossman dan Jatczak baik untuk Di maupun faktor pengali

masing-masing tetap dipengaruhi oleh kadar karbon (lihat gambar 6.400 dan temperatur

pengerasan (lihat gambar 6.42)

205

Gambar 6.42. Multiplying factors for major individual alloying element at four

austenizing temperatur (a). 800 oC (b). 830 oC (c). 860 oC (d). 925 oC 6.6.5. Pengaruh Besar Butir Austenit Terhadap Mampu Keras

Jika suatu baja dipanaskan sampai ke austenit besarnya butir austenit tergantung pada temperatur

austenisasi yang dipilih. Besarnya ukuran butir yang umum untuk austenit adalah antar nomor 1

sampai nomor 9. Jika butir austenit makin kecil, ukuran butirnya makin besar. Jika ukuran

butirnya membesar, maka mampukerasnya menurun. Baja yang dipanaskan pada temperatur

austenisasi yang lebih rendah akan memiliki sifat mampu keras yang lebih rendah pula karena

austenit cenderung akan bertransformasi ke perlit relatif lebih cepat dibandingdengan butir

austenit yang lebih kasar. Tetapi di lain fihak mengkasarkan butir austenit untuk meningkatkan

mampu keras baja umumnya tidak praktis karena sifat-sifat mekanik lainnya seperti duktilitas dan

ketangguhan akan menurun.

206

6.6.6. Pengaruh Kadar Karbon Terhadap mampu Keras

Mampu keras suatu baja sangat dipengaruhi oleh kadar karbon. Karbon dapat digunakan untuk

meningkatkan kekerasan dan mampu keras seperti ditunjukan oleh gambar 6.43 untuk baja 8600

(0,5 % Ni; 0,5 % Cr; 0,2 % Mo). Pengaruh karbon tersebut kemudian ditambah lagi oleh adanya

sejumlah unsur-unsur paduan. Penambahan karbon sampai titik eutektoidnya sangat berperan

dalam meningkatkan mampu keras baja.

Gambar 6.43. The effect of carbon on the hardenability of (a). SAE 8600 (b). SAE 86000

base steel

6.6.7. Pengaruh Unsur Paduan

Mampu keras suatu baja dapat juga ditingkatkan dengan penambahan unsur-unsur paduan.

Penambahan unsur paduan memungkinkan juga untuk mengeraskan benda kerja dengan

207

penampang yang lebih besar. Penggunaan tungku garam lebih disukai dari pada menguench

langsung dengan air karena dapat memperkecil timbulnya distorsi dan retak. Co sediit

menurunkan mampu keras tetapi dapat meningkatkan laju nukleasi dan laju pertumbuhan perlit.

Baja yang mengandung unsur ini lebih sulit dikeraskan.

Gambar 6.44. Effect of nickel on the jominy hardenability of 0.2 % C/1% Cr steel

Gambar 6.45. Effect of cromium on the Jominy hardenability of a 0.2 % C steel.

208

Unsur paduan seperti Mn, Cr (gambar 6.44), Mo, Ni (gambar 6.45), W dst; meningkatkan mampu

keras baik ditambahkan dalam bentuk masing-masing maupun dalam bentuk kombinasi.

Disamping itu, penambahan unsur paduan dapat menunda pembentukan atau trasformasi produk-

produk pada temperatur tinggi. Keberadaan Boron sampai sekitar 0,003 % meningkatkan pula

mampu keras tetapi penambahan lebih dari harga tersebut tidak akan mengubah mampu keras.