Proses Perlakuan Panas

Proses Perlakuan Panas

Dari sebuah rangkuman yang ditulis oleh Avner (1974: 676) menyatakan bahwa perlakuan panas (heat treatment) adalah: “Heating and cooling a solid metal or alloy in such away as to obtain desired conditions or properties. Heating for the sole purpose of hotworking is excluded from the meaning of this definition”.

Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat mekanik. Baja dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan potong meningkat atau dapat dilunakan untuk memudahkan proses pemesinan. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, ukuran butir dapat diperbesar atau diperkecil, ketangguhan dapat ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet. Komposisi kimia baja harus diketahui untuk melakukan perlakuan panas yang tepat, karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat fisis.

Diagram kesetimbangan Fe–Fe3C dapat digunakan sebagai dasar untuk melakukan perlakuan panas (George Krauss, 1995: 1-4). Penggunaan diagram ini relatif terbatas karena beberapa metode perlakuan panas digunakan untuk menghasilkan struktur nonequilibrium.

Bagaimanapun, pengetahuan mengenai perubahan fasa pada kondisi setimbang memberikan ilmu pengetahuan dasar untuk melakukan perlakuan panas. Pada bagian diagram Fe–Fe3C dengan karbon dibawah 2 % menjadi perhatian utama untuk perlakuan panas baja. Metode perlakuan panas baja didasarkan pada perubahan fasa austenit pada sistem Fe–Fe3C. Transformasi austenit selama perlakuan panas ke fasa lain akan menentukan struktur mikro dan sifat baja.

Besi merupakan logam allotropik, artinya besi akan berada pada lebih dari bentuk kristal tergantung dari suhunya. Pada suhu kurang dari 912 0C (1674 0F) berupa besi alfa (). Besi gamma () pada suhu 912-1394 0C (1674-2541 0F). Besi delta () berada pada suhu 1394–1538 0C (2541-1538 0F). Penambahan unsur karbon ke besi memberikan perubahan yang besar pada fasa-fasa yang ditunjukkan oleh diagram kesetimbangan Fe–Fe3C. Selain karbon, pada baja terkandung juga unsur-unsur lain seperti Si, Mn dan unsur pengotor lain seperti P, S dan sebagainya. Unsur-unsur ini tidak memberikan pengaruh utama kepada diagram fasa sehingga diagram tersebut dapat digunakan tanpa menghiraukan adanya unsur-unsur tersebut. (Surdia dan Saito, 1999: 69).

Gambar Diagram keseimbangan besi karbon (Japrie, 1991: 380)

Adapun selama proses perlakuan panas yang dilakukan merubah struktur atom yang ada seperti pada gambar dibawah ini.

Gambar Perubahan struktur pada proses perlakuan panas

a. Pengerasan (Hardening)

Hardening atau pengerasan dan disebut juga penyepuhan merupakan salah satu proses perlakuan panas yang sangat penting dalam produksi komponen-komponen mesin. Struktur baja yang halus, keuletan,  yang diinginkan, dapat diperoleh melalui proses ini. Menurut Kenneth Budinski (1999: 167), pengerasan baja membutuhkan perubahan struktur kristal dari body-centered cubic (BCC) pada suhu ruangan ke struktur kristal face-centered cubic (FCC). Dari diagram kesetimbangan Fe–Fe3C dapat diketahui suhu pemanasan baja karbon untuk mendapatkan struktur FCC. Baja harus dipanaskan dengan sempurna sampai daerah austenit. Gambar Suhu pengerasan pada diagram besi karbon (Budinski, 1999: 167) menunjukkan daerah suhu pengerasan untuk baja karbon.

Pengerasan meliputi pekerjaan pendinginan yang menyebabkan karbon terbentuk dalam struktur kristal. Pendinginan dilakukan dengan mengeluarkan baja dari dapur pemanas dengan cepat (setelah direndam selama waktu yang cukup untuk mendapatkan suhu yang dibutuhkan) dan mencelupkan kedalam media pendingin air atau oli.

Gambar Suhu pengerasan pada diagram besi karbon (Budinski, 1999: 167)

Pada kasus-kasus tertentu dilakukan tempering pada proses hardening yang

dilakukan. Tempering adalah proses memanaskan kembali baja yang telah

dikeraskan untuk menghilangkan tegangan dalam. Pada proses tempering baja yang

telah diheat treatments dipanasi kembali pada suhu 150 oC - 650 oC.

b. Pelunakan (Annealing)

Selain untuk tujuan pengerasan perlakuan panas dapat dilakukan untuk tujuan pelunakan. Hal ini diperlukan untuk baja-baja yang keras, sehingga dapat dikerjakan dengan mesin. Disamping itu juga pelunakan di lakukan untuk tujuan meningkatkan keuletan dan mengurangi tegangan dalam yang menyebabkan material berperilaku getas. Secara umum proses pelunakan dapat berupa proses normalizing, full annealing dan spheroidizing.

1) Normalizing

Normalizing merupakan proses perlakuan panas yang bertujuan untuk memperhalus dan, menyeragamkan ukuran serta distribusi ukuran butir logam. Proses ini diperlukan untuk komponen atau material yang mengalami proses pembentukan seperti pengerolan dingin, tempa dingin dan pengelasan.

Gambar Diagram Phasa Fe-Fe3C pada daerah eutectoid

Proses normalizing dilakukan dengan cara memanaskan baja karbon pada suhu 55 – 85 derajat Celcius diatas suhu kritis (Gambar diatas ). Kemudian ditahan untuk beberapa lama hingga fasa secara penuh bertransformasi ke fasa austenit. Selanjutnya material didinginkan pada udara terbuka hingga mencapai suhu kamar.

2) Full Annealing

Full annealing merupakan proses perlakuan panas yang bertujuan untuk melunakkan logam yang keras sehingga dapat dikerjakan dengan mesin. Proses ini banyak dilakukan pada baja karbon medium. Proses ini dilakukan dengan cara memanaskan baja karbon pada suhu 15 – 40 derajat Celcius di atas suhu A3 atau ACM tergantung kadar karbonnya. Pada suhu tersebut pemanasan ditahan untuk beberapa lama hingga tercapai kesetimbangan. Selanjutnya baja karbon didinginkan dalam dapur pemanas secara perlahan-lahan hingga mencapai suhu kamar. Struktur mikro hasil proses full annealing adalah perlit kasar yang relatif lunak dan ulet.

3) Spheroidizing.

Baja karbon medium dan tinggi memiliki kekerasan yang tinggi dan sulit untuk dikerjakan dengan mesin dan dideformasi. Baja ini dilunakkan melalui proses spheroidizing. Proses ini dilakukan dengan memanaskan baja karbon pada suhu sedikit dibawah suhu eutectoid atau sedikit di bawah suhu A1 yaitu sekitar 700 derajat Celcius. Pada suhu tersebut ditahan selama 15 hingga 25 jam. Kemudian didinginkan secara perlahan-lahan di dalam tungku pemanas hingga mencapai suhu kamar.