Perlakuan Panas

Perlakuan Panas (Heat Treatment)

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 hot-working is excluded from the meaning of this definition”.

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

Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia suatu paduan, tetapi juga tergantung pada strukturmikronya. Suatu paduan dengan komposisi kimia yang samadapat memiliki strukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya akan berbeda. Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang dialami, terutama proses laku-panas yang diterima selama proses pengerjaan.

Proses laku-panas adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap logam atau paduan dalam keadaan padat, sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu. Proses laku-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan pemanasan sampai ke temperatur tertentu, lalu diikuti dengan penahanan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu.

Pada proses pembuatannya, komposisi kimia yang dibutuhkan diperoleh ketika baja dalam bentuk fasa cair pada suhu yang tinggi. Pada saat proses pendinginan dari suhu lelehnya, baja mulai berubah menjadi fasa padat pada suhu 1350⁰, pada fasa ini lah berlangsung perubahan struktur mikro. Perubahan struktur mikro dapat juga dilakukan dengan jalan heat treatment.

Bila proses pendinginan dilakukan secara perlahan, maka akan dapat dicapai tiap jenis struktur mikro yang seimbang sesuai dengan komposisi kimia dan suhu baja. Perubahan struktur mikro pada berbagai suhu dan kadar karbon dapat dilihat pada Diagram Fase Keseimbangan (Equilibrium Phase Diagram).

Secara umum perlakukan panas (Heat treatment) diklasifikasikan dalam 2 jenis, yaitu perlakuan panas Near Equilibrium (Mendekati kesetimbangan) dan Non Equilibrium (Tidak setimbang).

1.    Perlakuan Panas Near Equilibrium

Perlakuan panas ini berfungsi untuk melunakkan bahan dan mempersiapkan bahan logam sebagai produk 1/2 jadi agar layak diproses berikutnya. Karena dalam proses pembuatan barang dengan tingkat kekerasan bahannya sangat tinggi tentu akan sangat susah untuk melakukan memprosesnya. Maka dari itu dibutuhkan suatu proses yang bisa menurunkan tingkat kekerasan dari bahan itu sendiri. Untuk tujuan dari perlakuan panas Near Equilibrium adalah untuk :

a.       Melunakkan struktur Kristal

b.      Menghaluskan butir

c.       Menghilangkan tegangan dalam

d.      Memperbaiki machineability.

Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium, misalnya: Full Annealing, Stress relief Annealing, Process annealing, Spheroidizing, Normalizing, Homogenizing.

Gambar Perlakuan panas-Diagram Fe-C

a.      Homogenezing

Homogenizing adalah suatu pemanasan pada temperatur tinggi didaerah fasa austenit (g), jauh diatas titik kritis (A₃ dan A_cm).

Proses ini bertujuan untuk menghilangkan efek segregasi kimia akibat proses pembekuan lambat ingot/billet dan untuk memperbaiki mampu pengerjaan panas (hot workability).

b.      Full annealing

Annealing ialah suatu proses laku panas (heat treatment) yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam proses pembuatan suatu produk. Tahapan dari proses Anneling ini dimulai dengan memanaskan logam (paduan) sampai temperature tertentu, menahan pada temperature tertentu tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi dengan laju pendinginan yang cukup lambat.

Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate), dll.

Proses Full Annealing juga berfungsi:

Ø  Membulatkan sementit ‘proeutectoid” atau karbida lainnya sehingga memperbaiki keuletan baja.

Ø  Menghasilkan kekerasan/kekuatan yang minimum sehingga mudah dilakukan deformasi pada pengerjaan dingin.

Ø  Menghilangkan struktur martensit pada baja paduan yang mungkin terbentuk akibat pendinginan relatif cepat melewati transformasi g à a

Ø  Biasanya dilakukan pada baja yang akan dipasok kepasaran

Proses ini juga merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki machinibility. Pada proses full annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A1). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat (biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat penyekat panas yang baik). Perlu diketahui bahwa selama pemanasan dibawah temperature kritis garis A1 maka belum terjadi perubahan struktur mikro. Perubahan baru mulai terjadi bila temperature pemanasan mencapai garis atau temperature A1 (butir-butir Kristal pearlite bertransformasi menjadi austenite yang halus). Pada baja hypoeutectoid bila pemanasan dilanjutkan ke temperature yang lebih tinggi maka butir kristalnya mulai bertransformasi menjadi sejumlah Kristal austenite yang halus, sedang butir Kristal austenite yang sudah ada (yang berasal dari pearlite) hampir tidak tumbuh. Perubahan ini selesai setelah menyentuh garis A3 (temperature kritis A3). Pada temperature ini butir kristal austenite masih halus sekali dan tidak homogen. Dengan menaikan temperature sedikit diatas temperature kritis A3 (garis A3) dan memberI waktu penahanan (holding time) seperlunya maka akan diperoleh austenite yang lebih homogen dengan butiran kristal yang juga masih halus sehingga bila nantinya didinginkan dengan lambat akan menghasilkan butir-butir Kristal ferrite dan pearlite yang halus.

Baja yang dalam proses pengerjaannya mengalami pemanasan sampai temperature yang terlalu tinggi ataupun waktu tahan (holding time) terlalu lama biasanya butiran kristal austenitenya akan terlalu kasar dan bila didinginkan dengan lambat akan menghasilkan ferrit atau pearlite yang kasar sehingga sifat mekaniknya juga kurang baik (akan lebih getas). Untuk baja hypereutectoid, annealing merupakan persiapan untuk proses selanjutnya dan tidak merupakan proses akhir.

c.       Normalizing

Proses ini merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih keras dan kuat dari hasil anneal. Secara teknis prosesnya hampir sama dengan annealing, yakni biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 50 Derajat Celcius diatas garis Acm). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan pada udara. Pendinginan ini lebih cepat daripada pendinginan pada annealing.

Normalizing membentuk mikrostruktur lebih halus dibandingkan full annealing meskipun pemanasan dilakukan pada temperature yang lebih tinggi akibat laju pendinginan lebih cepat.

d.      Spheroidizing

Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan struktur carbide berbentuk bulat (spheroid) pada matriks ferrite. Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki machinibility pada baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja hypereutectoid yang dianneal itu mempunyai struktur yang terdiri dari pearlite yang terbungkus oleh jaringan cemented. Adanya jaringan cemented (cemented network) ini meyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibility rendah. Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus dihancurkan dengan proses spheroidizing.

Spheroidizing ini dilaksanakan dengan melakukan pemanasan sampai disekitar temperature kritis A1 bawah atau sedikit dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam waktu yang lama (sekitar 24 jam) baru kemudian didinginkan. Karena berada pada temperature yang tinggi dalam waktu yang lama maka cemented yang tadinya berbentuk plat atau lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere) yang disebut dengan spheroidite yang tersebar dalam matriks ferrite.

e.       Process and Recrystallisation Annealing

Merupakan proses perlakuan panas yang ditujukan untuk melunakkan dan menaikkan kembali keuletan benda kerja agar dapat dideformasi lebih lanjut. Pada dasarnya proses Annealing dan Stress relief Annealing itu mempunyai kesamaan yakni bahwa kedua proses tersebut dilakukan masih dibawah garis A1 (temperature kritis A1) sehingga pada dasarnya yang terjadi hanyalah rekristalisasi saja.

Untuk Recrystalisasi annealing : pemanasan s/d temperatur 600 ºC dibawah temperatur kritis. Bertujuan untuk membentuk butir poligon yang bebas tegangan dan mempunyai keuletan serta sifat konduktivitas baik dilakukan pada baja setelah deformasi pengerjaan dingin.

f.       Stress relief Annealing

Merupakan process perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa akibat proses sebelumnya. Perlu diingat bahwa baja dengan kandungan karbon dibawah 0,3% C itu tidak bisa dikeraskan dengan membuat struktur mikronya berupa martensite. Nah, bagaimana caranya agar kekerasannya meningkat tetapi struktur mikronya tidak martensite? Ya, dapat dilakukanya dengan pengerjaan dingin (cold working) tetapi perlu diingat bahwa efek dari cold working ini akan timbul yang namanya tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress relief Annealing.

Proses Stress relief Annealing pemanasan s/d dibawah temperatur kritis 550-650 ºC baja karbon dan paduan rendah, 600-750 ºC baja perkakas. Bertujuan untuk menghilangkan tegangan sisa akibat deformasi pengerjaan dingin

2. Non Equilibrium (Tidak setimbang)

Tujuan dari perlakuan panas Non Equilibrium adalah untuk mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi. Jenis dari perlakukan panas Non Equibrium, misalnya:

a.       Hardening

b.      Martempering

c.       Austempering

d.      Surface Hardening

1)      Carburizing.

2)      Nitriding.

3)      Cyanidin.

4)      Flame hardening.

5)      Induction hardening.