Perlakuan panas dan pengerasan: anil, normalisasi, quench dan temper, pengerasan permukaan, pelepasan tegangan, dan cacatnya

Sebuah bengkel bubut kecil di laundry sebuah hotel membuat poros pengganti dari baja karbon sedang dan diminta "sekalian dikeraskan". Poros berdiameter 35 milimeter itu dipanaskan dengan obor sampai merah, lalu dicelup ke ember air. Keesokan harinya, sebelum dipasang, terlihat retak halus memanjang dari sudut alur pasaknya. Poros itu dibuang, dan pekerjaannya diulang dari awal.

Di gedung yang sama, pegas baja pada mekanisme penutup mesin bengkok karena terbentur troli. Teknisi meluruskannya dengan memanaskan bagian yang bengkok memakai obor. Bentuknya kembali, tetapi sejak itu penutup tidak lagi tertahan di posisi terbuka; pegasnya lemas. Kedua kejadian menunjukkan hal yang sama: panas mengubah sifat baja, baik dengan sengaja maupun tidak. Bab ini menjelaskan bagaimana perlakuan panas bekerja, apa yang dapat salah, dan apa yang perlu diketahui teknisi sebelum memanaskan atau memesan perlakuan panas.

Batas pembahasan

Bab ini membahas perlakuan panas logam, terutama baja: siklus dasar, anil, normalisasi, pencelupan dan temper, pengerasan permukaan, pelepasan tegangan, pengerasan presipitasi, cacat, pemanasan tidak sengaja, dan cara memesan perlakuan panas. Fase baja dan mampu keras ada di Bab 2 tentang besi dan baja; cara menguji kekerasan di Bab 5 tentang sifat mekanis dan pengujiannya; keadaan perlakuan paduan aluminium di Bab 4 tentang tembaga dan aluminium; tegangan sisa las dan perlakuan sesudah las di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las; pemasangan bantalan dengan pemanasan di Bab 4 · Mekanikal & Mekatronika tentang bantalan. Prosedur tungku, bahan bakar, dan atmosfer tungku tidak dibahas rinci; pekerjaan itu dilakukan bengkel perlakuan panas. Suhu dan waktu di bab ini adalah gambaran umum atau angka contoh; nilai untuk pekerjaan diambil dari data pabrik bahan, standar, atau prosedur bengkel perlakuan panas.

Mengapa panas mengubah sifat

Perlakuan panas (heat treatment) adalah siklus pemanasan, penahanan, dan pendinginan yang diatur untuk mengubah sifat logam. Sejumlah proses perlakuan panas dipakai untuk bahan besi, dan kekerasan akhir sebuah bahan bergantung pada jumlah karbon dalam baja. Seperti dijelaskan di Bab 2 tentang besi dan baja, baja mengubah struktur kristalnya saat dipanaskan dan fase yang terbentuk saat didinginkan bergantung pada laju pendinginan. Perlakuan panas memanfaatkan dua hal ini: komposisi menentukan apa yang mungkin dicapai, dan siklus panas memilih salah satu kemungkinan itu.

Setiap perlakuan panas mempunyai tiga langkah:

1. Pemanasan sampai suhu tertentu dengan laju yang cukup pelan supaya bagian tebal dan tipis tidak berbeda suhu terlalu jauh.
2. Penahanan pada suhu itu cukup lama supaya seluruh penampang mencapai suhu yang sama dan perubahan struktur selesai.
3. Pendinginan dengan laju yang dipilih: di dalam tungku, di udara, dalam oli, atau dalam air.

Tiga peringatan berlaku untuk setiap siklus: keseragaman suhu sangat penting bagi hasil perlakuan panas; pemanasan berlebih maupun kurang harus dihindari; dan bila dipilih suhu yang tinggi, waktu pada suhu itu harus dikurangi. Peringatan ketiga adalah dasar kesetaraan suhu dan waktu yang dibahas di bagian temper.

Obor dan ember air tidak memenuhi syarat pertama dan kedua. Obor memanaskan permukaan lebih dulu dan tidak merata; warna merah tidak dapat dibaca dengan tepat; tidak ada penahanan yang terukur. Itulah sebab utama poros di kasus pembuka retak.

Anil dan normalisasi

Anil (annealing) adalah perlakuan panas yang terutama dipakai untuk menurunkan kekerasan dan menaikkan keuletan agar bahan mudah dikerjakan. Ada beberapa jenis yang sering disebut:

1. Anil penuh: baja dipanaskan sampai menjadi austenit, ditahan, lalu didinginkan sangat pelan di dalam tungku. Hasilnya struktur ferit dan perlit kasar yang lunak dan mudah dimesin.
2. Anil sferoidisasi: pemanasan lama di bawah suhu transformasi sehingga karbida berubah menjadi butiran bulat. Dipakai untuk baja karbon tinggi dan baja perkakas sebelum dimesin. Pada baja cetakan, karbida yang masih ada berupa partikel halus yang tersebar merata.
3. Anil proses atau rekristalisasi: untuk logam yang mengeras karena pengerjaan dingin. Pengerjaan dingin menyebabkan geseran pada perubahan bentuk plastis sehingga bahan mengeras, dan dalam keadaan itu bahan harus dianil untuk memulihkan keuletannya. Pipa tembaga yang menjadi keras setelah ditekuk berulang di Bab 4 tentang tembaga dan aluminium dilunakkan dengan cara ini.

Normalisasi

Normalisasi (normalizing) adalah perlakuan panas yang memanaskan baja sampai menjadi austenit lalu membiarkannya dingin di udara tenang. Pendinginannya lebih cepat daripada anil penuh sehingga butirnya lebih halus dan kekuatannya sedikit lebih tinggi. Normalisasi sering dipandang dari sudut termal dan sudut mikrostruktur. Normalisasi dipakai untuk menyeragamkan struktur benda tempa dan cor, menghaluskan butir yang kasar setelah pemanasan lama, dan menyiapkan baja sebelum pengerasan. Batang dengan keterangan "dinormalisasi" di Bab 2 tentang besi dan baja adalah hasil proses ini.

Pengerasan dengan pencelupan dan temper

Pencelupan (quenching) adalah pendinginan cepat benda panas di dalam media seperti air, larutan polimer, atau oli. Untuk mengeraskan baja, ia dipanaskan sampai seluruhnya menjadi austenit lalu didinginkan cukup cepat supaya austenit berubah menjadi martensit. Suhu pengerasan untuk baja karbon sedang biasanya beberapa puluh derajat di atas suhu transformasi atasnya, sekitar 820 sampai 860 °C untuk baja 0,45 persen karbon.

Media celup dipilih menurut mampu keras baja dan risiko retak:

1. Air dan air garam: paling cepat, untuk baja karbon biasa yang mampu kerasnya rendah. Risiko retak dan distorsi paling besar.
2. Larutan polimer: laju di antara air dan oli, dapat diatur dengan konsentrasi.
3. Oli: lebih lambat, untuk baja paduan rendah seperti baja kromium-molibdenum. Risiko retak lebih kecil.
4. Udara atau gas: untuk baja paduan tinggi yang mampu kerasnya sangat besar.

Pencelupan menimbulkan tegangan karena permukaan mendingin dan menyusut lebih dulu daripada inti, lalu inti berubah menjadi martensit dan memuai ketika permukaan sudah keras. Salah satu penyebab utama tegangan termal adalah pendinginan yang tidak seragam dari suhu austenitisasi. Tegangan ini terpusat di sudut tajam, alur pasak, lubang melintang, dan perubahan diameter yang mendadak. Baja yang mampu kerasnya cukup dicelup ke oli, dan sudut diberi radius sebelum pengerasan; mencelup baja paduan ke air untuk "lebih keras" justru mengundang retak.

Di antara tungku curah, tungku dengan bak celup terpadu adalah jenis yang paling umum, karena benda dapat dipindahkan dari ruang panas ke bak celup tanpa terkena udara, dan atmosfernya dikendalikan supaya permukaan tidak kehilangan karbon.

Temper: menukar kekerasan dengan ketangguhan

Martensit hasil celup sangat keras dan getas, dan penuh tegangan dalam. Baja yang baru dicelup harus segera ditemper: dipanaskan kembali ke suhu di bawah suhu transformasi, ditahan, lalu didinginkan. Temper (tempering) menurunkan kekerasan sedikit dan menaikkan ketangguhan banyak. Poros di kasus pembuka, seandainya tidak retak saat dicelup, masih akan getas tanpa temper.

Sifat mekanis berubah sebagai fungsi suhu temper, dan laju pendinginan dari suhu temper juga dapat memengaruhi sifat baja. Bentuk umum hubungan itu, dengan angka ilustrasi untuk baja kromium-molibdenum 0,40 persen karbon yang dicelup oli (nilai sebenarnya dari data pabrik bahan):

Beberapa baja mengalami penggetasan bila ditemper di rentang tertentu atau didinginkan pelan melewatinya; karena itu suhu temper dan cara pendinginannya mengikuti data pabrik bahan.

Suhu dan waktu temper saling menggantikan. Untuk membandingkan dua siklus temper dipakai parameter temper (tempering parameter), dengan bentuk yang paling sering dipakai:

$$P = T \left(C + \log_{10} t\right)$$

dengan $T$ suhu dalam kelvin, $t$ waktu dalam jam, dan $C$ tetapan yang untuk baja karbon dan paduan rendah sering diambil sekitar 20. Dua siklus dengan $P$ yang sama memberi kekerasan yang kira-kira sama. Inilah bentuk kuantitatif dari peringatan bahwa suhu yang lebih tinggi memerlukan waktu yang lebih pendek (Latihan 2). Siklus pengganti yang dihitung dengan parameter ini hanya perkiraan; perubahan prosedur disetujui oleh pemilik prosedur. Waktu juga merupakan variabel proses lain yang memengaruhi perlakuan panas sekunder.

Pengerasan permukaan

Banyak komponen perlu permukaan yang keras untuk melawan aus, tetapi inti yang tangguh untuk menahan kejut: roda gigi, pena engsel, poros di bawah bantalan jarum, dan cam. Untuk itu dipakai pengerasan permukaan (case hardening), yaitu proses yang mengeraskan lapisan luar dan membiarkan inti tetap tangguh:

1. Karburisasi: baja karbon rendah dipanaskan dalam lingkungan kaya karbon sehingga karbon berdifusi ke lapisan permukaan, lalu dicelup dan ditemper. Karburisasi atmosfer gas adalah cara pengerasan permukaan yang paling umum saat ini, karburisasi cair umumnya dilakukan di bak garam lebur, dan suhu yang lebih tinggi dapat dipakai bila produktivitas yang diutamakan. Suhu tinggi mempercepat difusi tetapi membesarkan butir dan distorsi.
2. Nitridasi: nitrogen didifusikan ke permukaan baja paduan pada suhu yang lebih rendah, tanpa pencelupan, sehingga distorsinya kecil. Nitridasi bertujuan menaikkan kekerasan permukaan, dan nitridasi ion biasanya dilakukan dalam atmosfer 75 persen hidrogen dan 25 persen nitrogen.
3. Pengerasan induksi: pemanasan induksi memakai arus bolak-balik untuk memanaskan permukaan benda. Permukaan baja karbon sedang dipanaskan cepat lalu disemprot air, sedangkan inti tetap dalam keadaan semula. Cocok untuk poros, pena, dan jalur bantalan.
4. Pengerasan nyala: sama dengan induksi tetapi dengan nyala gas, untuk benda besar atau jumlah sedikit; hasilnya kurang seragam.

Kedalaman lapisan keras dinyatakan dalam milimeter sampai kekerasan tertentu dan diukur pada potongan melintang. Penggerindaan setelah pengerasan mengurangi lapisan itu, jadi tebal yang akan digerinda diperhitungkan saat menetapkan kedalaman lapisan.

Pelepasan tegangan

Pengelasan, pemesinan berat, pengerjaan dingin, dan pencelupan meninggalkan tegangan sisa. Benda yang bertegangan sisa dapat melengkung saat dimesin lagi, retak dalam lingkungan korosif, atau berubah ukuran perlahan. Pelepasan tegangan (stress relieving) adalah perlakuan panas yang memanaskan benda ke suhu di bawah suhu transformasi, untuk baja biasanya sekitar 550 sampai 650 °C, menahannya, lalu mendinginkannya pelan dan merata. Kekuatan dan kekerasan hampir tidak berubah, tetapi sebagian besar tegangan sisa hilang.

Pelepasan tegangan termasuk proses yang terkait dengan perlakuan panas dan dilakukan dengan kombinasi waktu dan suhu tertentu; perlakuan panas untuk seng dan paduan seng juga meliputi pelepasan tegangan dan stabilisasi termal. Pelepasan tegangan rangka las sebelum dimesin akhir mencegah rangka melengkung setelah dibubut atau difrais. Perlakuan panas sesudah las yang menjadi syarat prosedur las dibahas di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las.

Pengerasan presipitasi

Pengerasan presipitasi (precipitation hardening) adalah pengerasan paduan oleh partikel sangat halus yang mengendap di dalamnya. Paduan aluminium tertentu, sebagian paduan tembaga, dan baja tahan karat pengerasan presipitasi dikeraskan dengan cara ini. Paduan dipanaskan sampai unsur paduannya larut, dicelup supaya tetap terlarut, lalu dituakan pada suhu sedang sehingga partikel sangat halus mengendap dan menghambat gerakan cacat kristal. Perlakuan panasnya dirancang untuk memberi sebaran endapan yang diinginkan di dalam matriks, dan prinsip serta prosedur perlakuan panas untuk paduan tempa dan cor pada dasarnya serupa. Keadaan T6 pada paduan aluminium di Bab 4 tentang tembaga dan aluminium adalah hasil proses ini. Pemanasan ulang di atas suhu penuaan, misalnya oleh las, merusak endapan itu dan melunakkan paduan.

Cacat perlakuan panas

1. Retak celup: dari sudut tajam, alur pasak, lubang, perubahan penampang, media celup yang terlalu cepat untuk mutu bajanya, atau temper yang terlambat.
2. Distorsi: benda panjang dan tipis melengkung, lubang berubah bulat. Dikurangi dengan pemanasan merata, cara mencelup yang benar (benda panjang dicelup tegak), dan penyisihan bahan untuk gerinda akhir.
3. Dekarburisasi (decarburization): permukaan kehilangan karbon sehingga lunak dan lemah lelah. Dekarburisasi terjadi bila tungku dibuka sebelum baja cukup dingin. Pemanasan di udara terbuka dengan obor juga menyebabkannya.
4. Titik lunak: kerak, minyak, atau gelembung uap yang menempel saat dicelup memperlambat pendinginan setempat.
5. Pemanasan berlebih: butir membesar dan baja menjadi getas; pada suhu yang lebih tinggi lagi batas butir mulai mencair dan baja rusak permanen.
6. Kekerasan di luar rentang: terlalu keras karena temper kurang, terlalu lunak karena temper berlebih atau dekarburisasi. Keduanya diperiksa dengan uji kekerasan di Bab 5 tentang sifat mekanis dan pengujiannya.

Pemanasan tidak sengaja di lapangan

Banyak kerusakan sifat bahan terjadi di luar bengkel perlakuan panas:

1. Meluruskan dengan obor: pegas dan komponen yang ditemper pada suhu rendah kehilangan kekerasannya bila dipanaskan di atas suhu temper aslinya. Pegas di kasus pembuka mengalami ini. Komponen seperti itu diganti, tidak diluruskan dengan panas.
2. Las di dekat bagian yang dikeraskan: daerah di sekitar las melunak atau menjadi getas. Pena, poros, dan roda gigi yang dikeraskan tidak dilas tanpa prosedur.
3. Gosong gerinda: penggerindaan yang terlalu kasar dapat menemper ulang atau mengeraskan ulang permukaan setempat. Kedalaman perubahan kekerasan umumnya sebanding dengan kenaikan suhu paling besar saat penggerindaan; cara mendeteksinya dibahas di Bab 5 tentang sifat mekanis dan pengujiannya.
4. Memanaskan bantalan dengan api: cincin bantalan dibuat dari baja yang ditemper pada suhu relatif rendah. Pemanasan untuk pemasangan memakai pemanas induksi atau oven dengan kendali suhu dan tidak melebihi suhu paling tinggi dari pabrik bantalan, seperti dijelaskan di Bab 4 · Mekanikal & Mekatronika tentang bantalan gelinding dan luncur.
5. Kebakaran atau panas lebih pada mesin: komponen yang terkena panas tinggi diperiksa kekerasannya sebelum dipakai lagi.

Memesan perlakuan panas

Perintah kerja untuk bengkel perlakuan panas memuat:

1. Mutu bahan dan sertifikatnya.
2. Proses yang diminta, misalnya celup dan temper, karburisasi, nitridasi, atau pelepasan tegangan.
3. Kekerasan yang diminta dengan skala dan rentangnya, serta tempat pengukurannya.
4. Kedalaman lapisan untuk pengerasan permukaan, dengan definisi kekerasan batasnya.
5. Bagian yang tidak boleh dikeraskan, misalnya ulir atau daerah yang akan dilas.
6. Batas distorsi dan sisa bahan untuk pemesinan akhir.
7. Laporan hasil: grafik suhu, kekerasan, dan bila diminta, potongan uji.

Gambar komponen asli biasanya sudah memuat keterangan ini. Bila tidak ada, keputusan perlakuan panas untuk komponen penting diserahkan kepada pabrik atau insinyur.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: waktu penahanan. Aturan praktis yang sering dipakai untuk pengerasan dan normalisasi baja karbon adalah sekitar satu jam per 25 milimeter tebal penampang terbesar (bengkel perlakuan panas memakai aturan dan data sendiri). Poros berdiameter 60 milimeter memerlukan sekitar $60/25 = 2{,}4$ jam setelah permukaannya mencapai suhu. Pemanasan dengan obor beberapa menit jelas tidak memenuhi syarat ini.

Contoh 2: retak di alur pasak. Retak pada poros di kasus pembuka berasal dari sudut alur pasak yang tajam, pemanasan tidak merata dengan obor, dan pencelupan air. Pembuatan ulang memakai baja yang mampu kerasnya cukup untuk oli, alur pasak dengan radius dasar sesuai gambar, pemanasan di tungku dengan penahanan, celup oli, dan temper segera sesudahnya. Bila gambar tidak meminta pengerasan, poros dibuat dari batang yang sudah dicelup dan ditemper oleh pabrik baja.

Contoh 3: pegas yang lemas. Pegas baja karbon tinggi biasanya ditemper pada sekitar 350 sampai 450 °C. Bagian yang dipanaskan obor sampai merah melewati suhu itu jauh, sehingga kehilangan sifat pegasnya dan sekaligus mungkin dekarburisasi. Pegas diganti dengan suku cadang baru, dan penyebab benturan diatasi.

Contoh 4: kekerasan yang terlalu tinggi. Gambar pena meminta 28 sampai 32 HRC. Uji di bengkel memberi rata-rata 38 HRC. Pena itu lebih keras dari yang diminta sehingga kurang tangguh terhadap kejut. Pemasok diminta temper ulang pada suhu yang lebih tinggi dan menguji ulang; pena tidak dipakai sampai kekerasannya masuk rentang.

Contoh 5: rangka las yang melengkung setelah dimesin. Rangka baja dilas, lalu permukaan dudukannya difrais rata. Setelah dilepas dari meja frais, permukaan itu melengkung 0,4 milimeter. Tegangan sisa las terlepas sebagian ketika bahan dibuang. Untuk rangka berikutnya, rangka dilepas tegangannya setelah dilas dan sebelum dimesin akhir.

Contoh 6: memasang bantalan. Bantalan akan dipasang dengan pemanasan. Teknisi memakai pemanas induksi dengan sensor suhu dan menghentikan pemanasan pada suhu yang dicantumkan pabrik bantalan, alih-alih memakai obor. Bantalan yang terlanjur dipanaskan dengan api sampai berubah warna dibuang, karena kekerasan cincinnya mungkin sudah turun.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan pabrik, insinyur, atau penyelia bila:

1. Komponen angkat, rem, roda gigi penggerak utama, atau komponen bertekanan akan dikeraskan, ditemper ulang, atau dipanaskan tanpa prosedur tertulis.
2. Pegas, pena, atau poros yang dikeraskan akan diluruskan atau dilas dengan panas.
3. Kekerasan hasil perlakuan panas di luar rentang gambar.
4. Komponen pernah terkena panas tinggi karena kebakaran, gesekan, atau kegagalan pelumasan, dan akan dipakai kembali tanpa diperiksa.
5. Retak ditemukan setelah pencelupan, walaupun kecil.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 tentang besi dan baja menjelaskan fase baja dan mampu keras yang menjadi dasar bab ini. Bab 5 tentang sifat mekanis dan pengujiannya menjelaskan cara memeriksa hasil perlakuan panas dengan uji kekerasan, Bab 4 tentang tembaga dan aluminium membahas keadaan perlakuan paduan aluminium, Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las membahas perlakuan panas sesudah las, dan Bab 4 · Mekanikal & Mekatronika tentang bantalan membahas pemasangan bantalan dengan pemanasan. Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika tentang kekuatan komponen memakai kekuatan dan kekerasan hasil perlakuan panas untuk menilai kekuatan komponen dan umur lelah. Di rak ini, Bab 7 tentang mekanisme kegagalan dan Bab 8 tentang memilih bahan suku cadang melanjutkan bahasan ini.

Latihan dan pembahasan