Komposisi dari unsur – unsur ini juga memberikan reaksi yang berbeda – beda pada saat baja menjalani proses perlakuan panas (heat treatment) atau pada saat proses pendinginan dari suhu yang tinggi.
Ada dua masalah utama dalam pemakaian material baja yaitu: sifat korosif dan sifat tahan terhadap panas. Untuk mengantisipasi kelemahan baja terhadap kedua masalah diatas dapat diperbaiki dengan menggunakan baja dengan komposisi kimia dan heat treatment yang sesuai dengan kebutuhan.
Selain itu sesuai dengan perkembangan tuntutan sifat – sifat tertentu material baja, perlu diimbangi dengan teknologi pembuatannya. Tambahan dan kombinasi unsur – unsur lain menjadi satu alternatif jalan keluar di samping penggunaan jenis heat treatment yang sesuai. Komposisi kimia baja dan heat treatment pada dasarnya saling mempengaruhi hingga dapat dikatakan keduanya saling berinteraksi.
Baja Karbon adalah paduan dari sistem Fe dan C, biasanya tercampur juga unsur – unsur bawaan lain seperti silikon 0.20% s/d 0.70% Mn 0.50% s/d 1.00% P < 0.60% dan S < 0.06%.
Tambahan unsur – unsusr lain pada baja karbon akan membentuk baja khusus, bila tambahan unsur berkisar 1 – 2 % maka dinamakan baja paduan rendah, sedangkan bila tambahn unsur 2 – 5% dinamakan baja paduan tinggi.
Baja cor khusus baru bisa digunakan setelah melalui heat treatment untuk memperbaiki sifat – sifatnya. Selanjutnya dibahas pengaruh komposisi kimia dan bermacam – macam heat treatment.
Sifat - sifat mekanis baja ditentukan oleh kombinasi faktor – faktor berikut ini:
1. Komposisi Kimia Baja
Baja pada dasarnya ialah besi (Fe) dengan tambahan unsur Karbon ( C ) sampai dengan 1.67% (maksimal). Bila kadar unsur karbon ( C) lebih dari 1.67%, maka material tersebut biasanya disebut sebagai besi cor (Cast Iron).Makin tinggi kadar karbon dalam baja, maka akan mengakibatkan hal- hal sbb:
- Kuat leleh dan kuat tarik baja kan naik,
- Keliatan / elongasi baja berkurang,
- Semakin sukar dilas.
Oleh karena itu adalah penting agar kita dapat menekan kandungan karbon pada kadar serendah mungkin untuk dapat mengantisipasi berkurangnya keliatan dan sifat sulit dilas diatas, tetapi sifat kuat leleh dan kuat tariknya tetap tinggi.
Penambahan unsur – unsur ini dikombinasikan dengan proses heat treatment akan menghasilkan kuat tekan yang lebih tinggi, tetapi keuletan dan keliatan, dan kemampuan khusus lainnya tetap baik. Unsur – unsur tersebut antara lain: Mangaan (Mn), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Nikel (Ni) dan tembaga (Cu). Tetapi proporsional pertambahan kekuatannya tidak sebesar karbon. Pertambahan kekuatannya semata –mata karena unsur tersebut memperbaiki struktur mikro baja.
Untuk memahami pengaruh komposisi kimia dan heat treat terhadap sifat akhir baja, maka kita perlu menganal factor – factor sbb:
- Struktur mikro,
- Ukuran butiran,
- Kandungan nonlogam.
- Endapan dipermukaan antar butiran.
- Keberadaan gas – gas yang terserap atau terlarut
a. Struktur Mikro
Unsur Fe dan C menyususn diri dalam suatu struktur berulang dalam pola tiga dimensi yang dinamakan dengan kristal. Kristal –kristal yang berorientasi (arah pengulangan / susunan ) sama disebut sebagai butir.Susunan kumpulan butir satu dengan yang lain pada suatu fasa tertentu dinamakan struktur mikro, contoh struktur mikro antara lain: ferit, perlit dan sementit.b. Ukuran butir
Penghalusan butir baja akan menghasilkan:- Peningkatan kuat leleh (yield strength),
- Perbaikan sifat keuletan (toughness) dan keliatan (ductility),
Penghalusan butiran dapat dilakukan dengan penambahan unsur niobium, vanadium dan aluminium dengan jumlah maksimal 0.05% atau dengan heat treatment.
c. Kandungan non logam
Unsur – unsur non-logam yang umumnya dibatasi jumlahnya didalam produk baja adalah Sulfur (S) dan Fosfor (P). Tinggi kadar kedua unsur tersebut bisa menurunkan keliatan (ductility) baja dan meningkatkan kemungkinan retak pada sambungan las. Pada baja khusus mampu las, kandungan kedua unsur diatas dibatasi kurang dari 0.05%.d. Endapan dipermukaan antar butiran
Unsur – unsur lain yang juga dapat menurunkan keuletan baja baja anatar lain: timah (Sn), antimon (Sb) dan arsen (As) hingga baja menjadi getas. Sifat getas ini ditimbulkan oleh pengendapan atau berkumpulnya unsur – unsur diatas dibidang batas antar butir baja pada suhu 500 – 600º .e. Kandungan gas-gas
Baja yang mengandung gas – gas terlarut dalam kadar yang tinggi terutama: Oksigen (O) dan Nitrogen (N) dapat menimbulkan sifat getas. Untuk mengurangi kadar gas tersebut biasa digunakan unsur - unsur yang dapat mengikat kedua unsur gas diatas menjadi senyawa yang cukup ringan sehinggan senyawa tersebut akan mengapung ke permukaan baja yang masih panas dan cair.Unsur - unsur pengikat gas N dan O biasanya digunakan unsur silicon (Si) dan atau aluminium (Al) yang fungsinya disebut sebagai Deoxidant.
2. Perlakuan panas (heat treatment)
Sifat – sifat khusus baja dapat dicapai dengan penambahan unsur – unsur utama sebagai berikut: Chrom (Cr), Nikel (Ni) dan molybdenum (Mo).Baja tahan karat umumnya mengandung unsusr Chrom lebih dari 12%, dimana pada kondisi seperti itu baja akan bersifat pasif terhadap proses oksidasi. Baja tahan karat dapat dibedakan sesuai struktur mikronya yaitu: baja tahan panas martensit, baja tahan panas ferit dan baja tahan panas austenit.
Baja tahan karat martensit mengandung chrom 13% kuat leleh dan tariknya diperoleh dari proses pendinginan pada kondisi udara luar, sesuai untuk lingkungan korosif ringan, serta biasanya digunakan untuk saluran dan rumah –rumah turbin.
Baja tahan karat ferit mengandung chrom 16%, sesuai untuk lingkungan korosif terutama terhadap bahan kimia asam nitrat, serta biasanya digunakan untuk komponen – komponen dalam industri kimia.
Baja karat austenit mengandung chrom-nikel 18%, dimana sifat tahan karatnya didapat melalui pemanasan pada suhu 1000 - 1100º lalu didinginkan dengan direndam kedalam air, sesuai untuk lingkungan yang mengandung garam, serta biasanya digunakan untuk baling – baling kapal.
Baja tahan panas biasanya dinamakan untuk baja yang tahan pada suhu 650º, dimana sifat itu didapat pada kodisi kadar chrom dan nikel yang cukup tinggi. Berbeda dengan baja tahan karat adalah umunya kandungan karbonnya lebih tinggi. Umumnya digunakan pada ketel uap, boiler, tungku dan lain – lain.
3. Proses pembuatan (manufacturing procces)
a. Pembuatan baja
Tahap pertama adalah bijih besi (iron ore) dan kokas (coke) dicampur dan dipanaskan hingga menghasilkan sinter. Lalu sinter dan batu kapur (limestone) dicampur dan dimasukan ke blast furnace dan dipanaskan pada suhu tinggi sampai menghasilkan besi cair.Besi cair diatas lalu dicampur dengan besi dan baja bekas dan dilelehkan di dalam electric Arc Furnace (EAF).
Bahan – bahan non-logam yang tidak diinginkan ditekan kandungannya dengan menambahkan bahan – bahan khusus.
Reaksi kimia antara bahan khusus tersebut dengan unsur non-logam, mengakibatkan keduanya melekat dan terangkat ke permukaan yang akhirnya dibuang dinamakan mill scale.
Setelah itu, besi cair dicampur dengan deoxidant untuk mengendalikan gas – gas yang terlarut. Lalu dari furnace dituang ke ladle, untuk selanjutnya dituang kecetakan – cetakan produk setengah jadi (slab, bloom, beam blank, dll).
b. Casting dan Forging
Pembuatan baja dengan system cetak langsung (casting) biasanya dilakukan dalam jumlah yang tidak terlalu banyak, maksimal 30 – 50 ton. Penggunaan pun dalam praktiknya tidak banyak, hanya untuk penggunaan khusus seperti untuk aksesoris dan peralatan M/E.Forging adalah pembuatan material baja dengan menggunakan bloom atau billet sebagai bahan baku yang dipanaskan sampai dalam kondisi austenite dan dibentuk dengan system tekanan (press) mekanik sampai menjadi bentuk yang diinginkan. Contoh hasil forging ini adalah pipa seamless.
c. Rolling
Dalam praktiknya rolling sangat luas digunakan, contohnya adalah dalam produksi pelat yang terbuat dari bahan baku slab. Beam blank dan billet biasanya digunakan untuk pembuatan profil – profil standar seperti siku, IWF, dan lain – lain. Produk – produk setengah jadi biasanya di rolling pada kondisi austenite.PS: Penjelasan Sifat – sifat Mekanis Baja
- Regangan (e) : besar deformasi perpanjang awal (tanpa satuan)
- Tegangan (s) : gaya per satuan luas dalam satuan Mpa.
- Elongation : pertambahan panjang pada pengujian tarik (%).
- Kekuatan tarik (tensile strength) : besar tegangan (gaya) yang diperlukan unutk mematahkan atau memutuskan benda uji.
- Kekuatan leleh (yield strength) : besar tegangan yang diperlukan untuk mencapai regangan plastis 0.2%.
- Keliatan (ductility) : besar regangan maksimal yang dapat terjadi pada saat benda uji patah atau putus dalam satuan persen (%).
- Kekerasan (hardness) : ketahanan bahan terhadap penetrasi dipermukaannya, yang dinyatakan dalam Bilangan kekerasan Brinell (BHN), Vickers (DPH) dan atau kekerasan Rockwell (R). BKB dihitung berdasarkan luas daerah lekukan yang ditimbulkan, sedangkan R dihitung berdasarkan dalamnya lekukan.
- Keuletan (toughness) : daya tahan bahan terhadap lenturan dan puntiran – puntiran berulang – ulang yang diukur dari besarnya energi yang diperlukan untuk mematahkan suatu benda uji yang dinyatakan dalam satuan joule. Penilaian keuletan dilakukan dengan tes Charpy atau Izod.