Apa Itu Baja Tempran? Wawasan Ahli tentang Penguatan Baja untuk Alat dan Struktur

Pentingnya tempran untuk baja fungsional.

Legas logam terdiri dari kombinasi yang tepat dari elemen, seperti bahan dalam resep. Cara elemen ini dipasangkan di bawah panas mengubah properti legas, sama seperti teknik memasak yang berbeda mengubah rasa makanan.

Baja tempran mengubah properti mekanis logam untuk membuatnya lebih kuat dan lebih tahan. Ini menjadikannya bahan yang baik untuk alat, pegas, baja struktural, dan bahkan pedang. 

Mari kita lihat dasar-dasar baja tempran…dan bagaimana baja dengan tempran lebih fleksibel dan lentur daripada baja tanpa tempran.

Metalurgi 101

Metalurgi adalah baik ilmu (seperti diterapkan pada produksi logam) dan teknologi logam. Ia berkaitan dengan komposisi kimia logam dan atribut fisik dan mekanisnya.

Berikut beberapa istilah umum yang Anda akan dengar seputar metalurgi dan tempran baja:

• Kekuatan: seberapa baik baja akan menahan deformasi permanen atau retakan
• Ketawalan: seberapa baik baja akan menahan pecahan (seringkali seiring dengan peningkatan kekuatan, ketawalan juga meningkat)
• Kekakuan: seberapa baik logam akan menahan goresan atau indensi
• Ketahanan Dampak: seberapa baik baja akan menahan beban beban shock dengan deformasi minimal (sering juga dikenal sebagai memiliki ketawalan kekuatan tinggi)
• Ketahanan Aus: seberapa baik baja akan menahan erosi, ablasi, spalling, dan galling (sering juga disebut sebagai kekakuannya)
• Integritas Struktural: seberapa baik baja akan menahan beban tanpa pecah

Baja adalah bahan yang populer untuk konstruksi. Dua elemen yang diperlukan baja adalah besi dan karbon, dan legas juga sering mengandung jumlah kecil logam lain. Baja mengandung kurang dari 2.14% karbon: legas dengan karbon lebih tinggi biasanya merupakan bentuk besi tuang. Legas seringkali mungkin mengandung manganese dan jumlah jejak silikon, fosfor, sulfur, dan oksigen. Baja begitu awet dan kuat sehingga dapat digunakan selama bertahun-tahun, lalu dapat didaur ulang berulang kali tanpa kehilangan propertinya. Banyak produksi baja baru mencakup jumlah baja daur ulang.

Mikrostruktur baja

Sebelum kita dapat belajar cara mengubah properti baja, kita harus terlebih dahulu memahami mikrostrumnya. Pemanasan dan pendinginan yang presisi dari baja akan mengubah mikrostrumnya:

Ferrite - struktur kristal body-centered cubic (BCC)

Ini adalah besi murni pada suhu ruangan. Ia juga dapat menggambarkan baja dengan jumlah karbon yang sangat rendah. 

Bayangkan sebuah kubus dengan satu molekul di setiap sudut dan satu di tengah kubus. Molekul secara longgar dipadatkan dan mengandung lebih sedikit molekul dalam setiap kubus. Pada suhu ruangan Anda hanya dapat menambahkan 0.006% karbon ke struktur.

Austenite - struktur kristal face-centered cubic (FCC)

Bentuk ini terjadi saat legas berbasis besi dipanaskan antara 1500F dan 1800F. 

Bayangkan kubus dengan molekul di setiap sudut dan molekul di tengah setiap sisi kubus. Molekul ini lebih padat daripada ferrite dan dapat mengandung hingga 2% karbon.

Cementite

Saat baja karbon dipanaskan ke rentang austenite, kemudian didinginkan tanpa legas yang hadir, ia berubah kembali ke bentuk ferrite. Cementite terbentuk saat kandungan karbon lebih besar dari 0.006% dan atom karbon bereaksi dengan besi untuk membentuk karbida besi (Fe3C). Anda tidak akan pernah mendapatkan potongan logam yang murni cementite, karena sebagian material akan tetap dalam bentuk ferrite.

Pearlite

Lapisan selang-seling dari ferrite dan cementite akan membentuk struktur baru yang disebut pearlite. Ini terjadi saat baja didinginkan lambat, membentuk campuran eutectic (satu di mana dua material cair kristal secara bersamaan). Ia membentuk ferrite dan cementite pada saat yang sama, dalam pola bergantian. 

Martensite - struktur kristal body-centered tetragonal (BCT)

Mikrostruktur baja ini terbentuk dengan pendinginan baja sangat cepat, yang memaksa atom karbon menjadi terjebak dalam jaring besi. Hasilnya adalah struktur jarum yang sangat keras dari besi dan baja.

Mikrostruktur ini penting untuk memahami properti mekanis baja. Kandungan karbon, konsentrasi legas, dan metode finishing semuanya berkontribusi pada mikrostruktur baja. Setelah Anda mengetahui ini, Anda dapat belajar cara memanipulasi propertinya melalui perlakuan panas yang presisi seperti tempran baja. 

Gambaran umum perlakuan panas

Perlakuan panas logam akan mengubah properti fisiknya. Ini dapat meningkatkan kekuatan, duktibilitas, ketawalan, kekakuan, dan resistensi terhadap korosi.

Ada 3 perlakuan panas umum:

• Annealing: Logam dipanaskan untuk membuatnya lunak, kemudian didinginkan lambat. Pendinginan lambat mikrostruktur membuat butir logam yang besar dan bulat. Ini menghilangkan stres internal dari logam dan membuatnya lebih mungkin hanya gores atau merungkai saat dipukul. 
• Quenching: Dalam proses ini, logam didinginkan dengan cepat (seringkali dalam mandi air atau minyak). Ini membeku molekul dengan cepat. Banyak butir kecil dan tajam diciptakan di permukaan oleh penurunan suhu tiba-tiba. Sisi tajam butir berseliweran, membuat logam kurang mungkin merungkai saat dipukul: permukaan lebih keras. 
• Tempering: Untuk mengurangi kekakuan berlebihan yang dihasilkan melalui produksi atau quenching, logam dapat ditempran dengan memanaskan logam ke suhu tertentu untuk waktu tertentu tergantung pada properti yang ingin Anda ubah. 

Mengapa tempran baja?

Baja ditempran untuk memberikan properti material yang tepat untuk aplikasinya. Ini dapat menjadi:

• Mengurangi kekakuan sambil meningkatkan ketawalan (bahan yang tahan menahan goresan saat dampak, sedangkan bahan keras menahan indensi dan akan pecah sebelum merungkai)
• Duktibilitas yang meningkat (memungkinkan ia berubah bentuk tanpa pecah)
• Resistensi yang meningkat terhadap aus dan rerusak
• Machinability yang meningkat jika baja perlu dikerjakan lebih lanjut

Proses baja tempran

Sebelum Anda tempran baja, Anda seringkali akan quench baja terlebih dahulu, untuk mengerasnya. Kemudian suhu tempran menentukan seberapa banyak kekakuan yang Anda hilangkan dari logam. Semakin tinggi suhu, semakin banyak kekakuan yang dihilangkan. Misalnya, alat keras ditempran pada suhu lebih rendah, sementara pegas fleksibel ditempran pada suhu lebih tinggi. 

Baja seringkali dipanaskan dalam furnace gas, resistansi listrik, atau induksi dengan vakum atau gas inerte untuk mencegah oksidasi. Setelah baja dipanaskan ke suhu yang ditentukan, Anda mempertahankan suhu untuk waktu yang ditentukan tergantung pada jenis baja dan properti mekanis yang ingin Anda capai.

Anda tidak perlu termometer atau temperature gun untuk mengetahui kapan ia telah dipanaskan ke suhu yang tepat. Baja tempran berubah menjadi warna transparan tergantung pada suhu tempran. Warna ini terbentuk oleh lapisan oksida yang terbentuk di permukaan. Suhu yang lebih tinggi menciptakan lapisan oksida besi yang lebih tebal, begitu juga dengan waktu yang lebih lama yang dihabiskan di zona suhu tersebut. Lapisan ini membantu mencegah baja dari korosi.

Gambar di atas menunjukkan berbagai warna tempran baja pada logam:

• Dimulai dari kiri adalah Normalized Steel. Ini adalah baja yang telah dipanaskan di atas suhu kritis atasnya dan didinginkan dalam udara berdiri. 
• Kedua dari kiri adalah Quenched Steel. Itu adalah baja yang didinginkan dengan cepat. 
• Delapan berikut menunjukkan warna baja tempran berdasarkan suhu - 130F (176C) hingga 730F (388C)

Contoh baja tempran (berdasarkan suhu/warna):

Faint Yellow	176C / 349F	Engravers, razors, scrapers
Light Yellow	205C / 401F	Rock Drills, reamers, metal cutting saws
Dark straw	226C / 439F	Scribers, planer blades
Brown	260C / 500F	Tapes, dies, bits, hammers, cold chisels
Purple	282C / 540F	Surgical tools, punches, stone carving tools
Dark Blue	310C / 590F	Screwdrivers, wrenches
Light Blue	337C / 639F	Springs, wood cutting screws
Grey Blue	371C / 700F	Structural steel

Apa perbedaan antara tempran baja dan hardening baja?

Tempran baja dan hardening baja memberikan legas yang sama dengan kemampuan yang berbeda.

Hardening baja membuatnya lebih rigis, dan kurang mungkin untuk diiris atau diindenti. Namun, permukaan yang lebih keras ini lebih rapuh. Ia tidak akan diindenti jika dipukul, tetapi jika gaya dampak terlalu kuat, ia akan pecah atau tergores. Dengan tempran sebagian kekakuan hilang untuk meningkatkan ketawalan. Ketawalan adalah kemampuan untuk menahan pecahan atau goresan, namun perdagangannya adalah ia lebih mungkin untuk diiris atau diindenti.

Seringkali Anda akan hardening baja terlebih dahulu, kemudian tempran baja setelahnya untuk mencapai rasio kekakuan terhadap ketawalan tertentu.

Perlakuan panas pedang dan pisau

Tempran adalah bagian penting dari pembuatan pedang. Beberapa pedang terbaik dibuat melalui proses yang disebut differential tempering. Dengan differential temper, seorang pande dapat membuat pedang yang sangat tajam dengan inti yang lebih lembut dan lebih springy di tengah pedang. Ini meningkatkan ketawalan pedang dan mencegah retakan.

Di Jepang, katana seringkali differentially hardened atau ditempran dengan menggunakan aplikasi tanah liat untuk membantu mengontrol laju perubahan selama quench dan temper. Ketebalan tanah liat yang berbeda dapat membantu mengontrol laju perubahan.

Dalam proses differential tempering lainnya, panas hanya diterapkan pada bagian dari pedang (seringkali tulang punggung). Para pembuat pedang akan melihat warna pedang berubah saat memancarkan ke tepi tajam. Setelah hampir mencapai warna light-straw di tepi, mereka menghapus panas. 

Perlakuan panas dan baja tempran dalam aplikasi “modern”

Baja tempran tidak hanya untuk pisau dan pedang. Ia memiliki aplikasi dunia nyata dalam produksi modern. Alat seringkali ditempran untuk sangat, sangat keras: quenching adalah bagian dari proses baja alat untuk membuat tepi kerja yang keras yang menahan abrasi dan indensi. Alat presisi seringkali perlu mempertahankan tepi keras ini untuk tetap dalam toleransi kerja. Namun, tempran mungkin diperlukan setelahnya untuk integritas alat secara keseluruhan, untuk membuatnya kurang rapuh. Pegas, baja struktural, dan potongan logam lain yang memerlukan properti material tertentu mungkin juga melalui perlakuan panas, baik menciptakan tempran yang konsisten atau diferensial tergantung pada kebutuhan material aplikasi.

Logam, sebagai kristal dengan mikrostruktur yang lentur, menawarkan ilmuwan material banyak cara untuk pendekatan pemecahan masalah dengan kombinasi yang cerdas dari seleksi legas dan perlakuan panas.