Baja Alat: Legas Tahan Tahan Akhir untuk Pemotongan Presisi

Komposisi logam dan produksi baja alat

Apa itu baja alat?

Baja alat adalah legas yang sangat keras, tahan, atau tahan aus. Properti mereka berasal dari baik kimia mereka dan produksi mereka. Seperti namanya, baja alat siap untuk pemotongan, penggosokan, bor, pemunculan, pukulan, atau pekerjaan keras lainnya. Baja alat harus memiliki properti material yang tepat untuk aplikasinya. Misalnya, sebuah mata bor dan pemuncal masing-masing memerlukan kekakuan dan ketahanan aus. Namun, pemuncal mengalami lebih banyak dampak sementara mata bor mengalami lebih banyak geser. Insinyur dan ahli metalurgi memilih jenis baja alat berdasarkan penggunaan alat.

Semua baja alat memiliki elemen legas yang menghasilkan karbida, jaring logam yang padat yang mengandung logam dan karbon. Karbida adalah material refraktori, yang berarti mereka menahan pembebasan di bawah tekanan, kimia, atau panas.

Ini bukan hanya kimia yang membuat baja alat, namun. Baja alat juga mendapatkan kekakuannya dari perlakuan panas dan quenching yang dikendalikan dengan presisi.

Mengeras baja alat dengan quenching

Quenching adalah proses untuk mengeras baja dengan mengubah mikrostrumnya.

Pertama baja dipanaskan. Legas baja dipanaskan ke suhu yang berbeda tergantung pada jumlah karbon dalam campuran. Besi dan karbon melalui berbagai “fasa,” di mana molekul mengambil bentuk yang berbeda, dan fasa-fasa ini bergantung pada komposisi keseluruhan.

Setelah panas yang tepat telah tercapai dan dipelihara, legas kemudian di-quench, atau didinginkan, melalui paparan pada gas atau cairan yang jauh lebih dingin. Quenching ini membeku logam dengan cepat. Ketika logam di-shock frozen seperti ini, banyak butir kristal kecil logam semuanya mulai membeku sekaligus, dengan banyak perpindahan di setiap butir dan di antara mereka. Bandingkan dengan pendinginan sangat lambat, di mana butir secara lambat pendingin seiring waktu dalam berbentuk lingkaran besar. Butir logam yang didinginkan lambat dapat melintasi satu sama lain saat logam dipukul, merungkai logam tetapi tidak memecahkannya. Shock freezing memberi struktur molekuler lebih sedikit ruang untuk bergerak saat dipukul, membuatnya lebih keras, kurang mungkin untuk diindenti. Jaring logam dalam struktur ini disebut martensite, dan itu struktur molekuler yang tercemar, tajam dari martensite yang memberikan logam yang di-quench kekakuan karakteristiknya.

Water-quenching adalah cara tercepat untuk quench, dan air-quenching adalah cara paling lambat. Apa yang dapat ditahan legas bergantung pada kimianya. Beberapa legas mungkin pecah atau berubah bentuk jika didinginkan terlalu cepat tetapi akan mengeras dengan baik dalam air-quench yang lebih lembut. Lainnya tidak akan membuat lapisan martensite yang keras kecuali jika di-shock dengan perubahan suhu besar seperti dalam air.

Kategori baja alat

Ada enam kategori luas dari baja alat. Empat yang paling umum adalah water-hardened, cold-work, hot-work, dan high-speed baja alat. Aplikasi khusus juga menggunakan shock-resisting dan special-purpose baja alat.

1. Water-hardened

   Grup baja alat ini pada dasarnya adalah baja karbon yang telah dioleh panas. Mereka memiliki 0.5–1.5% karbon. Elemen legas lain mungkin hadir untuk kualitas yang berbeda, tetapi ini biasanya di bawah 0.5%. Logam ini, seperti nickel, tungsten, atau molibdenum, mahal. Menggunakan kurang dari logam yang mahal menawarkan nilai untuk aplikasi beban ringan.

   Kekejutan ekstrem dari water-quench diperlukan dengan grup baja ini untuk mendapatkan lapisan luar yang keras. Alat beban ringan, bagian kecil seperti pegas, dan penangkal kecil adalah produk akhir yang mungkin. Mereka tidak boleh digunakan dalam lingkungan ekstrim karena baja W-series sedikit lebih rapuh daripada baja alat lainnya. Baja W-series lebih rentan terhadap pecahan dan hanya dapat menangani suhu kontinu hingga 302°F (150°C).

2. Cold work tool steel

   Baja alat cold-work dimaksudkan untuk digunakan pada suhu “dingin”—mereka keras, tahan, dan tahan aus, tetapi tidak dalam lingkungan panas. Karena memotong bahan dingin dapat membutuhkan lebih banyak gaya daripada memotong bahan panas, kekuatan tekan adalah keharusan dalam baja alat cold-work.

   Dingin, dalam konteks ini, tidak berarti waktunya bagi pekerja logam untuk mengenakan sweater. 392°F (200°C) dan di bawahnya dianggap sebagai lingkungan kerja dingin untuk alat ini. Tidak seperti banyak jenis baja, grafit sering terbentuk dalam baja cold-work. Grafit ini membuat banyak legas ini dapat dimesin: grafit memberikan pelumas.

   Subkategori baja alat cold-work adalah:

   • Oil-hardening (O Series): Selama produksi, legas ini di-quench dalam minyak. Mereka memiliki 0.85–2.00 % karbon, dan biasanya kurang dari 1% dari setiap elemen legas lainnya. Elemen ini mungkin termasuk manganese, silikon, tungsten, chromium, vanadium, dan molibdenum.
   • Air-hardening (A Series): Selama produksi, legas ini di-quench dalam udara. Mereka memiliki 0.05–2.85% karbon. Baja ini dapat mengandung hingga 5% chromium. Chromium yang tinggi berarti selama perlakuan panas A series tidak akan mengalami distorsi dimensi. Chromium menghasilkan toleransi yang lebih rapat.
   • High carbon chromium (D Series): Baja cold-work ini berfungsi hingga 797°F (425°C). Mereka mengandung 1.4–2.5% karbon, dan 11–13% chromium. Mereka dapat di-quench udara atau minyak, tergantung pada legas, dan mengalami sangat sedikit distorsi dalam kedua metode pendinginan. Legas ini secara umum memiliki ketahanan aus yang sangat tinggi.

3. Hot work tool steel

   Semua baja alat hot-work memiliki persentase elemen legas yang lebih besar untuk menciptakan lebih banyak karbida dan menangani suhu kerja yang lebih panas. Baja alat hot-work dapat bekerja pada suhu hingga 1004°F (540°C). Sebagai grup, sebagian besar memiliki persentase karbon rendah, di bawah 0.6%.

   Baja alat hot-work sering digunakan dalam manufaktur suhu tinggi dengan bahan panas yang lentur seperti logam dan kaca. Dies, stempel, ekstruder, dan kompresor semuanya mungkin dibuat dengan baja hot-work. Alat harus terus berfungsi bahkan dalam paparan panas yang berkepanjangan.

   Ada tiga tipe utama baja alat hot-work, berdasarkan elemen legas utama: chromium, tungsten, atau molibdenum. Beberapa memiliki tingkat chromium dan tungsten yang tinggi, dan jadi diurutkan sebagai tungsten atau chromium tergantung pada pabrikan. Elemen legas utama menghasilkan jenis karbida dalam baja, dan setiap karbida menawarkan keuntungan yang berbeda.

   Subkategori baja alat hot-work adalah:

   • Chromium: Baja alat hot-work chromium memiliki 3–5% chromium. Elemen legas lain seperti tungsten, vanadium, atau molibdenum di bawah 5%. Vanadium umumnya digunakan dalam baja untuk alat pemotong. Grup legas ini (dan khususnya AISI H13) adalah alat hot-work yang paling banyak digunakan.
   • Tungsten: Legas ini seringkali tidak mengandung molibdenum atau vanadium. Sebaliknya mereka mengandung 9–18% tungsten. Sebagian besar baja alat hot-work tungsten memiliki antara 2–4% chromium. Ini tidak benar secara universal: misalnya, legas AISI H23 memiliki 12% chromium dan 12% tungsten. H23 kadang-kadang disebut baja chromium, kadang-kadang baja tungsten, dan kadang-kadang keduanya. Baja tungsten memberikan ketahanan panas yang luar biasa tetapi dapat rapuh; ini diatasi dengan memanaskan sebelumnya ke suhu operasi sebelum penggunaan.
   • Molibdenum: Banyak baja alat hot-work chromium memiliki sedikit molibdenum di dalamnya. Baja alat hot-work premium untuk lingkungan yang sangat keras memiliki banyak. Molibdenum menciptakan stabilitas panas yang lebih tinggi dan ketahanan aus dalam aplikasi hot-work yang parah. Legas molibdenum AISI H42 dan H43 sering digunakan sebagai dies atau cutter di pabrik logam untuk menangani panas dan gaya pemotongan dan pemblion.

4. High speed tool steel

   Proses produksi modern memungkinkan sebagian besar karena penemuan kelas baja alat ini. Alat pemotong dan bit mesin yang berjalan pada kecepatan tinggi menjadi panas karena gesekan. Inovasi bahan kecepatan tinggi memungkinkan mesin untuk meningkatkan tingkat produksi mereka.

   Pada tahun 1900, baja alat kecepatan tinggi diperkenalkan di Pameran Paris. Sejumlah produsen terkejut melihat tepi pemotong mulai merah panas karena gesekan namun terus bekerja. Di mana kecepatan pemotong pada tahun 1890 adalah 5–30 kaki per menit, pada tahun 1905 ada mesin yang bergerak pada 150 kaki per menit.

   Baja alat kecepatan tinggi memiliki 14–18% tungsten, 3–5% chromium, 0.6% karbon, dan elemen lain tergantung pada aplikasi.

5. Shock resisting tool steel

   Grup S shock-resisting baja alat sangat kuat, dibangun untuk memiliki ketahanan dampak yang tinggi. Kekuatannya tidak hanya terletak di permukaan atau lapisan “terkejut” dari alat. Mereka dapat digunakan untuk pegas, pahat, dies stempel, dan pemuncal. Grup legas ini seringkali memiliki banyak elemen legas—yang sebagian besar terlihat dalam baja alat lainnya. Namun, silikon, dalam rentang 0.15–3%, hadir dalam kelas baja ini.

6. Special purpose tool steels

   Grup legas ini adalah tempat antiloping untuk berperang; logam ini digunakan dalam aplikasi spesifik dan bahkan mungkin dibuat untuk produsen tertentu oleh ahli metalurgi. Grup ini termasuk baja rendah legas, tinggi besi di mana semua elemen legas lain digunakan secara hemat. Ini paling mirip dengan W-steels yang murah dan juga di-quench air. Penambahan menit elemen lain meningkatkan properti mekanis tetapi menjaga biaya rendah. Baja “mold” rendah karbon juga ada dalam grup legas khusus ini. Ini digunakan untuk cetakan termoplastik yang harus tahan panas dan tahan aus tetapi tidak memerlukan ketahanan dampak yang tinggi.

Memilih baja alat

Jika merancang mesin industri, atau membeli mesin untuk tujuan industri atau manufaktur, jenis baja alat yang digunakan penting dan harus ditentukan oleh insinyur.

Hal yang perlu diketahui berbeda untuk individu yang membeli alat tangan. Seringkali, produsen alat tangan akan menawarkan “baja keras”, lalu memilih baja berdasarkan penggunaan yang dimaksudkan dari alat. Namun, grade baja apa yang digunakan adalah rahasia industri bagi setiap produsen alat. Produsen menyeimbangkan nilai dan stres kerja pada bagian per bagian. Cara terbaik untuk memilih alat adalah mendapatkan rekomendasi dari profesional di lapangan, teman, dan ulasan online, daripada khawatir tentang legas itu sendiri. Jika produsen memiliki kompetensi metalurgi dan tidak memotong sudut, desain alat tangan menjadi lebih penting daripada legas itu sendiri.

Pande besi, pabrik tuang, dan ahli metalurgi lainnya akan lebih penasaran, bahkan pada tingkat hobi rumah. Mencari sumber dan forum dalam kelompok ini memberikan informasi banyak tentang apa yang dapat diharapkan dan jenis logam apa yang mungkin paling baik digunakan.

Artikel Terkait:

• Apakah Baja Karbon lebih baik daripada Baja Ringan?
• Baja vs. Stainless Steel
• Grading Baja: Kimia dan Properti