Karbon adalah satu-satunya unsur yang memisahkan besi biasa dari baja, dan jumlahnya biasanya berada di antara keduanya 0,05% dan 2,0% berat , memutuskan hampir semua hal tentang bagaimana sepotong baja berperilaku di bawah beban, panas, dan palu tempa. Naikkan persentase karbon dan logam memperoleh kekerasan dan kekuatan tarik namun kehilangan keuletan dan kemampuan las; turunkan dan baja tetap lunak, mudah dibentuk, dan mudah dilas tetapi tidak dapat menahan tepi yang keras atau berkekuatan tinggi tanpa bantuan elemen paduan. Setiap sertifikat pabrik, setiap gambar tempa, dan setiap penetapan tingkat seperti 1045 atau 4140 ditelusuri kembali ke rasio yang satu ini.
Apa yang Sebenarnya Dilakukan Karbon di Dalam Baja
Besi sendiri merupakan logam lunak dan relatif lemah. Ketika atom karbon dimasukkan selama peleburan, mereka menempel di antara atom besi dalam kisi kristal dan membentuk senyawa yang disebut sementit (besi karbida, Fe3C) bersama larutan padat yang disebut ferit. Keseimbangan antara dua struktur mikro ini, dan kemudian antara perlit, martensit, dan bainit setelah perlakuan panas, inilah yang memberikan kepribadian mekanis pada baja.
Cara yang berguna untuk menggambarkannya: ferit adalah bagian struktur yang lunak, bersifat magnetis, dan mudah ditekuk, sedangkan sementit bersifat keras dan rapuh. Ketika kandungan karbon meningkat, semakin banyak sementit yang terbentuk, dan kekerasan baja meningkat dalam kurva yang cukup dapat diprediksi. Ahli metalurgi telah menelusuri hubungan ini sejak awal abad kedua puluh, dan hubungan ini tetap menjadi dasar diagram fase besi-karbon yang digunakan di setiap kelas metalurgi saat ini.
Mengapa Kandungan Karbon Diukur dalam Persen
Karena pengaruh karbon sangat kuat, perbedaannya sangat kecil 0,10% mengubah klasifikasi baja dan penerapannya yang sesuai. Baja 1020 (karbon 0,20%) tidak berperilaku seperti baja 1095 (karbon 0,95%) meskipun keduanya secara teknis merupakan baja karbon biasa. Inilah sebabnya mengapa produsen baja melaporkan kandungan karbon hingga seperseratus persen pada laporan pengujian pabrik dibandingkan membulatkannya ke bilangan bulat terdekat.
Klasifikasi Baja Karbon Berdasarkan Persentase
Baja karbon biasa dikelompokkan menjadi empat keluarga besar berdasarkan kandungan karbonnya. Masing-masing kelompok mempunyai kegunaan yang berbeda-beda, dan para pemalsu memilihnya berdasarkan keseimbangan kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan mesin yang dibutuhkan bagian akhir.
Klasifikasi baja karbon umum berkisar sebagaimana ditentukan oleh penomoran kelas SAE/AISI. | Klasifikasi | Kandungan Karbon | Nilai Khas | Penggunaan Umum |
| Karbon rendah (baja ringan) | 0,05% - 0,30% | 1006, 1018, 1020 | Bentuk struktural, lembaran, kawat |
| Karbon sedang | 0,31% - 0,60% | 1035, 1045, 1050 | Poros, roda gigi, poros engkol palsu |
| Karbon tinggi | 0,61% - 1,00% | 1065, 1080, 1095 | Pegas, alat pemotong, bilah |
| Karbon sangat tinggi | 1,01% - 2,00% | Baja perkakas khusus | Pakailah piring, cetakan, pukulan |
Di atas kira-kira 2,0% karbon , bahan tersebut sama sekali tidak lagi tergolong baja; itu menjadi besi tuang, yang jauh lebih rapuh dan dibentuk dengan cara dituang daripada ditempa atau digulung.
Bagaimana Kandungan Karbon Mengubah Sifat Mekanik
Hubungan antara karbon dan kinerja mekanik adalah salah satu tren paling konsisten dalam rekayasa material. Ketika persentase karbon meningkat, empat properti bergerak ke arah yang dapat diprediksi:
- Kekerasan meningkat — lebih banyak sementit dalam struktur mikro yang tahan terhadap lekukan dan abrasi.
- Kekuatan tarik meningkat — sampai pada titik tertentu, karbon tambahan memungkinkan baja membawa lebih banyak beban sebelum rusak.
- Daktilitas menurun — baja tidak terlalu bengkok dan meregang sebelum retak, sehingga pembentukan dingin menjadi lebih sulit.
- Kemampuan las menurun — baja karbon lebih tinggi lebih rentan retak di zona yang terkena panas kecuali dipanaskan terlebih dahulu dan dikontrol dengan hati-hati.
Inilah sebabnya mengapa poros gandar otomotif yang ditempa, yang membutuhkan kekuatan dan kemampuan untuk menyerap guncangan tanpa pecah, biasanya menggunakan kadar karbon sedang seperti 1045 daripada menggunakan baja karbon tinggi yang akan lebih kuat dalam uji laboratorium tetapi terlalu rapuh untuk benturan di jalan raya.
Penempaan baja membentuk logam melalui deformasi plastis tekan, menggunakan palu, pengepres, atau gulungan untuk memaksa baja yang dipanaskan menjadi cetakan atau bentuk yang diinginkan. Kandungan karbon mengatur hampir setiap keputusan yang dibuat oleh bengkel tempa sebelum pukulan palu pertama terjadi.
Penempaan Suhu Windows
Baja karbon rendah dan menengah biasanya ditempa di antara keduanya 1150°C dan 1250°C (kira-kira 2100°F hingga 2280°F), di mana material berada dalam fase austenitik dan mudah mengalir di bawah tekanan. Baja karbon tinggi biasanya ditempa pada batas bawah kisaran tersebut, karena panas yang berlebihan dikombinasikan dengan kandungan karbon tinggi mendorong pertumbuhan butiran dan dekarburisasi permukaan, yang keduanya melemahkan bagian akhir.
Mengapa Pemalsu Lebih Memilih Kadar Karbon Sedang
Baja karbon sedang seperti 1040, 1045, dan 4140 mendominasi industri penempaan karena memiliki keseimbangan yang bisa diterapkan: cukup karbon untuk merespons dengan baik perlakuan panas pasca penempaan seperti quenching dan tempering, namun tidak terlalu banyak sehingga billet retak di bawah cetakan. Komponen seperti poros engkol, batang penghubung, roda gigi, flensa, dan perkakas tangan hampir selalu ditempa dari jalur tengah ini, bukan dari jalur ekstrem.
Aliran Butir dan Peningkatan Kekuatan
Penempaan tidak hanya sekedar membentuk baja; itu menyelaraskan struktur butiran internal di sepanjang kontur bagian. Komponen yang ditempa mengikuti garis aliran butiran yang kontinu, sedangkan bagian yang dikerjakan atau dicor memotong butiran atau tidak memiliki sama sekali. Pengujian industri telah berulang kali menunjukkan bahwa suku cadang baja tempa dapat memiliki ketahanan lelah yang jauh lebih tinggi dibandingkan suku cadang cor atau mesin dengan komposisi kimia yang sama, itulah sebabnya baja karbon tempa tetap menjadi standar untuk komponen penting keselamatan seperti buku jari kemudi dan poros engkol.
Baja Karbon Dibandingkan Dengan Baja Paduan dan Baja Tahan Karat
Kandungan karbon saja tidak menceritakan keseluruhan cerita ketika unsur-unsur lain ikut campur. Memahami posisi baja karbon biasa dibandingkan dengan baja paduannya membantu menjelaskan mengapa gambar tempa mungkin memerlukan satu kelompok dibandingkan yang lain.
Perbandingan baja karbon polos dengan keluarga paduan dan baja tahan karat. | Keluarga Baja | Penambahan Kunci | Keuntungan Utama | Pertukaran |
| Baja karbon biasa | Hanya karbon, jejak mangan | Biaya rendah, mudah dipalsukan | Tidak ada ketahanan terhadap korosi |
| Baja paduan (misalnya 4140) | Kromium, molibdenum, nikel | Kekerasan yang lebih dalam, kekuatan yang lebih tinggi | Biaya bahan lebih tinggi |
| Baja tahan karat (misalnya 304, 17-4PH) | Kromium 10,5% , terkadang nikel | Ketahanan korosi | Lebih sulit dipalsukan, lebih mahal |
Dalam praktiknya, teknisi pembelian memilih baja karbon biasa ketika bagian tersebut akan dilapisi, dicat, atau disimpan di dalam ruangan, dan memilih baja paduan atau baja tahan karat ketika aplikasinya menuntut ketahanan terhadap korosi atau kemampuan pengerasan yang lebih tinggi melalui penampang yang lebih tebal.
Memilih Kelas Baja Karbon untuk Bagian Tempa
Memilih persentase karbon yang tepat merupakan tindakan penyeimbangan antara tiga pertanyaan: seberapa kuat komponen tersebut, seberapa besar guncangan atau kelelahan yang akan diserapnya, dan bagaimana komponen tersebut akan dikerjakan atau disambung setelahnya.
- Identifikasi jenis beban. Beban statis mentoleransi kandungan karbon yang lebih tinggi; beban tumbukan berulang mendukung karbon sedang dengan ketangguhan yang baik.
- Periksa operasi pasca penempaan. Jika bagian tersebut akan dilas di bagian hilir, pertahankan kandungan karbon di bawah sekitar 0,30% kecuali pemanasan awal dan pendinginan terkontrol merupakan bagian dari rencana proses.
- Konfirmasikan jalur perlakuan panas. Baja karbon sedang dan tinggi merespons siklus quench dan temper dengan baik; baja karbon rendah mengandalkan pengerasan kotak atau karburasi.
- Timbang kemampuan mesin terhadap kekerasan. Kandungan karbon yang lebih tinggi umumnya berarti kecepatan pemotongan lebih lambat dan keausan pahat lebih cepat selama pemesinan sekunder.
Toko bengkel yang memasok produsen peralatan otomotif atau pertanian sering kali melakukan standarisasi pada beberapa tingkatan, yang paling umum 1045 untuk poros umum dan 4140 di mana diperlukan rasio kekuatan terhadap berat yang lebih tinggi, justru karena kualitas ini berada pada titik terbaik antara kemampuan menempa dan kinerja bagian akhir.
Perlakuan Panas Setelah Penempaan
Penempaan sendiri jarang menghasilkan sifat mekanik akhir suatu bagian. Kandungan karbon menentukan perlakuan panas mana yang mungkin dilakukan setelahnya.
Normalisasi
Hampir semua penempaan baja karbon dinormalisasi setelah penempaan, dipanaskan di atas suhu kritis dan didinginkan dengan udara, untuk menyempurnakan struktur butiran dan menghilangkan tekanan tidak merata yang ditinggalkan oleh proses penempaan.
Pendinginan dan Tempering
Baja karbon sedang dan tinggi dapat dipadamkan dalam minyak atau air untuk membentuk martensit, kemudian ditempa untuk mengembalikan kekerasan menjadi ketangguhan. Persentase karbon menentukan batas atas kekerasan yang dapat dicapai; baja dengan kandungan karbon di bawah sekitar 0,30% tidak dapat mencapai kekerasan yang sama dengan tingkat kekerasan quenching 1060 atau 1080, terlepas dari tingkat kekerasan quench.
Pengerasan Casing untuk Suku Cadang Karbon Rendah
Baja karbon rendah yang membutuhkan permukaan yang tahan aus tetapi inti yang kuat, seperti roda gigi, malah dikarburasi: karbon disebarkan ke permukaan luar pada suhu tinggi, kemudian lapisan permukaan itu sendiri dipadamkan dengan keras sementara inti karbon rendah tetap ulet.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Berapa persentase karbon yang membuat baja cukup keras untuk perkakas?
Aplikasi alat umumnya dimulai 0,60% karbon dan naik menjadi sekitar 1,0%, karena kisaran ini mengeras dengan baik melalui quenching dan memiliki ujung yang tajam.
Apakah kadar karbon yang lebih tinggi selalu berarti baja yang lebih kuat?
Hanya sampai pada titik tertentu. Kekuatan tarik dan kekuatan luluh meningkat seiring dengan kandungan karbon, namun setelah melewati 0,80-0,90%, peningkatannya menjadi datar sementara kerapuhan terus meningkat, sehingga lebih banyak karbon tidak secara otomatis lebih baik untuk setiap aplikasi.
Mengapa baja karbon sedang merupakan bahan tempa yang paling umum?
Ini menawarkan jendela praktis terluas: cukup karbon untuk mengeras melalui perlakuan panas, namun cukup ulet untuk menahan gaya tekan penempaan tanpa memecahkan billet.
Bisakah baja karbon rendah ditempa?
Ya. Baja karbon rendah mudah ditempa karena keuletannya yang tinggi, dan biasanya dipilih untuk bagian yang akan dilas atau yang membutuhkan inti yang kuat dan tahan guncangan daripada kekerasan permukaan.
Bagaimana kandungan karbon diukur pada bagian baja jadi?
Produsen menggunakan analisis pembakaran atau spektroskopi emisi optik untuk mengukur persentase karbon langsung dari sampel, dan hasilnya dilaporkan pada sertifikat uji pabrik yang menyertai bahan tersebut.
Apa yang terjadi jika kandungan karbon terlalu tinggi untuk aplikasi penempaan?
Karbon berlebih mengurangi keuletan hingga ke titik di mana billet dapat retak selama kompresi, terutama pada sudut cetakan dan bagian tipis, itulah sebabnya bengkel tempa menentukan kisaran kandungan karbon daripada menerima toleransi pabrik secara luas.
