Material yang digunakan dalam dunia engineering (material Teknik) memiliki variasi yang cukup luas, baik dari komposisi kimianya maupun sifat mekanik serta penggunaanya pada berbagai bidang tertentu. Salah satu material yang digunakan dengan sangat luas adalah metal terutama besi dan baja karena ketersediaanya yang sangat melimpah di bumi serta karakteristik mekaniknya yang unik serta mudah untuk diolah menjadi produk (forming, machining dll).
Salah satu cara untuk memudahkan mengkategorikan material-material ini adalah membaginya menjadi empat kategori yaitu (1) Carbon, (2) Alloy, (3) stainless dan (4) Tool steel.
EMPAT JENIS BAJA
Berdasarkan American Iron & Steel Institute (AISI), Baja dapat dikategorikan menjadi empat grup dasar berdasarkan komposisi kimianya yaitu :
Terdapat berbagai macam grade baja yang merepresentasikan variasi dari sifatnya, baik sifat fisik, kimiawi serta interaksinya terhadap lingkungan. Semua baja terdiri dari komposisi besi dan karbon. Jumlah kandungan karbon dan paduan lainya inilah yang mempengaruhi sifat masing-masing grade.
BERBAGAI METODE KLASIFIKASI
Berbagai jenis baja juga dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa faktor antara lain :
SISTEM PENOMORAN BAJA
Terdapat dua cara yang paling umum untuk memberikan sistem penomoran pada industri baja, yang pertama dikembangkan oleh American Iron and Steel Institute (AISI), sedangkan yang kedua dikembangkan oleh Society of Automotive Engineers (SAE). Keduanya berdasarkan kode nomor empat digit yang mengidentifikasi kandungan karbon dan paduan dalam baja. Adapun, terdapat sistem penomoran yang terdiri dari lima digit.
Jika digit pertama adalah “satu” (1) pada kode ini mengindikasikan material adalah baja karbon (carbon steel). Semua baja karbon terdapat dalam grup ini (1xxx) baik pada sistem SAE maupun AISI. Keduanya juga dibagi menjadi empat kategori berdasarkan sifatnya sebagai berikut:
Digit pertama dari baja paduan lain dari sistem penomoran SAE-AISI diklasifikasikan sebagai berikut :
2 = Nickel steels
3 = Nickel-chromium steels
4 = Molybdenum steels
5 = Chromium steels
6 = Chromium-vanadium steels
7 = Tungsten-chromium steels
8 = Nickel-chromium-molybdenum steels
9 = Silicon manganese steels dan grade SAE lainya
Digit kedua dari nomor seri (terkadang, namun tidak selalu) mengindikasikan konsentrasi dan komponen paduanya dalam persentil (1 sama dengan 1%)
Dua digit terakhir dari nomor seri mengindikasikan konsentrasi karbon (dengan 0,01%)
Sebagai contoh : SAE 5130 adalah chromium alloy steel mengandung 1% chromium dan karbon sekitar 0,30%.
BAJA KARBON (CARBON STEEL)
Baja karbon dapat dipisahkan menjadi tiga kategori lagi yaitu baja karbon rendah (low carbon steel) atau mild steel, baja karbon sedang (medium carbon steel) dan baja karbon tinggi (high carbon steel).
Baja karbon rendah/mild steel : secara umum mengandung 0,04% hingga 0,3% karbon. Jenis baja ini merupakan kategori yang paling besar dalam klasifikasi paduan baja, mulai dari variasi lembaran (sheet), plat hingga balok structural. Tergantung dari sifat yang diinginkan, penambahan komposisi seperti aluminium maupun mangan sering ditambahkan pada komposisi karbon yang tetap.
Baja karbon sedang: secara umum mengandung karbon 0,31 hingga 0,60% serta kandungan mangan (Mn) sekitar 0,060% hingga 1,65%. Produk ini lebih kuat dibandingkan dengan baja karbon rendah dan relative lebih sulit untuk dibentuk, dilas maupun dipotong. Baja karbon sedang sering kali di-hardendan di-tempermenggunakan perlakuan panas.
Baja karbon tinggi: Atau dikenal dengan carbon tool steel memiliki kandungan karbon sekitar 0,61% hingga 1,50%. Baja karbon tinggi sangat sulit untuk dipotong, ditekuk atau dilas. Perlakuan panas dapat mengakibatkan material ini sangat kaku dan getas.
BAJA PADUAN (ALLOY STEEL)
Baja paduan (alloy) adalah baja yang memiliki sedikit kandungan dari satu atau lebih elemen paduan (selain karbon) seperti manganese, silicon, nikel, titanium, copper, chromium serta aluminium. Pencampuran tersebut menghasilkan sifat yang tidak dimiliki oleh baja karbon reguler. Baja paduan sering sekali digunakan di industry karena biayanya yang ekonomis, mudah ditemukan, mudah diproses dan memiliki sifat mekanik yang baik. Baja paduan lebih responsive terhadap perlakuan panas dan perlakuan mekanik dibandingkan dengan baja karbon.
Baja paduan dibuat dengan mengkombinasikan baja karbon dengan satu atau lebih elemen paduan sehingga merubah kekerasan, ketahanan korosi, kekuatan, kemudahan untuk dibentuk (formability) serta kemudahan untuk dilas. Aspek-aspek yang paling penting yang diinginkan adalah untuk :
ELEMEN PADUAN DAN EFEKNYA
Berikut adalah material baja paduan yang paling sering digunakan di lapangan :
ALLOY STEEL 4140
Rangkuman : Baja paduan chromium-molybdenum yang di-harden dengan oli memiliki kekuatan dan ketahanan aus yang tinggi, memiliki ketangguhan dan keuletan yang baik dan memiliki kemampuan untuk menahan tegangan dan pemuluran pada suhu tinggi yang lama (hingga 1000) pada leaded grade memiliki kemudahan untuk di-machining, tetapi tidak boleh digunakan pada suhu yang terlalu tinggi karena menjadi getas untuk leaded grade.
Penggunaan : Sambungan perpipaan, mur baut untuk suhu tinggi, sprocket, peralatan pengeboran, mata pahat, spindle, poros tractor, poros as, komponen transmisi mekanik, poros hidrolik, rantai.
Sifat mekanik :
BAJA PADUAN 4340
Rangkuman : Baja paduan ini memiliki hardenability yang lebih tinggi dibandingkan baja seri 4100. Material ini memiliki kekuatan dan keuletan yang tinggi. Material ini memiliki rasio fatigue/tensile yang tinggi dengan mempertahankan kekuatan, keuletan dan ketangguhan pada suhu yang relative tinggi. Serta memiliki kemampuan non-distorsi yang tinggi.
Penggunaan : Crank shaft, poros as, cetakan, poros roda gigi, komponen pengeboran.
Sifat mekanik :
BAJA PADUAN 6150
Rangkuman : Karbon tinggi, chromium-vanadium, baja paduan kualitas komersial dengan kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi. Jika diberikan perlakuan panas, material akan memiliki ketangguhan tinggi, ketahanan beban kejut dan ketahanan abrasi terhadap air.
Penggunaan : Gear, pinion, poros, as, part permesinan, spring, sambungan pin alat-alat berat, baut dan peralatan tangan.
Sifat mekanik :
BAJA PADUAN 8620
Rangkuman: Tambahan paduan nikel meningkatkan ketangguhan dan keuletan, sedangkan chromium dan molybdenum berkontribusi meingkatkan kekerasan dan ketahanan aus. Baja seri ini sudah ter-karburasi dan mengandung kandungan paduan yang seimbang memudahkan untuk proses hardening menghasilkan material yang kuat, Tangguh pada bagian dalam dan keras pada bagian luar.
Penggunaan : Gear, piniom, piston pompa minyak, poros spline, pin, cetakan plastik.
Sifat mekanik :
BAJA TAHAN KARAT (STAINLESS STEEL)
Stainless steel adalah baja paduan yang ditingkatkan ketahanan korosinya menggunakan paduan chromium (sekitar 11%), nikel atau molybdenum. Kandungan paduan berkisar antara 15-30%.
Penggunaan: Pengolah makanan, peralatan medis, peralatan rumah tangga, dan penggunaan structural/architectural.
Analisis pemilihan material pada suatu part atau struktur terkadang menjadi cukup menantang jika distribusi tegangan dan deformasi dari struktur itu sendiri sulit untuk didefinisikan. Salah satu metode yang sangat umum untuk membantu analisis ini adalah menggunakan Finite Element Method (FEM). Menggunakan FEM, kita dapat memilih material dengan mudah, cepat, dan fleksibel untuk berbagai kemungkinan detail part atau struktur.
Salah satu software FEA yang paling banyak digunakan di industri adalah MSC Nastran dari Hexagon. Yang merupakan software FEA original pertama di dunia yang hingga saat ini terus berkembang dengan berbagai kapabilitasnya termasuk untuk mensimulasikan berbagai variasi material baik linear maupun non-linear, serta untuk fatigue dan lain sebagainya. Selengkapnya tentang MSC Nastran. Adapun telah hadir juga software FEA generasi terbaru dengan penggunaan yang jauh lebih mudah namun dibekali juga dengan solver yang superior dari MSC Nastran yaitu MSC Apex dari Hexagon. Simak demo MSC Apex di bawah ini.