Baja merupakan material yang sangat berpengaruh didalam kehidupan manusia dan kemajuan zaman terutama didalam bidang teknik. Sulit untuk menemukan kegiatan manusia baik secara langsung maupun tidak langsung yang tidak berkaitan terhadap produk baja. Hampir 50% dari produk baja digunakan pada bidang teknik sipil, 15-20% pada bidang transportasi, dan 30-35% pada industri berat, produksi pipa, aplikasi rumah tangga, kawat, dan sebagainya (Masduki. 2002).
Baja merupakan salah satu jenis logam yang banyak digunakan dengan unsur karbon sebagai salah satu dasar campurannya. Di samping itu baja juga mengandung unsur-unsur lain seperti sulfur (S), fosfor (P), silikon (Si), mangan (Mn), dan sebagainya yang jumlahnya dibatasi. Sifat baja pada umumnya sangat dipengaruhi oleh persentase karbon dan struktur mikro. Struktur mikro pada baja karbon dipengaruhi oleh perlakuan panas dan komposisi baja. Karbon dengan unsur campuran lain dalam baja membentuk karbid yang dapat menambah kekerasan, tahan gores dan tahan suhu baja. Perbedaan persentase karbon dalam campuran logam baja karbon menjadi salah satu cara mengklasifikasikan baja.
Berdasarkan kandungan karbon, baja dibagi menjadi tiga macam, yaitu: (Nevada dkk. 2012)
1. Baja karbon rendah
Baja kabon rendah (low carbon steel) mengandung karbon dalam campuran baja karbon kurang dari 0,3%. Baja ini bukan baja yang keras karena kandungan karbonnya yang rendah kurang dari 0,3%C. Baja karbon rendah tidak dapat dikeraskan karena kandungan karbonnya tidak cukup untuk membentuk struktur martensit.
2. Baja karbon menengah
Baja karbon sedang mengandung karbon 0,3%C – 0,6%C (medium carbon steel) dan dengan kandungan karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan sebagian dengan perlakuan panas (heat treatment) yang sesuai.
Baja karbon sedang lebih keras serta lebih lebih kuat dibandingkan dengan baja karbon rendah.
3. Baja karbon tinggi
Baja karbon tinggi mengandung 0,6%C – 1,5%C dan memiliki kekerasan tinggi namun keuletannya lebih rendah, hampir tidak dapat diketahui jarak tegangan lumernya terhadap tegangan proporsional pada grafik tegangan regangan. Berkebalikan dengan baja karbon rendah, pengerasan dengan perlakuan panas pada baja karbon tinggi tidak memberikan hasil yang optimal dikarenakan terlalu banyaknya martensit sehingga membuat baja menjadi getas.
Perlakuan panas merupakan suatu metode yang digunakan untuk mengubah sifat-sifat dari suatu material. Secara umum perlakuan panas adalah memanaskan atau mendinginkan material, biasanya pada suhu ekstrim, untuk mencapai hasil yang diinginkan seperti pengerasan atau pelunakan material. Yang termasuk ke dalam perlakuan panas antara lain, Annealing, Hardening, Tempering, Quenching, dan Strengthening (George. 1983)
1. Annealing
Annealing merupakan proses pelunakan material (baja) dimana material tersebut dipanaskan lebih dari titik kritis atas. Dengan demikian
seluruh karbonnya diserap oleh besi γ, membentuk austenite. Kemudian tersebut dibiarkan dingin perlahan-lahan didalam tanur. Pendinginan lambat adalah hal yang utama didalam proses, yang membuat baja selunak mungkin dan menghindari terjadinya tegangan-tegangan dalam. Dalam baja yang diannealing, struktur butiran termasuk kasar, ferrite dan pearlite ditemukan terbagi, membentuk area-area yang terpisah.
2. Hardening
Bila baja didinginkan dari atas titik kritis atas, pendinginan berjalan cepat, endapan karbon akan ditekan dan struktur dibekukan dalam suatu larutan padat. Baja tersebut amat keras dan regas; bila dilihat dengan mikroskop akan terlihat seperti struktur seperti jarum dikenal dengan martensite. Baja-baja karbon biasa,biasanya didinginkan dengan air maka hasilnya keras dan regas sehingga kegunaannya tidak begitu banyak.
Sifat-sifat yang dihasilkan dari pendinginan cepat (quenching) dari panas yang merah sekali adalah kerapuhan dan amat keras. Hal ini bukanlah kombinasi yang baik (terutama dalam pembuatan perkakas) tetapi bisa diperbaiki dengan pemanasan kedua.
3. Tempering
Pada pemanasan kedua baja ini, baja tersebut dipanaskan sampai dibawah titik kritis bawah, dan ini akan menyebabkan pengendapan sebagian dari karbon, buka sebagai pearlite, tetapi dalam bentuk pembagian yang halus dan dikenal dengan sorbite. Disini kekerasan sedikit diturunkan, tetapi baja tersebut menjadi lebih kuat. Setelah dinaikkan sampai panas penyepuhan (tempering heat), baja dibiarkan dingin secara perlahan-lahan. Tingkat kekerasan yang dicapai setelah pendinginan tergantung pada kandungan kandungan karbon dalam baja, yang mengandung kurang dari 0,3% C tidak memperlihatkan perubahan yang nyata. Kekerasan maksimum dicapai bila baja mengandung 1,2% C.
4. Quenching
Pendinginan baja secara mendadak dari 7000 C lebih adalah suatu pengerjaan yang sangat drastis dan pendinginan yang cepat ini sering mengakibatkan keretakan dan pergeseran benda kerja. Karena pendinginan itu mulai dari luar sewaktu pencelupan, penyusutan dan pengerasan dengan cepat terbentuk pada lapisan sekitar teras yang tidak terjadi pendinginan dan penyusutan dalam waktu yang sama. Waktu panas merambat keluar, teras tersebut mulai dingin dan ketika melalui titik kritis atas, terjadilah ekspansi (berhubungan dengan perubahan dari besi γ ke besi α). Lapisan keras telah dipengaruhi oleh perubahan ini lalu terjadilah penyusutan, sedang pada teras berlangsung sedikit ekspansi. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya keretakan.
5. Strengthening
Pada strengthening (penyebuhan) baja-baja karbon dikeraskan kulitnya dengan jalan permukaannya dikarburasi (bersenyawa dengan zat arang), jadi teras yang lunak dibungkus dengan baja karbon tinggi. Benda-benda kerja tersebut akan mempertahankan kekenyalannya pada baja lunak, jadi bisa tahan terhadapan kejutan, sedangkan permukaan yang dikeraskan akan tahan sewaktu dipakai. Selama pemanasan, karbon diserap kedalam yang tergantung pada lamanya pemanasan dan metode pelaksanaanya.
2.3.1. Baja AISI 4340
Baja AISI 4340 merupakan baja paduan medium yang tersedia di pasaran setelah mengalami proses pengerolan hitam atau kondisi normalisasi. Baja tersebut memiliki kekuatan tarik sebesar 930 – 1080 MPa, densitas 7.85 g/cm3 dan titik lebur adalah 1427oC.
Komposisi kimia dan sifat mekanis Baja AISI 4340 dapat dilihat pada tabel 2.3 dan 2.4 di bawah ini:
Tabel 2.3 Komposisi Kimia Baja AISI 4340
Elemen Kadar
Karbon, C 0.410 %
Silika, Si 0.220 %
Cu 0.050 %
Mangan, Mn 0.650 %
Fosfor, P 0.015 %
Sulfur, S 0.006 %
Nickel, Ni 1.790 %
Chromium, Cr 0.790 % Molibdenum, Mo 0.220 %
V 0.020 %
Aluminium, Al 0.021 %
Sumber: Sertifikat uji bahan PT. SUMINSURYA MESINDOLESTARI Tahun 2016
Gambar 2.4 Baja AISI 4340
Tabel 2.4 Sifat Mekanis Baja AISI 4340
Sifat Mekanis Besaran
Kekuatan Tarik, Maks 935 Mpa
Kekuatan Tarik, lulur 795 Mpa
Elongasi pada saat patah (dalam ukuran 50 mm)
22.0 %
Reduksi Area 55.0 %
Modulus Elastisitas 190 GPa – 210 Gpa
Modulus Bulk 140 Gpa
Modulus Geser 80 Gpa
Sumber: Sertifikat uji bahan PT. SUMINSURYA MESINDOLESTARI Tahun 2016 Baja AISI 4340 ini memiliki karakteristik mampu dilas, mampu ketermesinan, kekuatan yang tangguh serta ketahanan impak. Baja yang digunakan di sini yaitu Baja AISI 4340 banyak digunakan untuk memproduksi komponen mobil dan alat – alat permesinan seperti roda gigi, spindle, gigi transmisi dan kopling.