High Speed Steel Roll dengan Penambahan Titanium

Bagi anda yang menggeluti dunia per-metal-an apalagi perbesian atau lebih tepatnya per-alloy-an, maka sudah pasti anda akan menemui banyak macam jenis dari yang namanya steel (baja). Ga usah disebutin satu-satu karena akan banyak dan panjang pembahasannya.hehe. Yang ingin spesifik dibahas dalam tulisan kali ini adalah tentang High Speed Steel (HSS) Roll. HSS roll seperti namanya, dalam aplikasi di industri diproduksi dengan cara di rolling setelah proses pencampuran logam ketika cair. Adapun komposisi yang membuat baja jenis ini spesial adalah sebagai berikut 0.92% C, 0.42% Si, 0.27% Mn, 0.027% P, 3.93% Cr, 6.12% W, 4.77% Mo, 0.39% Ni, 1.74% V, 0.17% Cu, 4.59% Co, 0.018% Al, 0.018% N (*Catatan: persentase komposisi tersebut, hanya salah satu contoh saja, produk HSS Roll lainnya memiliki variasi % komposisi lainnya) dengan komposisi seperti itu, karakteristik yang pasti muncul dari steel jenis ini adalah kekerasannya yang tinggi. Diketahui dari berbagai sumber kekerasan steel jenis ini bisa mencapai 66 HRC. 

Dengan kekerasaan tersebut aplikasi dari steel jenis ini biasanya digunakan untuk perkakas, alat potong dan lain-lainnya. Pertanyannya kemudian adalah kenapa baja jenis ini memiliki kekersan yang cukup tinggi. Jawabannya adalah karena pengaruh dari element-element tambahan yang ada di dalmnya. Element seperti Cr, Mo, V dan W mampu menciptakan presipitasi berupa karbida yang sangat keras.

Kalau bagi anak material sudah sangat jelas teori dasar mengapa precipitate mampu membuat material/bahan menjadi sangat keras. Sebagai analogi mungkin bisa diceritakan sebagai berikut. Persipitasi itu ibarat penghalang disebuah jalan, kalau kita ingin berjalan tapi banyak penghalang maka kita butuh usaha yang lebih untuk melewati penghalang tersebut, mulai dari harus loncat, mendorong penghalang tersebut pindah sampai harus menghancurkan penghalang tersebut. Naah, mekanisme itulah yang terjadi ketika kita berusaha memecahkan, memutuskan, merusak atau menghancurkan sebuah material/bahan. Kita harus melakukan usaha untuk mampu melewati batas usaha minimum agar  bahan tersebut rusak. Dikarenakan adanya penghalang (persipitat) maka usahanya pun semakin bertambah besar, sehingga kalau dikaitkan dengan nilai kekerasan atau kekuatan suatu bahan/material otomatis kalkulasi kekerasan dan kekuatan material tersebut sampai dia patah juga besar. Sebenarnya ada mekanisme lain kenapa suatu material/bahan bisa memiliki kekuatan,kekerasaan, ketangguhan yang berbeda-beda. Persipitasi hanya sebagian saja.

Kembali ke HSS roll, kemampuan material ini dalam memiliki kekuatan yang cukup tinggi bisa dilihat dari microstructure nya. Berikut adalah gambar microstructure nya:

Dari gambar tersebut dapat dijelaskan bahwa kekerasan yang dimiliki oleh HSS Roll selain dari persipitasi juga dari matrik nya yang merupakan martensit. Marensit ini terbentuk karena adanya pengaruh dari element-element tambahan, selain itu  juga ada yang di dapat dari temper martensite. (Apa itu temper martensite, mudah-mudahan nanti saya bisa membahasnya di blog ini). Dengan matriksnya yang martensite dan berbagai jenis carbida yang terbentuk maka material ini tidak aneh kalau terus dikembangkan untuk mencapai titik optimum sifat-sifatnya, terutama sifat kekerasaan dan kemampuan aus nya. Adapun cara untuk mencapai titik optimum tersebut dengan cara heat treatment yang tepat maupun dengan cara penambahan element lain.

Salah satu element lain yang dapat ditambahkan dalam HSS Roll adalah Titanium (Ti). Saya akan coba mengulas tentang pengaruh Titanium dalam HSS Roll yang saya dapatkan dari berbagai sumber. Titanium diketahui memberikan efek terhadap timbulnya nukleasi baru dalam HSS Roll sehingga adanya Ti mampu meningkatkan jumlah carbide yang terbentuk. Adapun jenis carbide yang terbentuk adalah MC carbide. Dikarenakan kemampuan afinitas atom carbon yang tinggi maka adanya Titanium mampu mengikat carbon tersebut menjadi fasa tersendiri yakni TiC atau dengan kata lain mencegah terbentuknya fasa carbon secara mandiri di dalam microstructure. Selain itu, penambahan Ti juga mampu menggeser posisi Vanadium yang notabene element paduan untuk terdissolve ke dalam matrix. Ketika Vanadium terdissolve di dalam matrix, vanadium akan membentuk fasa baru dengan matrix yang diketahui berupa carbide M₃C₄. Fasa baru yang terbentuk ini disebut dengan second hardening proses. Mengapa second hardening? Karena dengan terbentuknya M₃C₄ HSS Roll semakin memiliki kekerasan yang meningkat, selain dikarena adanya primary carbide berupa TiC.

Selain itu, efek dari penambahan Ti adalah mengecilnya fasa eutectic di dalam HSS Roll. Diketahui salah satu kendala yang membuat HSS Roll memiliki tingkat kegetasan yang tinggi adalah berkumpulnya karbida pada batas butir dan membentuk keterkaitna yang besar sehingga menjadi titik lemah dari sebuah material. Keterangannya bisa dilihat dalam gambar di samping ini.

Gambar paling atas menunjukkan microstructure HSS Roll tanpa Ti sedangkan gambar di bawahnya adalah microstructure setelah penmabahan Titanium. Mengecil dan menyebarnya karbida yang biasanya berada pada batas butir adalah konsekuensi bergesernya reaksi eutectic pada saat proses solidifikasi material ini.

Keterangan lebih lengkap yang sedang saya dan rekan laboratorium teliti terkait HSS Roll dengan penambahan Ti adalah penggambaran secara mendalam dengan menggunakan Transmission Electron Microscope (TTM) dan menganalisa nya melalui Selected Area Diffraction Pattern (SADP). Dengan penggambaran tersebut diharapkan akan di dapat keterangan lebih meyakinkan terkait Titanium karbida serta penyebarannya di dalam microstructure.