Proses pengerasan atau hardening adalah suatu proses perlakuan panas
yang dilakukan untuk menghasilkan suatu benda kerja yang keras, proses ini
dilakukan pada temperatur tinggi yaitu pada temperatur austenisasi yang
digunakan untuk melarutkan sementit dalam austenit yang kemudian di quench.
Pada tahap ini akan menghasilkan terperangkapnya karbon yang akan
menyebabkan bergesernya atom-atom sehingga terbentuk struktur body center
tetragonal atau struktur yang tidak setimbang yang disebut martensit yang bersifat
keras dan getas.
a. Temperatur Pengerasan untuk Baja Hipoeutektoid
Temperatur yang digunakan adalah sekitar 200-500 C di atas garis A3.
Misalkan sebagai contoh apabila baja dengan struktur ferit dan perlit dipanaskan
sampai temperatur dibawah A1, maka pemanasan tersebut tidak akan mengubah
struktur awal dari baja tersebut. Apabila pemanasan sampai temperatur A1 tetapi
masih di bawah garis A3 akan mengubah perlit menjadi austenit tanpa terjadi
perubahan apa-apa pada feritnya.
Jika baja dipanaskan pada temperatur sedikit di atas A3 dan ditahan pada
temperatur tersebut untuk jangka waktu tertentu agar dijamin proses difusi yang
homogen, maka struktur baja akan bertransformasi menjadi austenit dengan
ukuran butir yang relatif kecil. Quenching dari temperatur austenisasi akan
menghasilkan martensit dengan harga kekerasan yang maksimum.
Memanaskan sampai ke temperatur E cenderung meningkatkan ukuran
butir austenit. Quenching dari temperatur seperti itu akan menghasilkan struktur
martensit, tetapi sifatnya, bahkan setelah ditemper sekalipun, akan memiliki harga
impak yang rendah. Disamping itu juga mungkin juga timbul retak pada saat
diquench.
b. Temperatur Pengerasan untuk Baja Hipereutektoid
Temperatur yang digunakan adalah sekitar 300-500 C di atas temperature
A13 yang berada pada daerah austenit dan sementit seperti terlihat pada gambar di
atas tadi. Struktur hasil proses quench memiliki kekerasan yang sangat tinggi
dibandingkan dengan martensit karena adanya karbida-karbida yang tidak larut
yang memilki kekerasan di atas martensit.
Jumlah karbida yang dapat larut pada austenit sebanding dengan
temperatur austenisasinya. Jumlah karbida yang larut meningkat jika temperatur
austenisasi dinaikkan; demikian juga dengan ukuran butir disertai dengan
penurunan kekerasan austenitnya. Jika karbida yang terlarut terlalu besar, akan
terjadi peningkatan ukuran butir disertai dengan penurunan kekerasan dan
ketangguhan seperti pada gambar di bawah ini, jika baja dipanaskan di atas
temperatur Acm, struktur yang dihasilkannya hanya terdiri dari austenit saja.
Dalam hal ini pertumbuhan butir akan lebih besar; akibatnya martensit yang akan
dihasilkannya akan lebih kasar. Proses diatas akan menghasilkan kekerasan
martensit yang rendah karena adanya austenit sisa pada struktur quench dan tidak
adanya karbida yang dihasilkan.
c. Tahapan Pekerjaan yang Harus Dilakukan Sebelum Proses Pengerasan Baja
1) Bebas dari terak (scale), oli, dan sebagainya agar dihasilkan kekerasan yang
diinginkan dengan kata lain benda kerja harus bersih.
2) Benda kerja yang memiliki lubang, jika perlu, terutama pada baja perkakas
harus ditutup dengan tanah liat, asbes atau baja insert sehingga tidak terjadi
pengerasan pada bagian lubang tersebut. Hal ini tidak perlu dilakukan jika
ukuran lubang relatif besar.
3) Benda kerja harus ditempatkan pada fixture yang layak sebelum diletakkan di
dalam tungku. Hal ini adalah dilakukan untuk mencegah timbulnya distorsi.
Benda kerja-benda kerja yang kecil yang relatif kecil dapat diletakkan dalam
suatu “keranjang” yang didisain khusus untuk itu agar dijamin kekerasan yang
homogen.
4) Baja karbon dan baja paduan rendah dapat dipanaskan langsung ke temperatur
pemanasannya tanpa memerlukan adanya pemanasan awal (pre-heat).
Sedangkan benda kerja yang besar dan bentuknya rumit dapat dilakukan
pemanasan awal untuk mencegah distorsi dan retak akibat tidak homogennya
temperatur di bagian tengah dengan di bagian permukaan. Pemanasan awal
biasanya dilakukan untuk baja-baja perkakas karena konduktifitas panas baja
tersebut sangat rendah, temperatur pemanasan awal yang dilakukan adalah
5000-6000C.
5) Benda kerja yang akan dikeraskan harus mempunyai struktur yang homogen
dan halus, karena apabila dari struktur logam tersebut kasar maka akan
diperoleh struktur logam yang tidak homogen, distorsi, retak pada saat
dipanaskan maupun pada saat diquench. Untuk itu struktur logam yang kasar
sebelum dipanaskan harus dinormalkan terlebih dahulu dengan temperatur
7800-8000 C.
Untuk menghindari cacat yang akan terjadi dapat dilakukan upaya-upaya
sebagai berikut:
o Menutupi atau menambah perkuatan bagian ramping semenjak
pemanasan.
o Bahan pengejut yang tepat, sesuai dengan jenis baja dan kekerasan yang
dituntut.
o Sikap pengejutan yang menguntungkan.
o Sering-sering membalikkan benda kerja dan menggerakkannya di dalam
medium pengejut (Quench).
o Perlengkapan pengencangan benda yang dikeraskan harus dipasang
sedemikian rupa sehingga tidak merintangi penyejukan cepat pada tempat
yang dikeraskan.
Wadah untuk melakukan proses quench sedapat mungkin harus berada
didekat perlengkapan pemanasan dan harus cukup besar atau memiliki
pendinginan tambahan supaya isinya tidak terpanasi pada saat pengejutan.
d. Lama Pemanasan
Waktu yang diperlukan untuk mencapai temperatur pengerasan tergantung
pada beberapa faktor seperti jenis tungku dan jenis elemen pemanasnya. Laju
pemanasan dari tungku garam relatif lebih cepat dibanding dengan atmosfir
karena perpindahan panas dari cairan ke benda padat terjadi dengan laju yang
lebih cepat.
Pemeriksaan visual dilakukan untuk mengetahui apakah benda kerja telah
mencapai temperatur yang diinginkan dan bisa dilakukan dengan cara
membandingkannya dengan warna dinding tungku. Setelah benda kerja telah
mencapai suhu yang diinginkan kemudian diquench untuk mendapatkan struktur
yang martensit.
Pada umumnya setelah proses quenching dilakukan pemanasan kembali
menuju suhu tertentu dengan penyejukan lambat laun sesudahnya. Proses untuk
menghindari kerapuhan dan tegangan pengejutan ini disebut penemperan.
Sebelum dilakukan proses pemanasan dilakukan pemanasan pendahuluan yang
ikut menentukan bagi terbentuknya hasil pengerasan yang bebas rengatan. Dan
salah satu caranya adalah dengan tidak memasukkan benda kerja yang akan
dipanaskan dalam keadaaan dingin. Pemanasan awal biasanya dilakukan pada
suhu 1500
C di bawah temperatur pengerasan yang digunakan. Salah satu
penyebab yang sering terbentuknya rengatan pengerasan ialah karena pemanasan
tidak merata pada benda yang dikeraskan.
e. Tungku untuk Mengeraskan Baja
Tungku yang diperlukan untuk mengeraskan baja harus dilengkapi dengan
peralatan pengendali temperatur yang akurat dan pengendali atmosfir tungku agar
proses yang sedang dilaksanakan terjamin. Perlu diperhatikan bahwa atmosfir
yang digunakan selama proses pemanasan harus netral dan tidak menimbulkan
dekarburasi atau karburasi pada permukaan baja yang diproses.
Adanya lapisan
dekarburasi dapat menyebabkan rendahnya kekerasan sehingga dapat
menimbulkan kekeliruan dalam memilih temperatur tempering. Dekarburasi juga
dapat pula menjadi penyebab timbulnya retak pada jenis baja perkakas. Jenis-jenis tungku yang digunakan pada proses perlakuan panas antara lain
adalah: Tungku garam, Tungku “Muffle”, Tungku Vakum dan Tungku “Fluidized
Bed”. Tungku-tungku tersebut dinamai seperti itu disesuaikan dengan jenis
medium pemanas yang digunakan. Perlu diketahui bahwa kecermatan proses
pengerasan sangat tergantung pada penyiapan medium pengerasan yang tepat.
f. Cara Menguench
Medium yang digunakan untuk proses quench tergantung dari komposisi
kimia baja yang diproses, kekerasan yang ingin dicapai, besarnya distorsi yang
diijinkan dan kompleksitas bentuk benda kerja. Medium yang umum digunakan
adalah: air, oli, brine, garam cair dan larutan polimer.
Jenis baja, ketebalan penampang, distorsi yang diijinkan dan sifat yang
ingin diperoleh dari benda kerja yang diproses menentukan metoda atau cara
quench. Cara-cara quench adalah sebagai berikut:
1) Quench langsung (Direct quench).
Cara ini dilakukan dengan mengunakan medium air atau oli dimana benda
kerja ditahan pada temperatur pengerasannya untuk jangka waktu tertentu.
2) Martempering.
Dengan cara ini, benda kerja dipanaskan sampai ke temperatur pengerasannya
dengan cara yang biasa, medium yang digunakan adalah cairan garam.
Temperature cairan garam tersebut dijaga konstan di atas temperature Ms dari
baja yang bersangkutan. Benda kerja yang diproses didiamkan dalam cairan
garam tersebut sampai temperatur diseluruh bagian benda homogen , tetapi
tidak boleh terlalu lama karena bisa mengakibatkan bertransformasi menjadi
fasa-fasa yang lebih lunak seperti perlit dan bainit.kerja seluruh cairan
3) Austempering.
Proses ini dilakukan dengan cara mengquench baja dari temperatur
austenisasinya ke dalam garam cair yang bertemperatur sedikit di atas
temperatur Ms-nya.
4) Quench yang ditunda (Delay quenching). Proses ini dilakukan sesuai dengan nama metodenya yaitu benda kerja yang
sudah dipanaskan dan dikeluarkan dari tungku pada temperatur pengerasannya
dibiarkan beberapa saat sebelum diquench. Cara ini dilakukan agar proses
quench terjadi pada temperatur benda kerja yang lebih rendah sehingga
memperkecil kemungkinan timbulnya distori. Cara ini lazim digunakan pada
HSS, baja hot-worked dan baja-baja yang dikeraskan permukaannya.
5) Time quench.
Metode ini dilakukan pada baja-baja yang memiliki mampu keras yang rendah
yang memerlukan quenching ke dalam air atau pada baja-baja yang memiliki
mampu keras yang tinggi tetapi ukuran benda kerjanya besar.
6) Die quench.
Metode ini dilakukan dengan menggunakan medium yang mampu menyerap
panas. Atas dasar hal tersebut, selama proses quench benda kerja dapat
“dipress” sehingga secara mekanik kemungkinan distorsi dapat diperkecil.
g. Medium quenching
Tujuan utama dari proses pengerasan adalah agar diperoleh struktur
martensit yang keras; sekurang-kurangnya dipermukaan baja. Hal ini hanya dapat
dicapai jika menggunakan medium yang efektif sehingga baja didinginkan pada
suatu laju yang dapat mencegah terbentuknya struktur yang lebih lunak seperti
perlit dan bainit.
Untuk baja karbon, medium quenching yang digunakan adalah air,
sedangkan untuk baja paduan medium yang disarankan adalah oli, cairan polimer
atau garam. Untuk baja-baja paduan tinggi disarankan agar menggunakan medium
cairan garam.
Medium yang digunakan pada proses quenching diantaranya, adalah:
1) Air.
2) Oli.
3) Garam netral.
4) Gas quenching.
5) Quenchant polimer. 6) Fluidized bed.
h. Penemperan
Proses tempering adalah proses pemanasan kembali baja yang dikeraskan.
Dengan proses ini, duktilitas dapat ditingkatkan namun kekerasan dan
kekuatannya menurun. Pada sebagian baja struktur, proses temper dimaksudkan
untuk memperoleh kombinasi antara kekuatan, duktilitas dan ketangguhan yang
tinggi. Dengan demikian baja yang telah mengalami proses pengerasan kemudian
dilanjutkan dengan proses temper akan menjadikan baja lebih bermanfaat karena
adanya struktur yang lebih stabil.
Menurut tujuannya penemperan dibedakan, yaitu;
1) Penemperan membebaskan tegangan antara 1000 sampai 2000C untuk
memperlunak tegangan tanpa mengurangi kekerasan.
2) Penemperan antara 2000 sampai 380 C untuk memperlunak kekerasan yang
berlebihan dan meningkatkan keuletan, sedangkan perubahan ukuran yang
juga terjadi pada pengejutan diperkecil (penting pada perkakas sayat)
penerapannya pada baja paduan rendah dan bukan baja paduan.
3) Penemperan antara 500 sampai 6500C untuk meningkatkan kekerasan
dengan penguraian karbid. Penerapannya hanya pada baja perkakas paduan
tinggi. Penemperan baja bukan paduan berlangsung pada suhu penemperan
yang berpedoman pada kandungan karbon dan kekerasan yang dikehendaki
(1800 sampai 3400).
Semakin tinggi suhu penemperan dan semakin lama didiamkan pada suhu
ini (lama penemperan) semakin banyak terbentuk martensit: kekerasan akan lebih
rendah, keuletan akan bertambah dan tegangan berkurang.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada saat temperatur dinaikkan, baja
yang dikeraskan akan mengalami 4 tahapan sebagai berikut:
o Pada temperature antara 800
dan 2000
C, suatu produk transisi yang kaya
karbon yang dikenal sebagai karbida, berpresipitasi dari martensit
tetragonal sehingga menurunkan tetragonalitas martensit atau bahkan
mengubah martensit tetragonal menjadi ferit kubik. Pada saat ini, akibat keluarnya karbon, volume martensit berkontraksi. Karbida yang terbentuk
pada perioda ini disebut sebagai karbida epsilon.
o Pada temperatur antara 2000
dan 3000
C, austenit sisa mengurai menjadi
suatu produk seperti bainit. Penampilannya mirip martensit temper
perioda ini mirip martensit temper. Pada tahap ini volume baja meningkat.
o Pada temperatur antara 3000
dan 4000
C terjadi pembentukan dan
pertumbuhan sementit dari karbida yang berpresipitasi pada tahap pertama
dan kedua. Perioda ini ditandai dengan adanya penurunan volume dan
melampaui efek yang ditimbulkan dari penguraian austenit pada tahap
yang kedua.
o Pada temperatur antara 4000
dan 7000
C pertumbuhan terus berlangsung
dan disertai dengan proses sperodisasi dari sementit. Pada temperatur yang
lebih tinggi lagi, terjadi pembentukan karbida kompleks pada baja-baja
yang mengandung unsur-unsur pembentuk karbida yang kuat.
:.