MATERIAL TEKNIK PROSES PENGERASAN (HARDENNING)

PROSES PENGERASAN (HARDENNING)

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.            
         

0 comments: