Pengerasan adalah proses pemanasan baja sampai suhu di daerah atau di atas daerah kritis disusul dengan pendinginan yang cepat. Bila kadar karbon diketahui, suhu pemanasannya dapat diabaca dari diagram fasa Besi-karbida besi. Akan tetapi, bila komposisi baja tidak diketahui, perlu diadakan percobaan untuk mengetahui daerah pemanasannya. Cara yang terbaik adalah memanaskan dan mencelupkan beberapa potong baja berbagai suhu disusul dengan pengujian kekerasan atau pengamatan mikroskopik. Bila suhu yang tepat telah diperoleh akan terjadi perubahan dalam kekerasan dan sifat lainnya.
a) Kemampuan Pengerasan Baja
Kemampuan pengerasan logam dapat ditentukan dengan mempergunakan percobaan Jominy. Sepotong baja berukuran diameter 25 mm, panjang 100 mm dinormalisasikan kemudian dipanaskan sampai suhu austenitisasi. Contoh dengan cepat diletakkan pada landasan dengan salah satu ujungnya 12,7 mm di atas pipa air.
Air disemprotkan sehingga seluruh benda menjadi dingin.
Gambar 3.1 Skema Percobaan Jominy
Setelah itu permukaan diratakan sedalam 0,38 mm dan diukur kekerasannya pada jarak 1,6 mm mulai dari bagaian bawah yang disemprot air sampai jarak 75 mm. Kekerasan yang paling dekat dengan ujung adalah yang tertinggi, karena pendinginannya paling cepat. Makin jauh dari ujung bahan makin lunak, karena pada pendinginan harus ada konduksi panas ke ujung. Baja dengan kemampuan pengerasan yang tinggi akan mempunyai kekerasan yang merata. Bila kemampuan pengerasannya rendah, kekerasan akan turun dengan tajam semakin jauh dari ujung. Dari hasil percobaan Jominy dapat dibandingkan kemampuan pengerasan berbagai jenis baja, terutama tebal lapisan yang dikeraskan. Unsur paduan meningkatkan kemampuan pengerasan baja dan benda berukuran kecil dapat dikeraskan dengan merata dari dalam sampai permukaan.
Penambahan unsur paduan menyebabkan penggeseran diagram transformasi isotermal ke sebelah kanan sehingga baja lebih mudah dicelup tanpa memotong ujung kurva. Oleh karena itu baja lebih mudah dikeraskan karena memerlukan laju pendinginan yang lebilambat
b) Struktur Baja yang Dikeraskan
Bila baja hipoeutektoid didinginkan secara perlahan-lahan, austenit bertransformasi menjadi ferit dan perlit, baja dengan susunan demikian lunak dan ulet. Bila baja didinginkan dengan lebih cepat, akan dihasilkan dengan susunan yang berlainan, baja akan lebih keras tetapi kurang ulet. Pendinginan yang cepat seperti pencelupan dalam air akan menghasilkan struktur martensit. Martensit adalah struktur yang paling keras. Sementit yang lebih keras sedikit terdapat secara bebas dan dalam jumlah yang kecil dalam baja hipoeutektoidsehingga pengaruhnya atas kekerasan baja dapat diabaikan.
Unsur yang sangat penting dalam baja yang dikersakan ialah martensit. Martens, seorang ilmuan bebangsa Jerman, menemukan struktur ini pada tahun 1878. Martensit diperoleh dengan mencelupkan baja karbon dalam air dan terbentuklah fasa transisi yang terjadi karena dekomposisiaustenit dengan cepat dan merupakan larutan padat karbon. Kekerasan martensit tergantung pada kadar karbon dan berkisar antara Rockwell C 45 dan C 67. Martensit sukar dipotong, bahannya rapuhdan bersifat magnetic.
Bila baja dicelup, lebih lambat daripada kecepatan kritis, terbentuklah struktur yang hitam, agak bulat yang disebut perlit halus. Perlit halus kurang keras dibandingkan dengan martensit. Kekerasannya berkisar antara 34 dan 45 Rockwell C; ulet dan tehan beban kejut. Bila laju pendinginan diperlambat lagi, maka akan terbentuk perlit kasar.
c) Kekerasan Maksimum Baja
Kekerasan maksimum yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon. Meskipun penambahan unsur paduan seperti khromdan vanadium dapat meningkatkan kemampuan pengerasan baja paduan, kekerasan maksimal tidak dapat melampaui kekerasan baja karbon dengan kadar karbon yang sama.
Diagram 3.1 Kekerasan maskimum sebagai fungsi dari kadar karbon.
Untuk dapat mencapai kekerasan maksimum karbon harus larut sempurnadalam austenit. Laju pendinginan minimal yang dapat menghasilkan 100% martensit disebut kecepatan pendinginan atau pencelupan kritis. Selain itu, harus diusahakan agar jumlah austenit sisa dapat ditekan karena austenit sisa akan melunakkan struktur.
Kekerasan maksimum dapat dicapai bila austenit seluruhnya dapat berubah menjadi martensit dan nilai kekerasannya 66 sampai 67 Rockwell C. Untuk dapat mencapai nilai ini kadar karbon harus sama dengan atau lebih dari 0,60%.
o Surface Hardening (Pengerasan Permukaan)
Pengerasan permukaan memiliki dua cara dalam proses hardening, yaitu dengan penambahan zat (Karburasi, Nitriding, Karbonitriding, Sianiding, Chromizing, Siliconizing, Boronizing) dan tanpa penambahan zat (Flame Hardening , Induction Hardening , Laser and Electron Beam Hardening). d) Karburasi
dipanaskan di atas suhu dalam lingkungan yang mengandung karbon, baik dalam
bentuk padat, cair ataupun gas. Beberapa bagian dari cara kaburasi yaitu kaburasi padat, kaburasi cair dan karburasi gas.
e) Karbonitiding
Adalah suatu proses pengerasan permukaan dimana baja dipanaskan di atas suhu kritis di dalam lingkungan gas dan terjadi penyerapan karbon dan nitrogen. Keuntungan karbonitiding adalah kemampuan pengerasan lapisan luar meningkat bila ditambahkan nitrogen sehingga dapat diamfaatkan baja yang relative murah ketebalan lapisan yang tahan antara 0,80 sampai 0,75 mm.
f) Sianiding
Adalah proses dimana terjadi absobsi karbon dan nitrogen untuk memperoleh specimen yang keras pada baja karbon rendah yang sulit
dikeraskan. g) Nitriding
adalah proses pengerasan permukaan yang dipanaskan sampai ± 510°c dalam lingkungan gas ammonia selama beberapa waktu.
B Quenching
Perlakuan baja ini dilakukan dengan memanaskan baja hingga fasa menjadi austenit dan didinginkan secara cepat (lihat diagram CCT baja karbon rendah). Media pendinginan cepat seperti air, oli, garam atau media pendingin lainnya. Tujuan utama perlakuan ini untuk meningkatkan kekerasan baja.
Quenching merupakan salah satu teknik perlakuan panas yang diawali dengan proses pemanasan sampai temperatur austenit (austenisasi) diikuti pendinginan secara cepat, sehingga fasa austenit langsung bertransformasi
secara parsial membentuk struktur martensit. Austenisasi dimulai pada temperatur minimum ± 50°C di atas Ac3,yang merupakan temperatur aktual transformasi fasa ferit, perlit, dan sementit menjadi austenit. Temperatur pemanasan hingga fasa austenit untuk proses quenching disebut juga sebagai temperatur pengerasan (haardening temperatur). Dan setelah mencapai temperatur pengerasan, dilakukan penahanan selama beberapa-
Diagram 3.2 gabungan annealing, non treat, quenching
menit untuk menghomogenisasikan energi panas yang diserap selama pemanasan, kemudian didinginkan secara cepat dalam media pendingin. Pada percobaan kami media pendingin yang didinginkan adalah air.
Tujuan utama quenching adalah menghasilkan baja dengan sifat kekerasan tinggi. Sekaligus terakumulasi dengan kekuatan tarik dan kekuatan luluh, melalui transformasi austenit ke martensit. Proses quenching akan optimal jika selama proses transformasi, struktur austenit dapat dikonversi secara keseluruhan membentuk struktur martensit. Hal-hal penting untuk menjamin keberhasilan quenching dan menunjang terbentuknya martensit khususnya, adalah: temperatur pengerasan, waktu tahan, laju pemanasan, metode pendinginan, media pendingin dan hardenability.
Quenching adalah proses pendinginan secara cepat setelah mengalami pemanasan. Ada tiga tingkatan pendinginan, yaitu:
Tahap pertama, suhu logam sangat tinggi sehingga medium quenching menguap pada permukaan logam.
o Vapor-transport Cooling Stage
Proses ini dimulai ketika logam didinginkan pada suhu uap air dan film tidak stabil.Permukaan logam basah oleh medium quenching dan titik didih yang tinggi. Tahapan ini merupakan proses pendinginan yang paling cepat.
o Liquid Cooling Stage
Proses ini dimulai ketika suhu permukaan logam mencapai titik didih. Tahapan ini merupakan proses yang paling lambat.
Laju reaksi, transformasi isotermal ditunjukan dalam diagram TTT. Garis yang terdapat di sebelah kiri menyatakan waktu yang diperlukan untuk memulai dengan dekomposisi. Garis yang terdapat disebelah kanannya menyatakan waktu berakhirnyareaksi γ→ ( α + C ) Garis-garis yang terdapat pada gambar tersebut dinamakan dengan diagram transformasi Isotermal atau diagram T-I. Gambar T-I diperoleh dari potongan-potongan contoh baja eutektoid yang dipanaskan sampai mencapai suhu austenit dan dibiarkan untuk waktu tertentu agar transformasi ke austenit selesai sepenuhnya. Potongan-potongan sampel kemudian dicelupkan lebih lanjut sampai mencapai suhu ruang. Perubahan γ→ (α + C) tidak terjadi pada contoh yang dibiarkan pada suhu 6200C selama kurang dari satu detik, dan transformasi sempurna menjadi α +karbida baru terjadi setelah 10 detik berlalu.Dengan diagram T-I membuktikan bahwa transformasi austenit berlangsungdengan lambat, baik pada suhu tinggi (dekat suhu eutektoid) maupun suhu rendah .
Reaksi yang lamban pada suhu tinggi disebabkan karena tidak cukup pendinginan lanjutyang dapat menimbulkan nukliasi ferit dan karbida baru dari austenit semula. Menurut media pendinginnya, quenching dapat dibagi menjadi beberapa bagian,yaitu:
o Quenching air
Air adalah media yang paling banyak digunakan untuk quenching, karena biayanya yang murah, dan mudah digunakan serta pendinginannya yang cepat. Air khususnya digunakan pada baja karbon rendah yang memerlukan penurunan temperatur dengan cepat dengan tujuan untuk memperoleh kekerasan dan kekuatan yang baik. Air memberikan pendinginan yang sangat cepat, yang menyebabkan tegangan dalam, distorsi, dan retakan
o Quenching dengan media oli
Oli sebagai media pendingin lebih lunak jika dibandingkan dengan air. Digunakan pada material yang kritis, Antara lain material yang mempunyai bagian tipis atau ujung yang tajam. Karena oli lebih lunak, maka kemungkinan adanya tegangan dalam, distorsi, dan retakan kecil. Oleh karena itu medium oli tidak menghasilkan baja sekeras yang dihasilkan pada medium air. Quenching dengan media air akan efektif jika dipanaskan pada suhu 30-60 OC.
o Quenching dengan media udara
Quenching dengan media udara lebih lambat jika dibandingkan dengan media oli maupun air. Material yang panas ditempatkan pada screen. Kemudian udara didinginkan dengan kecepatan tinggi dialirkan dari bawah melalui screen dan material panas. Udara mendinginkan material panas lebih lambat dari dari pada medium air dan oli. Pendinginan yang lambat kemungkinan adanya tegangan dalam dan distorsi. Pendinginan udara pada umumnya digunakan pada baja yang mempunyai kandungan paduan yang tinggi.
o Quenching dengan media air garam
Air garam adalah media yang sering digunakan pada proses quenching terutama untuk alat-alat yang terbuat dari baja. Beberapa keuntungan
menggunakan air garam sebagai media adalah. Suhunya merata pada air garam, proses pendinginan merata pada semua bagian logam, tidak ada bahaya oksidasi, karburisasi, atau dekarburisasi selama proses pendinginan