PENGERASAN PERMUKAAN PADA BAJA ~
A. Proses Perlakuan Panas
uatu proses laku panas (heat treatment) adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan secara terkontrol yang dilakukan terhadap logam atau paduan logam dalam keadaan padat dengan tujuan untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu.
Semua proses laku panas terhadap baja pada umumnya akan melibatkan tranformasi atau dekomposisi austenit. Apa sebenarnya dan bagaimana bentuk dari hasil transformasi tersebut akan menentukan sifat-sifat fisis dan mekanis dari baja yang dikenai proses heat treatment tersebut.
1. Heating (Pemanasan)
Langkah awal dari proses heat treatment adalah memanaskan baja hingga temperatur tertentu pada atau diatas daerah kritis (critical range, daerah temperatur antara garis A1 dan A3 pada diagram Fe – Fe3C) untuk memperoleh daerah austenite. Pada umumnya kecepatan pemanasan tidaklah penting dibandingkan dengan faktor lain dalam suatu proses heat treatment, akan tetapi untuk hal-hal tertentu kecepatan pemanasan perlu diperhatikan juga. Sebagai contoh untuk pemanasan baja yang mengalami tegangan (karena proses pengerjaan dingin) perlu dilakukan pemanasan secara lambat agar tidak terjadi distorsi. Juga untuk benda kerja yang mempunyai luas penampang yang bervariasi perlu diperhatikan karena bagian tebal akan lebih lambat kenaikan temperaturnya, sebab itu pemanasan sebaiknya dilakukan lambat atau bagian yang tipis dihambat pemanasannya, supaya tidak timbul tegangan yang terlalu besar karena perbedaan temperatur yang akan dapat mengakibatkan terjadinya distorsi. Biasanya kerusakan lebih jarang terjadi bila menggunakan kecepatan pemanasan yang lebih kecil.
2. Holding Time (waktu Penahanan)
Setelah mencapai temperatur pemanasan yang telah ditentukan temperatur ini perlu dipertahankan kondisinya selama jangka waktu tertentu untuk member kesempatan pada atom-atom agar dapat bergerak (berdifusi) menyempurnakan proses austenitisasi atau perubahan Kristal baru. Lamanya holding time ini tergantung dari ukuran benda kerja yang akan di heat treatment.
S
3. Cooling (Pendinginan)
Dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu, dalam hal ini kecepatan pendinginan sangat berpengaruh terhadap hasil transformasi dan sifat-sifatnya. Ini bisa kita lihat pada diagram Fe- Fe3C dengan proses pendinginan yang equilibrium.
1. Homogenity Austenite
Pada pemanasan yang equilibrium setiap saat komposisi dalam suatu butir Kristal selalu homogeny karena atom-atomnya cukup waktu untuk berdifusi. Pada pemanasan yang lebih cepat komposisi ini tidak homogeny. Misalnya pada baja hypoeutectoid dipanaskan sampai A1 maka akan terbentuk austenite dari perlit. Austenit ini mengandung karbon 0,8%.
Pada temperatur diatas ferit juga ikut menjadi austenite tetapi dengan kadar karbon rendah. Bila austenite ini didinginkan cepat baja austenit yang mengandung karbon lebih banyak akan lebih keras, sehingga kekerasan pada benda kerja tidak maksium karena ada yang lebih lunak. Untuk menghindari hal tersebut maka atom-atom harus diberi kesempatan untuk berdifusi agar komposisi austenite menjadi homogeny, yaitu dengan membiarkan benda kerja berada pada temperatur pemanasan selama beberapa waktu, kurang lebih 1 jam/inchi dari diameter/ketebalan benda kerja.
2. Kecepatan Pendinginan
Untuk dapat mencapai struktur yang keseluruhannya martensit maka kecepatan harus mencapai kecepatan pendinginan kritis (Critical Cooling Rate - CCR). Dengan kecepatan pendinginan yang lebih lambat maka aka nada sebagian dari austenit yang bertransformasi menjadi struktur lain (ferit dan pearlit), bukan martensit yang keras. Pada pendinginan yang lebih cepat dari CCR kemungkinan terjadinya distorsi atau keretakan akan lebih besar.
Kecepatan pendinginan yang dialami suatu benda kerja banyak tergantung pada media pendinginan. Beberapa medium pendinginan yang sering digunakan disusun berdasarkan kemampuan mendinginkan adalah sebagai berikut:
a. Na OH
b. Brine (air + 10% garam dapur)
c. Air
d. Garam cair (dipanaskan sampai mendidih) e. Larutan minyak dalam air
f. Minyak g. Udara
h. Dalam dapur pemanas
Gambar 4.1. Kecepatan Pendinginan
Disamping hal diatas kecepatan pendinginan ini juga tergantung pada temperatur medium pendinginan tersebut dan kuatnya acitasi (olakan). Secara umum pada temperatur yang makin tinggi kemampuan mendinginkan dari medium pendingin akan membantu meningkatkan kemampuan mendinginkan.
3. Kondisi Permukaan
Bila baja berhubungan dengan atmosfir yang oxydising karena adanya uap air atau oksigen didalam dapur maka akan terbentuk lapisan kulit yang terdiri dari oksid besi yang disebut Scale. Scale yang tebal akan dapat mempengaruhi kecepatan pendinginan, karenanya juga akan mempengaruhi kekerasan yang diperoleh.
Seringkali juga terjadi bahwa lapisan kulit ini terkelupas pada waktu pendinginan sehingga kekerasan pada suatu permukaan akan tidak merata. Untuk itu perlu diusahakan agar tidak terbentuk scale, antara lain dengan:
a. Cast Iron Chips
Benda kerja dimasukkan dalam tempat yang berisi keping-keping besi tuang, sehingga oksigen yang masuk akan bereaksi lebih dulu dengan besi tuang sebelum bereaksi dengan baja.
b. Cooper Plating
Melapiskan tembaga pada permukaan benda kerja sebagian pelindung terhadap atmosfir untuk mencegah terbentuknya scale.
c. Protective Atmosphere
Memasukkan gas yang tidak bereaksi dengan baja ke dalam dapur pemanas, biasanya gas yang digunakan adalah hidrogen, Amoniak atau gas-gas hasil pembakaran sempurna dari hidro karbon.
d. Liquid Salt Pots
Pemanasan dilakukan dalam garam cair yang tidak bereaksi dengan baja.
4. Transformasi pada Pemanasan
Suatu baja hypoeutectoid, misalnya 0,4% C yang didinginkan secara equilibrium, pada temperatur kamar terdiri dari butir-butir kristal ferit dan perlit.
Gambar 4.2. Perubahan Struktur Pendinginan Lambat 0.20% Carbon Steel
(a) Austenite (b) formasi ferit dalam austenit (c) pertumbuhan struktur ferit 0.8% carbon (d) austenite berubah menjadi pearlite pada 1333ºF Kalau baja ini dipanaskan sampau suatu temperatur dibawah temperatur kritis A1 (lihat diagram equilibrium baja pada gambar 4.2), belum akan tampak terjadinya perubahan struktur mikro.
Tetapi bila pemanasan dilanjutkan hingga tepat diatas garis A1, maka ferrit dan cementite yang terdapat pada perlit akan mulai bereaksi membentuk austenit.
Pada pemanasan: Ferrit + Fe3C → Austenit
Dengan naiknya temperatur keatas garis A1 maka ferrit proeutectoid juga akan ikut dalam reaksi diatas, sehingga tepat pada temperatur kritis A3 seluruh ferrit dan cementite sudah bertransformasi menjadi austenit.
Gambar 4.3. Perubahan Struktur pada Pendinginan Lambat 1.0% Carbon Steel
(a) austenite (b) formasi cementite dalam austenite (c) pertumbuhan cementite 0.8% carbon (d) austenite berubah menjadi pearlite pada 1333ºF
Pada baja hypereutectoid, misalnya dengan 1,0% C pada temperatur kamar terdiri dari perlit yang dikelilingi oleh jaringan cementite (cementite network). Pada pemanasan transformasi baru akan terjadi bila sudah mencapai temperatur kritis A3,1. Diatas temperatur kritis A3,1 ini cementite mulai ke dalam austenit (yang terjadi sebagai hasil transformasi dari perlit), makin tinggi temperatur makin banyak yang larut, sehingga setelah mencapai Acm sudah tidak lagi ada cementite, seluruhnya austenit. Kalau setelah seluruhnya menjadi austenit, baik pada baja hypereutectoid maupun baja hypoeutectoid, masih terus diberikan pemanasan sampai ke
temperatur yang lebih tinggi lagi, tidak terjadi perubahan apa-apa selain bertambah besarnya ukuran butir kristal austenit.
Pada baja yang mengalami pengerjaan dingin (cold work) akan timbul tegangan sebagai akibat pergeseran atom-atom di dalam kristalnya. Bila pada baja tersebut dilakukan pemanasan, mula-mula energi panas ini akan mengembalikan sebagian atom-atom yang tergeser tadi ke suatu posisi yang lebih baik, dan mengakibatkan berkurangnya tegangan. Selanjutnya mulai tumbuh inti kristal baru pada kristal yang mengalami deformasi tadi, hal ini disebut kristalisasi. Dengan pemanasan lebih lanjut kristal baru ini (yang strukturnya sama dengan kristal sebelum deformasi) akan tumbuh lebih besar dan baru akan mengalami transformasi bila telah mencapai temperatur kritis (A1, A3.1).
5. Ukuran dan Berat Benda Kerja
Karena hanya permukaan benda kerja saja yang berhubungan langsung dengan medium pendingin, maka perbandingan luas permukaan dengan berat benda kerja akan menjadi suatu faktor penting yang menentukan kecepatan pendinginan benda kerja.
Perbandingan ini merupakan fungsi dari bentuk geometris dan ukuran benda kerja. Perbandingan ini yang paling besar adalah pada bentuk bola. Yang mempunyai perbndingan lebih besar berarti kecepatan pendinginnya akan lebih cepat. Ukuran benda kerja akan mempengaruhi juga kecepatan pendinginan. Ukuran yang besar mempunyai perbandingan luas permukaan-berat benda kerja kecil.
Pada gambar dibawah diperlihatkan kurva pendinginan pada benda kerja dengan berbagai ukuran, terlihat bahwa benda kerja dengan ukuran kecil akan mudah mencapai kecepatan pendinginan kritis dan akan terlihat bahwa kecepatan pendinginan pada permukaan benda kerja, kecepatanpendinginan pada bagian dalam akan lebih lambat, karenanya kekerasannya akan lebih rendah.
B. Hardening (Pengerasan)
Dalam pemilihan bahan untuk suatu konstruksi biasanya kekuatan, keuletan dan ketangguhan merupakan faktor yang sangat menentukan. Dalam beberapa hal sifat kekerasan juga ikut menentukan, sebagai contoh untuk sifat tahan aus. Pada baja tidak
sulit untuk mengatur/merubah kekerasannya. Dengan menambah kekerasannya biasanya juga akan menambah kekuatan tetapi akan mengakibatkan berkurangnya ketangguhan dan keuletannya.
Langkah proses melakukan hardening:
1. Memanaskan sampai temperatur austenit (heating).
2. Mempertahankan temperatur tersebut sampai beberapa saat (holding time).
3. Dilakukan pendinginan dengan cepat (quenching).
Gambar 4.4. Proses Hardening
Biasanya setelah proses hardening biasanya diikuti proses tempering. Kekerasan maksimum yang dapat dicapai untuk suatu baja tergantung pada kadar carbonnya, makin tinggi kadar carbon akan semakin tinggi pula kekerasan yang dicapainya.
Pada kadar carbon rendah kenaikan kekerasan ini tidak berart, sehingga pengerasannya hanya dilakukan terhadap baja dengan kadar kabon yang cukup, yaitu tidak kurang dari 0,3% C. Untuk melakukan pengerasan untuk kadar karbon lebih rendah dari 0,3% C diperlukan cara lain, misalnya Carburising.
Tinggi kekerasan yang dicapai setelah hardening disamping ditentukan oleh kandungan kadar carbon juga tergantung pada beberapa faktor lain yang mempengaruhi yaitu:
- Temperatur pemanasan.
- Homogenity dari austenit.
- Kecepatan pendinginan.
- Hardenability dari bajanya.
- Kondisi permukaan benda kerja.
- Ukuran/berat benda kerja.
Temperatur pemanasan berada pada daerah 25° - 50°C diatas A3 (untuk baja hypoeutectoid), diatas A1 untuk hypereutectoid.
Gambar 4.5. Graphical Summary of Process Heat Treatments for Steel on An Equilibrium Diagram
Pemanasan sampai pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur kritis tentu tidak akan menghasilkan terjadinya auste-nite maka sesudah pendinginan tidak akan diperoleh martensit.
Pemanasan sampai pada temperatur antara A1 dan A3 pada baja hypereutectoid sudah bisa menghasilkan austenit, akan tetapi masih ada ferit dan pada pendinginan cepat ferit ini tidak akan menjadi martensit, sehingga kekerasan maksimum tidak dapat tercapai. Benda kerja menjadi lebih rapuh dan mungkin akan terdistorsi bahkan mungkin akan retak, terutama untuk kadar carbon yang tinggi.