Tool steel atau
baja perkakas adalah jenis baja yang diperuntukan sebagai perkakas (tool).
Biasanya digunakan untuk cutting, shaping, dan forming komponen-komponen.
Selama pemakaiannya, baja perkakas mengalami beban yang tinggi dan tiba-tiba,
juga temperatur operasi yang tinggi. Baja perkakas merupakan paduan kompleks
yang mengandung sejumlah besar unsur paduan, seperti karbon (C), tungsten (W),
molybdenum (Mo), vanadium (V), mangan (Mn), dan chrom (Cr). Kebanyakan unsur
paduannya adalah pembentuk karbida, yang akan meningkatkan kekerasan material.
Gambar 1 menunjukan hubungan antara jumlah paduan pembentuk karbida dengan
kekerasan material. Dengan jumlah paduan yang semakin banyak, kekerasan material
akan meningkat.
Gambar
1. Pengaruh jumlah paduan terhadap kekerasan (HV).
Sifat utama
yang harus dimiliki oleh baja perkakas adalah ketahanan terhadap softening
(pelunakan) material pada temperatur tinggi. Selain itu, baja perkakas harus
memiliki ketahanan terhadap aus, deformasi, perpatahan, dan sifat mampu mesin
(machinability) yang baik. Juga ketangguhan yang sangat baik untuk menyerap
beban besar dan tiba-tiba.
Gambar
2. Perlakuan panas baja perkakas SKD61.
Sifat-sifat
yang diinginkan pada baja perkakas dapat dicapai dengan proses Secondary
Hardening (Gambar 3) atau tempering pada
suhu di atas 500oC. Sebagai contoh, proses perlakuan panas pada baja
perkakas SKD 61 yang skemanya dapat dilihat pada Gambar 2. Pertama, baja yang
ingin dijadikan tool steel di-anneal agar lunak dan dapat diproses lebih
lanjut. Barulah dilakukan pengerasan melalui proses temper selama 1 jam. Namun,
sebelumnya baja perlu di-austenisasi terlebih dahulu agar sifat mekanik atau
kekerasan yang diinginkan tercapai dan karbon juga elemen paduan dapat terlarut
baik. Pre-heat dilakukan supaya baja tidak mengalami retak saat austenisasi,
akibat perbedaan temperatur di permukaan dan inti.
Gambar
3. Pengaruh Secondary Hardening terhadap sifat mekanis.
Proses
austenisasi diikuti oleh pendinginan cepat atau kuens. Proses ini tidak
memberikan waktu cukup bagi karbon untuk berdifusi keluar. Sehingga karbon
terperangkap dan struktur menjadi lewat jenuh, yang disebut struktur
‘martensit’. Tidak semua austenit (yang berasal dari proses austenisasi)
berubah menjadi martensit. Selalu ada austenit sisa, yang jumlahnya bertambah
dengan meningkatnya jumlah paduan, waktu tahan dan temperatur austenisasi. Baja
hasil kuens (pendinginan udara), memiliki struktur martensit dengan sifat keras
namun getas, dimensi yang tidak stabil, dan terdapat tegangan sisa akibat
kuens. Oleh karena itu, baja perlu perlakuan temper atau pemanasan kembali.
Waktu holding dan temperatur temper akan memberi peluang bagi karbon untuk
berdifusi sehingga tegangan sisa dapat dikurangi. Secara umum, proses temper
dilakukan untuk:
• Mengurangi tegangan sisa akibat proses kuens.
• Meningkatkan ketangguhan dan keuletan dengan sedikit mengorbankan kekerasan.
• Mengontrol dimensi komponen yang dikeraskan.
• Meningkatkan kekerasan baja perkakas.
Proses
pengerasan baja perkakas selalu harus langsung diikuti dengan proses temper.
Temper dapat dilakukan pada beberapa temperatur berbeda untuk mendapatkan hasil
berbeda. Berikut ini perubahan mikrostruktur pada beberapa waktu temper:
• 80-160oC : pembentukan karbida transisi, serta penurunan
kandungan karbon pada matriks martensit sampai dengan 0,23%.
• 230-280oC : transformasi austenit sisa menjadi bainite.
• 160-400oC : karbida transisi, dan martensit menjadi
sementit+ferit.
• 400-700oC : pertumbuhan dan pembulatan sementit.
• 500-600oC : adanya elemen paduan pembentuk karbida
mengakibatkan secondary hardening, yaitu pembentukan karbida paduan yang mengakibatkan kekerasan meningkat lagi.
Pada umumnya,
semakin tinggi temperatur temper, maka makin mudah karbon berdifusi sehingga
baja menjadi semakin ulet dan berkurang kekerasannya. Namun, pada baja dengan
kandungan karbida tinggi seperti baja perkakas terdapat fenomena secondary
hardening. Dimana pada pemanasan di suhu 500-600oC akan terbentuk
persipitat karbida. Presipitat karbida ini bersifat keras sehingga meningkatkan
kekerasan dari baja perkakas. Gambar 4 memperlihatkan pengaruh dari
masing-masing elemen saat proses secondary hardening terhadap kekerasan baja
perkakas.
Gambar 4. Secondary Hardening pada baja perkakas.
A = martensit temper
B = presipitat karbida
C = martensit dari austenit sisa
D = kurva temper untuk baja perkakas tipe HSS dan High alloy tool
steel
A + B + C = D
Gambar
4. Secondary Hardening pada baja perkakas.
Sebagai
perbandingan dan kesimpulan, dapat dilihat pada grafik di bawah. Pada gambar
kiri, baja karbon, kekerasan turun drastis dengan naiknya temperatur temper.
Pada gambar tengah, baja paduan, sifat kekerasan lebih baik dari baja karbon rendah
tetapi masih menurun kekerasannya dengan naiknya temperatur temper. Hal berbeda
ditunjukan oleh grafik kanan, baja perkakas, yang kekerasannya naik dengan
bertambahnya temperatur temper (hinngga temperatur tertentu, grafik turun).
