PROSES THERMAL LOGAM

TIN107 - Material Teknik

#8 - Proses Thermal Logam

6623 - Taufiqur Rachman

1


h t t p://ta ufiqurrach man.webl og.e sa unggu l.ac.id

PROSES THERMAL LOGAM Materi #8

TIN107 – Material Teknik

Fungsi Proses Thermal http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

2


Annealing • Mempersiapkan material logam sebagai produk setengah jadi agar layak diproses berikutnya. 6623 - Taufiqur Rachman


Hardening • Mempersiapkan material logam sebagai produk jadi agar memiliki sifat mekanis yang optimum. Materi #8

1



Proses Annealing http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

3










Proses perlakuan panas di mana material dikondisikan ke suhu tinggi selama beberapa waktu dan kemudian didinginkan. Suhu yang tinggi tersebut memungkinkan proses difusi terjadi secara cepat. Waktu yang dibutuhkan pada suhu tinggi tersebut (waktu perendaman) cukup panjang, yang memungkinkan transformasi terjadi. Pendinginan dilakukan perlahan-lahan untuk menghindari distorsi (wrapping) dari logam, atau bahkan retak, yang disebabkan oleh tekanan yang disebabkan oleh kontraksi diferensial karena inhomogenitas panas.


Materi #8

Proses Annealing http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

4






Keuntungan proses annealing, antara lain:  Meringankan tekanan,  Meningkatkan kelembutan, keuletan dan ketangguhan,  Menghasilkan struktur mikro yang spesifik. Deformasi logam yang telah diperkuat dengan pengerjaan dingin, memerlukan banyak energi. Mengembalikan efek pengerjaan dingin dengan proses annealing memudahkan deformasi lebih lanjut. Pemanasan memungkinkan pemulihan dan rekristalisasi, tetapi biasanya terbatas untuk menghindari pertumbuhan butir yang berlebihan dan oksidasi.



Materi #8

2



Perlakuan Annealing http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

5

Homogenizing (Homogenisasi)  Normalizing (Normalisasi)  Full Annealing (Annealing Lengkap)  Spherodizing (Spherodisasi)  Stress Relieving (Menghilangkan Tekanan)  Process and Recrystallization Annealing (Proses dan Rekristalisasi Annealing)





Materi #8

Homogenizing (Homogenisasi) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

6






Pemanasan pada temperatur tinggi di daerah fasa austenite (), jauh diatas titik kritis (A3 dan Acm). Tujuan:  Untuk menghilangkan efek segregasi kimia akibat proses pembekuan lambat ingot/billet.  Memperbaiki kemampuan pengerjaan panas (hot workability).



Materi #8

3



Normalizing (Normalisasi) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

7






Pemanasan lambat sampai dengan temperatur diatas transformasi    dan diikuti oleh pendinginan udara. Tujuan:  Menghilangkan ketidakseragaman mikrostruktur.  Mengeleminasi tegangan sisa.  Meningkatkan keseragaman dan penghalusan ukuran butir.


Materi #8

Full Annealing http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

8






Pemanasan sampai temperatur sedikit diatas transformasi    (A3: hypoeutectoid steels dan A1: hypereutectoid steels), yang diikuti oleh pendinginan lambat didalam dapur. Tujuan:  Membulatkan cementite “proeutectoid” atau karbida lainnya sehingga memperbaiki keuletan baja.  Menghasilkan kekerasan/kekuatan yang minimum sehingga mudah dilakukan deformasi pada pengerjaan dingin.  Menghilangkan struktur martensite pada baja paduan yang mungkin terbentuk akibat pendinginan yang relatif cepat melewati transformasi   .  Biasanya dilakukan pada baja yang akan dipasok kepasaran



Materi #8

4



Diagram Annealing Fe – C http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

9

Karakteristik 1000

Austenite () 911 900 Temperatur (ºC)


Homogenizing

 + Fe 3 C

H

N

F

Temperatur

***

**

*

Metode Pendinginan

n/a

Udara

Dapur

Waktu Proses

***

*

*

Keterangan: H = Homogenizing F = Full Annealing

723

▼▼ *** (Tinggi)

Perbandingan Normalizing – Full Annealing

700

Normalizing membentuk mikrostruktur lebih halus dibandingkan Full Annealing meskipun pemanasan

Ferrite () + Fe 3 C 600

* (Rendah)

N = Normalizing

800

0

0,2

0,4

0,6 0,8 1,0 % Carbon


1,2

1,4 1,6

dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi, hal ini akibat laju pendinginan yang lebih cepat.

Materi #8

Annealing Lainnya … (1) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

10




Spherodizing, dilakukan untuk meningkatkan mampu mesin (machinability) pada baja yang akan di proses permesinan dengan cara membulatkan cementite/karbida. Pemanasan dilakukan dibawah temperatur kritis A1 (~723°C), atau sedikit diatas A1 tetapi kemudian ditahan dibawah A1.



Stress-Relieve Annealing, pemanasan hingga dibawah temperatur kritis 550-650°C untuk baja karbon dan paduan rendah, 600-750°C untuk baja perkakas. Bertujuan untuk menghilangkan tegangan sisa akibat deformasi pengerjaan dingin.



Materi #8

5



Annealing Lainnya … (2) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

11








Recrystallization Annealing, pemanasan hingga temperatur 600°C dibawah temperatur kritis. Bertujuan untuk membentuk butir poligon yang bebas tegangan dan mempunyai keuletan serta sifat konduktivitas baik. Dilakukan pada baja setelah deformasi pengerjaan dingin. Quench Annealing, dilakukan pada baja jenis austenite yang di homogenizing atau recrystallization annealing dimana diikuti oleh pendinginan cepat untuk menghindari terbentuknya endapan karbida terutama pada batas butir. Isothermal Annealing, pendinginan cepat sampai temperatur tepat dibawah daerah transformasi, ditahan 12 jam, diikuti pendinginan udara.


Materi #8

Hardening http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

12






Membentuk struktur martensite/bainite yang memiliki kekerasan tinggi. Terdiri dari 3 tahap, yaitu: Heating

(Pemanasan) • Pre-heating (550-650°C) • Final heating (900-1050 °C) • Soaking



Quenching

(Kuens) • Pendinginan cepat oleh media pendingin (oli, air, lelehan garam, semprot gas/udara)

Tempering

(Temper) • Pemanasan kembali pada temperatur lebih rendah (150-600°C), sekali atau berulang

Materi #8

6



Siklus Hardening http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

13


Transformasi  (baja menyusut)

Baja sangat lunak ( u <<), struktur:  + karbida(sisa) Baja keras dan mulai tangguh, struktur: M (temper+stressed) +  sisa + Karbida(sisa) + lainnya Temper 1

Temper 2

Transformasi  (baja memuai) Baja keras tapi rapuh, struktur: M (stressed) +  sisa + Karbida(sisa) + lainnya

Ketangguhan lebih baik, struktur: M (temper) + Karbida + lainnya

Waktu 6623 - Taufiqur Rachman

Materi #8

Pemanasan (Heating) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

14






Hal-hal yang perlu diketahui:  Perbedaan temperatur antara bagian dalam dan permukaan, akibat rambatan panas, menyebabkan perbedaan pemuaian volume.  Baja menyusut sampai 4% (volume) pada kenaikan temperatur mencapai transformasi austenite. Hal-hal yang perlu dikontrol:  Lakukan preheating pada temperatur sekitar 550-650oC untuk mengeliminasi distorsi yang mungkin timbul akibat pemanasan.  Kecepatan pemanasan harus dikontrol agar tidak menimbulkan gradien temperatur yang sangat curam antara bagian dalam dan permukaan.



Materi #8

7



Tahap Austenitizing http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

15




Hal penting yang harus diperhatikan:  Waktu tahan (holding time) → t  Temperatur austenisasi (austenitizing temperature) → T


Materi #8

Tahap Austenitizing http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

16



Hal-hal yang diperhatikan:








Hindari susunan umpan didalam dapur yang saling tumpang-tindih untuk menghindari terjadinya deformasi komponen akibat berat komponen pada saat baja sedang lunak. Cek akurasi temperatur austenisasi yang ditentukan, misalnya dengan menggunakan thermocouple yang ditempelkanlangsung pada komponen. Hindari kesalahan penentuan penghitungan waktu tahan.



saat

mulainya

Materi #8

8



Tahap Quenching http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

17










Yaitu mendinginkan baja dari temperatur austenite sampai temperatur ambien pada media tertentu yang akan menghasilkan struktur martensite.

Pemilihan media baja/paduannya.

kuens

ditentukan

oleh

jenis

Semakin ekstrim media kuens risiko terhadap distorsi meningkat.

Perbedaan laju pendinginan antara permukaan dan bagian dalam menimbulkan profil kekerasan (tergantung ukuran perkakas dan komposisi baja).


Materi #8

Media Quenching … (1) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

18






Air, Murah serta sistemnya sederhana. Kekurangannya ia mudah membentuk selimut uap yang menutupi permukaan komponen, sehingga menghasilkan pedinginan tidak seragam dipenampang permukaan yang luas. Pemanfaatannya terbatas pada industri perlakuan panas. Eliminasinya di tambahkan Na/Ca Chloride, membutuhkan closed system. Larutan Polimer, Kemampuan pendinginan (H) diantara oli dan air. Memerlukan close control karena konsentrasinya mudah berkurang.



Materi #8

9




19






Oli, Kemampuan pendinginan tidak sebaik air, tetapi lebih disenangi. Dengan penambahan additive kemampuan pendinginan (H=cooling power) dapat ditingkatkan lebih dari 0,4 s/d 1. Lelehan Garam, Paling umum digunakan sebagai media pendingin dikarenakan dapat bekerja pada rentang temperatur yang besar (150°C s/d 595°C, atau bahkan lebih). Dikarenakan karakter tersebut lelehan garam banyak digunakan untuk delayed quenching seperti: kuens intermediate, kuens isotermal/holding pada berbagai temperatur.


Materi #8


20










Lelehan Logam, Banyak digunakan untuk kuens-interupsi (interrupted quenching), tetapi saat ini fungsinya sering digantikan oleh lelehan garam dikarenakan kemampuannya bekerja pada rentang temperatur lebih besar. Gas/udara, Hanya digunakan untuk baja dengan ukuran tipis atau baja yang memiliki mampu keras tinggi. Pengaturan cooling power dilakukan dengan cara mengatur laju semprot udara/gas. Cetakan Logam, Digunakan pada jenis material yang mememiliki risiko distorsi tinggi. Biasanya menggunakan water-cooled copper dies, dan kelemahannya biaya tinggi. Lainnya, Larutan garam, larutan soda, uap



Materi #8

10



Quenching (Media Cair) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

21








Selimut Uap, Kecepatan pendinginan relatif lambat akibat seluruh permukaan ditutupi oleh uap. Temperatur transisi menuju mekanisme pendidihan (leidenfrost temperature) tidak dipengaruhi oleh temperatur awal saat dikuens. Pendidihan, Kecepatan pendinginan sangat tinggi ditandai oleh gelembung-gelembung uap pada permukaan komponen. Konveksi, Kecepatan pendinginan kembali menjadi lambat melalui rambatan konveksi. Kecepatan perpindahan panas pada kondisi ini sangat dipengaruhi oleh viskositas cairan, agitasi, temperatur cairan/bath.


Materi #8

Mikrostruktur Baja Setelah Quenching http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

22








Terbentuknya martensite hanya dipengaruhi oleh kehadiran karbon didalam fasa austenite. Sejumlah karbida diperlukan untuk mencegah pertumbuhan butir pada waktu baja diaustenisasi. Terdapat sisa austenite yang tidak bertransformasi pada kondisi setelah quenching. Mikrostruktur baja kondisi anil (lunak), sebelum dikeraskan

Hardening

Ferrite, Pearlite

Martensite Sisa  Karbida

Karbida



Mikrostruktur baja setelah dikeraskan: martensite diperkuat oleh karbida

Materi #8

11



Sisa Austenite http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id






Terjadi akibat kandungan karbon yang tinggi, dan hadirnya elemen penstabil austenite () pada baja paduan. Penghilangan sisa austenite:  Tempering  Bainite,

BAJA KARBON

Sisa 

Kekerasan

23

Karbida, Martensite  Sub-zero Treatment  100% Martensite


Karbon diatas 0,8% Kekerasan menurun 0.7 0.8 Komposisi karbon

%C

Materi #8

Baja Setelah Quenching http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id


24



Terdapat tegangan sisa.



Rapuh dan mudah patah.



Dimensi tidak stabil.



Tidak siap digunakan.



Membutuhkan

Tempering

Materi #8

12



Tempering http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

25

Pemanasan kembali setelah quenching dibawah garis A1 (160650°C): Secondary hardening  Mengurangi tegangan sisa.  Memperbaiki ketangguhan.  Dalam hal tertentu digunakan untuk meningkatkan kekerasan baja perkakas jenis pengerjaan panas dan kecepatan tinggi.  Mengontrol dimensi komponen baja yang Temperatur (ºC) dikeraskan. Kekerasan (HRc) Ketangguhan (ft-lb)





Materi #8

Perubahan Mikrostruktur Pada Tempering http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

26












Tahap 1: 80-160°C  Pembentukan karbida transisi,  karbida, serta penurunan kandungan karbon pada matriks martensit hingga 0.23% Tahap 2: 230-280°C  Transformasi  sisa → Bainite Tahap 3: 160-400°C  Karbida transisi, Martensite C rendah, Cementit e+ Ferrite Tahap 4: 400-700°C  Pertumbuhan dan pembulatan cementite. Adanya elemen paduan pembentuk karbida Tahap 5: 500-550°C  Secondary hardening, yaitu pembentukan karbida paduan yang mengakibatkan kekerasan meningkat lagi.



Materi #8

13



Mekanisme Tempering http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

27








Temper 1: sebagian sisa austenite akan bertransformasi menjadi martensite dan akan menyebabkan perubahan dimensi (transformasi lainnya, yaitu: M → F + Cementite, Sisa  → Bainite, presipitasi karbida). Temper 2: martensite baru yang terbentuk pada tahap tempering 1 akan mengalami tempering lanjut. Tegangan sisa yang masih ada akan terus tereliminasi. Temper 3: terjadi eleminasi lanjut terhadap tegangan yang masih tersisa dan dimensi perkakas menjadi lebih stabil setelah tahap ini.


Materi #8

Catatan Hardening http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

28






Masalah-masalah yang harus diperhatikan:  Efek distorsi dan keretakan.  Kehilangan kandungan elemen pada permukaan komponen (dekarburisasi, oksidasi).  Sisa austenite.  Pengkasaran dan ketidakseragaman mikrostruktur. Penyebab distorsi dan keretakan:  Tegangan sisa akibat machining/pengerjaan dingin sebelum perlakuan panas.  Tegangan termal (thermal stresses) akibat perbedaan laju pemanasan/pendinginan antara permukaan dan bagian dalam.  Tegangan akibat transformasi fasa (transformation stresses) pada waktu pendinginan.



Materi #8

14



Bentuk Distorsi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

29


Sebelum Perlakuan Panas

Setelah Perlakuan Panas 1. Dimensional distortion

Terjadi akibat: • Perubahan ukuran, • Tegangan sisa machining, • Proses perlakuan panas. 6623 - Taufiqur Rachman

2. Shape distortion

Materi #8

Distorsi Komponen http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

30






Distorsi yang dapat dihindarkan:  Cara perlakuan panas yang buruk.  Kesalahan penggunaan media kuens.  Kesalahan pemilihan material. Distorsi yang tidak dapat dihindarkan:  Perubahan mikrostruktur pada waktu pengerasan thermal dan tempering.  Tegangan thermal akibat kontraksi volume.



Materi #8

15



Daftar Referensi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

31


www.engr.mun.ca http://people.virginia.edu http://eng.sut.ac.th http://people.clarkson.edu http://staff.ui.ac.id



Materi #8

16

PROSES THERMAL LOGAM

Recommend Documents