9 proses thermal logam
TRANSCRIPT
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 1
ProsesProses ThermalThermalLogamLogam
Fungsi Proses Thermal
AnnealingAnnealing
•Mempersiapkanmaterial logamsebagai produksetengah jadiagar layakdiprosesberikutnya.
HardeningHardening
•Mempersiapkanmaterial logamsebagai produkjadi agarmemiliki sifatmekanis yangoptimum.
2828//0404//20122012 2266236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 2
Proses Annealing• 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 transformasiterjadi.
• Pendinginan dilakukan perlahan-lahan untuk menghindaridistorsi (wrapping) dari logam, atau bahkan retak, yangdisebabkan oleh tekanan yang disebabkan oleh kontraksidiferensial karena inhomogenitas panas.
28/04/201228/04/2012 3366236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Annealing• Keuntungan proses annealing, antara lain:
– Meringankan tekanan,– Meningkatkan kelembutan, keuletan dan ketangguhan,– Menghasilkan struktur mikro yang spesifik.
• Deformasi logam yang telah diperkuat dengan pengerjaandingin, memerlukan banyak energi. Mengembalikan efekpengerjaan dingin dengan proses annealing memudahkandeformasi lebih lanjut. Pemanasan memungkinkanpemulihan dan rekristalisasi, tetapi biasanya terbatasuntuk menghindari pertumbuhan butir yang berlebihandan oksidasi.
2828//0404//20122012 4466236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 3
Perlakuan Annealing• Homogenizing (Homogenisasi)• Normalizing (Normalisasi)• Full Annealing (Annealing Lengkap)• Spherodizing (Spherodisasi)• Stress Relieving (Menghilangkan Tekanan)• Process and Recrystallization Annealing
(Proses dan Rekristalisasi Annealing)
28/04/201228/04/2012 5566236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Homogenizing (Homogenisasi)• Pemanasan pada temperatur tinggi di daerah
fasa austenite (), jauh diatas titik kritis (A3 danAcm).
• Tujuan:– Untuk menghilangkan efek segregasi kimia
akibat proses pembekuan lambat ingot/billet.– Memperbaiki kemampuan pengerjaan panas
(hot workability).
28/04/201228/04/2012 6666236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 4
Normalizing (Normalisasi)• Pemanasan lambat sampai dengan temperatur diatas
transformasi dan diikuti oleh pendinginanudara.
• Tujuan:– Menghilangkan ketidakseragaman mikrostruktur.– Mengeleminasi tegangan sisa.– Meningkatkan keseragaman dan penghalusan
ukuran butir.
28/04/201228/04/2012 7766236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Full Annealing• Pemanasan sampai temperatur sedikit diatas transformasi
(A3: hypoeutectoid steels dan A1: hypereutectoid steels), yang diikutioleh pendinginan lambat didalam dapur.
• Tujuan:– Membulatkan sementite “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 cepatmelewati transformasi .
– Biasanya dilakukan pada baja yang akan dipasok kepasaran
2828//0404//20122012 8866236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 5
Diagram Annealing Fe – C
600
700
800
900
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Tem
pera
tur
(ºC
)
% Carbon
911
723
1000
Homogenizing
Austenite ()
+ Fe3C
Ferrite () + Fe3C
Karakteristik H N F
Temperatur *** ** *MetodePendinginan n/a Udara Dapur
Waktu Proses *** * *
Keterangan:H = Homogenizing * (Rendah)N = Normalizing ▼▼F = Full Annealing *** (Tinggi)
Perbandingan Normalizing – Full AnnealingNormalizing membentuk mikrostruktur lebihhalus dibandingkan Full Annealing meskipunpemanasan dilakukan pada temperatur yanglebih tinggi, hal ini akibat laju pendinginan yanglebih cepat.
28/04/201228/04/2012 9966236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Annealing Lainnya• Spherodizing: dilakukan untuk meningkatkan
mampu mesin (machinability) pada baja yang akandimachining. Caranya dengan membulatkancementite/karbida. Pemanasan dilakukan dibawahtemperatur kritis A1 ( ~723ºC), atau sedikit diatas A1tetapi kemudian ditahan dibawah A1.
• Stress-Relieve Annealing: pemanasan hinggadibawah temperatur kritis 550-650ºC untuk bajakarbon dan paduan rendah, 600-750ºC untuk bajaperkakas. Bertujuan untuk menghilangkantegangan sisa akibat deformasi pengerjaan dingin.
2828//0404//20122012 101066236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 6
Annealing Lainnya• Recrystallization Annealing: pemanasan hingga
temperatur 600ºC dibawah temperatur kritis. Bertujuanuntuk membentuk butir poligon yang bebas tegangan danmempunyai keuletan serta sifat konduktivitas baik.Dilakukan pada baja setelah deformasi pengerjaan dingin.
• Quench Annealing: dilakukan pada baja jenis austeniteyang di homogenizing atau recrystallization annealingdimana diikuti oleh pendinginan cepat untuk menghindariterbentuknya endapan karbida terutama pada batas butir.
• Isothermal Annealing: pendinginan cepat sampaitemperatur tepat dibawah daerah transformasi, ditahan 1-2 jam, diikuti pendinginan udara.
28/04/201228/04/2012 111166236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Hardening• Membentuk struktur martensite/bainite yang memiliki
kekerasan tinggi.• Terdiri dari 3 tahap, yaitu:
Heating(Pemanasan)
• Pre-heating(550-650ºC)
• Final heating(900-1050 ºC)
• Soaking
Heating(Pemanasan)
• Pre-heating(550-650ºC)
• Final heating(900-1050 ºC)
• Soaking
Quenching(Kuens)
• Pendinginancepat olehmediapendingin (oli,air, lelehangaram, semprotgas/udara)
Quenching(Kuens)
• Pendinginancepat olehmediapendingin (oli,air, lelehangaram, semprotgas/udara)
Tempering(Temper)
• Pemanasankembali padatemperaturlebih rendah(150-600ºC),sekali atauberulang
Tempering(Temper)
• Pemanasankembali padatemperaturlebih rendah(150-600ºC),sekali atauberulang
2828//0404//20122012 121266236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 7
Siklus HardeningTransformasi (baja menyusut)
Transformasi (baja menyusut)
Transformasi (baja memuai)
Transformasi (baja memuai)
Baja sangat lunak (u <<),struktur: + karbida(sisa)
Baja sangat lunak (u <<),struktur: + karbida(sisa)
Baja keras tapi rapuh, struktur:M(stressed) + sisa + Karbida(sisa) + lainnya
Baja keras tapi rapuh, struktur:M(stressed) + sisa + Karbida(sisa) + lainnya
Baja keras dan mulai tangguh,struktur: M(temper+stressed) + sisa +
Karbida(sisa) + lainnya
Baja keras dan mulai tangguh,struktur: M(temper+stressed) + sisa +
Karbida(sisa) + lainnya
Ketangguhan lebih baik, struktur:M(temper) + Karbida + lainnya
Ketangguhan lebih baik, struktur:M(temper) + Karbida + lainnya
Waktu
Temper 1 Temper 2
28/04/201228/04/2012 131366236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Pemanasan (Heating)• Hal-hal yang perlu diketahui:
– Perbedaan temperatur antara bagian dalam dan permukaan,akibat rambatan panas, menyebabkan perbedaan pemuaianvolume.
– Baja menyusut sampai 4% (volume) pada kenaikantemperatur mencapai transformasi austenite.
• Hal-hal yang perlu dikontrol:– Lakukan preheating pada temperatur sekitar 550-650oC
untuk mengeliminasi distorsi yang mungkin timbul akibatpemanasan.
– Kecepatan pemanasan harus dikontrol agar tidakmenimbulkan gradien temperatur yang sangat curam antarabagian dalam dan permukaan.
2828//0404//20122012 141466236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 8
Tahap Austenitizing• Hal penting yang harus diperhatikan:
– Waktu tahan (holding time) → t– Temperatur austenisasi (austenitizing temperature) → T
2828//0404//20122012 151566236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Tahap Austenitizing• Hal-hal yang diperhatikan:– Hindari susunan umpan didalam dapur yang saling
tumpang-tindih untuk menghindari terjadinyadeformasi komponen akibat berat komponen padasaat baja sedang lunak.
– Cek akurasi temperatur austenisasi yangditentukan, misalnya dengan menggunakanthermocouple yang ditempelkanlangsung padakomponen.
– Hindari kesalahan penentuan saat mulainyapenghitungan waktu tahan.
2828//0404//20122012 161666236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 9
Tahap Quenching• Yaitu mendinginkan baja dari temperatur austenite
sampai temperatur ambien pada media tertentuyang akan menghasilkan struktur martensite.
• Pemilihan media kuens ditentukan oleh jenisbaja/paduannya.
• Semakin ekstrim media kuens risiko terhadapdistorsi meningkat.
• Perbedaan laju pendinginan antara permukaan danbagian dalam menimbulkan profil kekerasan(tergantung ukuran perkakas dan komposisi baja).
2828//0404//20122012 171766236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Media Quenching• Air: Murah serta sistemnya sederhana. Kekurangannya ia
mudah membentuk selimut uap yang menutupi permukaankomponen, sehingga menghasilkan pedinginan tidak seragamdipenampang permukaan yang luas. Pemanfaatannya terbataspada industri perlakuan panas. Eliminasinya di tambahkanNa/Ca Chloride, membutuhkan closed system.
• Larutan Polimer: Kemampuan pendinginan (H) diantara olidan air. Memerlukan close control karena konsentrasinya mudahberkurang.
28/04/201228/04/2012 181866236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 10
Media Quenching• Oli: Kemampuan pendinginan tidak sebaik air, tetapi lebih
disenangi. Dengan penambahan additive kemampuanpendinginan (H = cooling power) dapat ditingkatkan lebih dari0,4 s/d 1.
• Lelehan Garam: Paling umum digunakan sbagai mediapendingin dikarenakan dapat bekerja pada rentang temperaturyang besar (150°C s/d 595°C, atau bahkan lebih). Dikarenakankarakter tersebut lelehan garam banyak digunakan untukdelayed quenching seperti: kuens intermediate, kuensisotermal/holding pada berbagai temperatur.
28/04/201228/04/2012 191966236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Media Quenching• Lelehan Logam: Banyak digunakan untuk kuens-interupsi(interrupted quenching), tetapi saat ini fungsinya seringdigantikan oleh lelehan garam dikarenakan kemampuannyabekerja pada rentang temperatur lebih besar.
• Gas/udara: Hanya digunakan untuk baja dengan ukuran tipisatau baja yang memiliki mampu keras tinggi. Pengaturan coolingpower dilakukan dengan cara mengatur laju semprot udara/gas.
• Cetakan Logam: Digunakan pada jenis material yangmememiliki risiko distorsi tinggi. Biasanya menggunakan water-cooled copper dies, dan kelemahannya biaya tinggi.
• Lainnya: Larutan garam, larutan soda, uap
28/04/201228/04/2012 202066236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 11
Quenching (Media Cair)• SELIMUT UAP: Kecepatan pendinginan relatif lambat
akibat seluruh permukaan ditutupi oleh uap. Temperaturtransisi menuju mekanisme pendidihan (leidenfrosttemperature) tidak dipengaruhi oleh temperatur awal saatdikuens.
• PENDIDIHAN: Kecepatan pendinginan sangat tinggiditandai oleh gelembung-gelembung uap pada permukaankomponen.
• KONVEKSI: Kecepatan pendinginan kembali menjadilambat melalui rambatan konveksi. Kecepatanperpindahan panas pada kondisi ini sangat dipengaruhioleh viskositas cairan, agitasi, temperatur cairan/bath.
2828//0404//20122012 212166236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Mikrostruktur Baja Setelah Quenching
• Terbentuknya martensite hanya dipengaruhi oleh kehadiran karbondidalam fasa austenite.
• Sejumlah karbida diperlukan untuk mencegah pertumbuhan butir padawaktu baja diaustenisasi.
• Terdapat sisa austenite yang tidak bertransformasi pada kondisi setelahquenching.
Mikrostruktur bajakondisi anil (lunak),sebelum dikeraskan
Karbida
Ferrite,Pearlite
Mikrostruktur baja setelahdikeraskan:martensitediperkuat oleh karbida
Karbida
MartensiteSisa
Hardening
28/04/201228/04/2012 222266236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 12
Sisa Austenite• Terjadi akibat kandungan
karbon yang tinggi, danhadirnya elemen penstabilaustenit () pada bajapaduan.
• Penghilangan sisa austenite:– Tempering Bainite,
Karbida,Martensite– Sub-zero Treatment
100% Martensite
Kek
eras
an
Komposisi karbon
BAJA KARBON
0.7 0.8 %C
Sisa
Karbon diatas 0,8%Kekerasan menurun
28/04/201228/04/2012 232366236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Baja Setelah Quenching• Terdapat tegangan sisa.• Rapuh dan mudah patah.• Dimensi tidak stabil.• Tidak siap digunakan.
MembutuhkanTempering
2828//0404//20122012 242466236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 13
Tempering• Pemanasan kembali setelah quenching dibawah garis A1 (160-
650ºC):– Mengurangi tegangan sisa.– Memperbaiki ketangguhan.– Dalam hal tertentu
digunakan untukmeningkatkan kekerasanbaja perkakas jenispengerjaan panas dankecepatan tinggi.
– Mengontrol dimensikomponen baja yangdikeraskan.
Kek
eras
an(H
Rc)
Ket
angg
uhan
(ft-
lb)
Temperatur (ºC)
Secondary hardening
28/04/201228/04/2012 252566236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Perubahan Mikrostruktur Pada Tempering
• Tahap 1: Pembentukan karbida transisi, karbida, serta80-16 0ºC penurunan kandungan karbon pada matriks
martensit s/d 0.23%• Tahap 2: Transformasi sisa → Bainite
230-280ºC• Tahap 3: Karbida transisi, Martensite C rendah, Sementit +
160-400ºC Ferrite• Tahap 4 Pertumbuhan dan pembulatan sementit
400-700ºC Adanya elemen paduan pembentuk karbida,• Tahap 5 Secondary hardening, yaitu pembentukan
500-550ºC karbida paduan yang mengakibatkankekerasan meningkat lagi.
2828//0404//20122012 262666236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 14
Mekanisme Tempering• Temper 1: sebagian sisa austenit akan bertransformasi
menjadi martensit dan akan menyebabkan perubahandimensi (transformasi lainnya, yaitu: M → F + Sementit,Sisa → Bainite, presipitasi karbida).
• Temper 2: martensit baru yang terbentuk pada tahaptempering 1akan mengalami temper lanjut. Tegangan sisayang masih ada akan terus tereliminasi.
• Temper 3: terjadi eleminasi lanjut terhadap teganganyang masih tersisa dan dimensi perkakas menjadi lebihstabil setelah tahap ini.
2828//0404//20122012 272766236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Catatan Hardening• 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.
2828//0404//20122012 282866236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 15
Bentuk DistorsiSebelum Perlakuan Panas Setelah Perlakuan Panas
1. Dimensionaldistortion
1. Dimensionaldistortion
Terjadi akibat:• Perubahan ukuran,• Tegangan sisa machining,• Proses perlakuan panas.
2. Shapedistortion
2. Shapedistortion
28/04/201228/04/2012 292966236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Distorsi Komponen• 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 termal dan termper.– Tegangan termal akibat kontraksi volume.
28/04/201228/04/2012 303066236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman
Proses Thermal Logam 28/04/2012
6623 - Taufiqur Rachman 16
Daftar Referensi1. www.engr.mun.ca/~asharan/.../5911.../ch11.ppt2. http://people.virginia.edu/~rej/.../Chapter11cor2.ppt3. http://eng.sut.ac.th/me/new/1_2552/.../ch11.ppt4. http://people.clarkson.edu/.../Chapter_14_draft2.ppt5. http://staff.ui.ac.id/internal/.../.../AnnealingHardeningS1.ppt
2828//0404//20122012 313166236623 -- Taufiqur RachmanTaufiqur Rachman