materi #9 tin107 material...

TIN107 - Material Teknik #9 - Proses Thermal Logam

6623 - Taufiqur Rachman 1

66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nh t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d

TIN107 – Material TeknikMateri #9

16623 - Taufiqur Rachman

h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d

66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Pembahasan Materi #9

Materi #96623 - Taufiqur Rachman

2

Fungsi

Proses dan Perlakuan Annealing

Proses dan Siklus Hardening

Distorsi




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nFungsi Proses Thermal


3

Annealing

• Mempersiapkan material logam sebagai produk setengah jadi agar layak diproses berikutnya.

Hardening

• Mempersiapkan material logam sebagai produk jadi agar memiliki sifat mekanis yang optimum.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Proses Annealing


4

Proses perlakuan panas di mana material dikondisikan kesuhu tinggi selama beberapa waktu dan kemudiandidinginkan.

Suhu yang tinggi tersebut memungkinkan proses difusiterjadi secara cepat.

Waktu yang dibutuhkan pada suhu tinggi tersebut (waktuperendaman) cukup panjang, yang memungkinkantransformasi terjadi.

Pendinginan dilakukan perlahan-lahan untuk menghindaridistorsi (wrapping) dari logam, atau bahkan retak, yangdisebabkan oleh tekanan yang disebabkan oleh kontraksidiferensial karena inhomogenitas panas.




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nProses Annealing


5

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.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Perlakuan Annealing


6

Homogenizing (Homogenisasi)

Normalizing (Normalisasi)

Full Annealing (Annealing Lengkap)

Spherodizing (Spherodisasi)

Stress Relieving (Menghilangkan Tekanan)

Process and Recrystallization Annealing(Proses dan Rekristalisasi Annealing)




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nHomogenizing (Homogenisasi)


7

Pemanasan pada temperatur tinggi di daerah fasaaustenite (), jauh diatas titik kritis (A3 dan Acm).

Tujuan:

Untuk menghilangkan efek segregasi kimiaakibat proses pembekuan lambat ingot/billet.

Memperbaiki kemampuan pengerjaan panas(hot workability).


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Normalizing (Normalisasi)


8

Pemanasan lambat sampai dengan temperatur diatastransformasi dan diikuti oleh pendinginanudara.

Tujuan:

Menghilangkan ketidakseragaman mikrostruktur.

Mengeleminasi tegangan sisa.

Meningkatkan keseragaman dan penghalusanukuran butir.




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nFull Annealing


9

Pemanasan sampai temperatur sedikit diatas transformasi (A3: hypoeutectoid steels dan A1: hypereutectoid steels), yangdiikuti oleh pendinginan lambat didalam dapur.

Tujuan:

Membulatkan cementite “proeutectoid” atau karbida lainnyasehingga memperbaiki keuletan baja.

Menghasilkan kekerasan/kekuatan yang minimum sehinggamudah dilakukan deformasi pada pengerjaan dingin.

Menghilangkan struktur martensite pada baja paduan yangmungkin terbentuk akibat pendinginan yang relatif cepatmelewati transformasi .

Biasanya dilakukan pada baja yang akan dipasok kepasaran


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Diagram Annealing Fe – C

600

700

800

900

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,41,6

Te

mp

erat

ur

(ºC

)

% Carbon

911

723

1000

Homogenizing

Austenite ()

+ Fe3C

Ferrite () + Fe3C

Karakteristik H N F

Temperatur *** ** *

Metode Pendinginan

n/a Udara Dapur

Waktu Proses *** * *

Keterangan:

H = Homogenizing * (Rendah)

N = Normalizing ▼▼

F = Full Annealing *** (Tinggi)

Perbandingan Normalizing – Full Annealing

Normalizing membentuk mikrostruktur lebih halusdibandingkan Full Annealing meskipun pemanasandilakukan pada temperatur yang lebih tinggi, hal iniakibat laju pendinginan yang lebih cepat.

Materi #9

10





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nAnnealing Lainnya … (1)


11

Spherodizing, dilakukan untuk meningkatkan mampumesin (machinability) pada baja yang akan di prosespermesinan dengan cara membulatkancementite/karbida. Pemanasan dilakukan dibawahtemperatur kritis A1 (~723°C), atau sedikit diatas A1 tetapikemudian ditahan dibawah A1.

Stress-Relieve Annealing, pemanasan hingga dibawahtemperatur kritis 550-650°C untuk baja karbon danpaduan rendah, 600-750°C untuk baja perkakas. Bertujuanuntuk menghilangkan tegangan sisa akibat deformasipengerjaan dingin.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Annealing Lainnya … (2)


12

Recrystallization Annealing, pemanasan hingga temperatur600°C dibawah temperatur kritis. Bertujuan untukmembentuk 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.




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nHardening

Membentuk struktur martensite/bainite yang memilikikekerasan tinggi.

Terdiri dari 3 tahap, yaitu:

Heating (Pemanasan)

• Pre-heating(550-650°C)

• Final heating(900-1050 °C)

• Soaking

Quenching (Kuens)

• Pendinginancepat oleh media pendingin (oli, air, lelehangaram, semprotgas/udara)

Tempering(Temper)

• Pemanasankembali padatemperaturlebih rendah(150-600°C), sekali atauberulang

Materi #9

13



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Siklus Hardening

Transformasi

(baja menyusut)

Transformasi

(baja memuai)

Baja sangat lunak (u <<),struktur: + karbida(sisa)

Baja keras tapi rapuh, struktur: M(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

Waktu

Temper 1Temper 2

Materi #9

14





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nPemanasan (Heating)


15

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.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Tahap Austenitizing


16

Hal penting yang harus diperhatikan:

Waktu tahan (holding time) → t

Temperatur austenisasi (austenitizing temperature) → T




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nTahap Austenitizing


17

Hal-hal yang diperhatikan:

Hindari susunan umpan didalam dapur yang salingtumpang-tindih untuk menghindari terjadinyadeformasi komponen akibat berat komponen pada saatbaja sedang lunak.

Cek akurasi temperatur austenisasi yang ditentukan,misalnya dengan menggunakan thermocouple yangditempelkan langsung pada komponen.

Hindari kesalahan penentuan saat mulainyapenghitungan waktu tahan.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Tahap Quenching


18

Yaitu mendinginkan baja dari temperatur austenitesampai temperatur ambien pada media tertentu yangakan menghasilkan struktur martensite.

Pemilihan media kuens ditentukan oleh jenisbaja/paduannya.

Semakin ekstrim media kuens risiko terhadap distorsimeningkat.

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




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nMedia Quenching … (1)


19

Air, Murah serta sistemnya sederhana. Kekurangannyaadalah mudah membentuk selimut uap yangmenutupi permukaan komponen, sehinggamenghasilkan pedinginan tidak seragamdipenampang permukaan yang luas. Pemanfaatannyaterbatas pada industri perlakuan panas. Eliminasinyadi tambahkan Na/Ca Chloride, membutuhkan closedsystem.

Larutan Polimer, Kemampuan pendinginan (H)diantara oli dan air. Memerlukan close control karenakonsentrasinya mudah berkurang.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Media Quenching … (2)


20

Oli, Kemampuan pendinginan tidak sebaik air, tetapilebih disenangi. Dengan penambahan additive,kemampuan pendinginan (H=cooling power) dapatditingkatkan lebih dari 0,4 s/d 1.

Lelehan Garam, Paling umum digunakan sebagaimedia pendingin dikarenakan dapat bekerja padarentang temperatur yang besar (150°C s/d 595°C,atau bahkan lebih). Dikarenakan karakter tersebutlelehan garam banyak digunakan untuk delayedquenching seperti: kuens intermediate, kuensisotermal/holding pada berbagai temperatur.




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nMedia Quenching … (3)


21

Lelehan Logam, Banyak digunakan untuk kuens-interupsi(interrupted quenching), tetapi saat ini fungsinya seringdigantikan oleh lelehan garam dikarenakankemampuannya bekerja pada rentang temperatur lebihbesar.

Gas/udara, Hanya digunakan untuk baja dengan ukurantipis atau baja yang memiliki mampu keras tinggi.Pengaturan cooling power dilakukan dengan caramengatur laju semprot udara/gas.

Cetakan Logam, Digunakan pada jenis material yangmememiliki risiko distorsi tinggi. Biasanya menggunakanwater-cooled copper dies, dan kelemahannya biaya tinggi.

Lainnya, Larutan garam, larutan soda, uap


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Quenching (Media Cair)


22

Selimut Uap, Kecepatan pendinginan relatif lambat akibatseluruh permukaan ditutupi oleh uap. Temperatur transisimenuju mekanisme pendidihan (leidenfrost temperature)tidak dipengaruhi oleh temperatur awal saat dikuens.

Pendidihan, Kecepatan pendinginan sangat tinggi ditandaioleh gelembung-gelembung uap pada permukaankomponen.

Konveksi, Kecepatan pendinginan kembali menjadi lambatmelalui rambatan konveksi. Kecepatan perpindahan panaspada kondisi ini sangat dipengaruhi oleh viskositas cairan,agitasi, temperatur cairan/bath.




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nMikrostruktur Baja Setelah Quenching


23

Terbentuknya martensite hanya dipengaruhi oleh kehadirankarbon didalam fasa austenite.

Sejumlah karbida diperlukan untuk mencegah pertumbuhanbutir pada waktu baja diaustenisasi.

Terdapat sisa austenite yang tidak bertransformasi pada kondisisetelah quenching.

Mikrostruktur bajakondisi anil (lunak), sebelum

dikeraskan

Karbida

Ferrite, Pearlite

Mikrostruktur baja setelahdikeraskan: martensitediperkuat oleh karbida

Karbida

MartensiteSisa

Hardening


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Sisa Austenite


24

Terjadi akibat kandungankarbon yang tinggi, danhadirnya elemen penstabilaustenite () 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

Karbondiatas 0,8%Kekerasanmenurun




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nBaja Setelah Quenching


25

Terdapat tegangan sisa.

Rapuh dan mudah patah.

Dimensi tidak stabil.

Tidak siap digunakan.

Membutuhkan Tempering


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Tempering

Pemanasan kembali setelah quenching dibawah garis A1 (160-650°C):

Mengurangi tegangan sisa.

Memperbaiki ketangguhan.

Dalam hal tertentudigunakan untukmeningkatkan kekerasanbaja perkakas jenispengerjaan panas dankecepatan tinggi.

Mengontrol dimensikomponen baja yangdikeraskan.

Materi #9

26


Ke

kera

san

(HR

c)

Ke

tan

ggu

han

(ft-

lb)

Temperatur (ºC)

Secondary hardening




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nPerubahan Mikrostruktur Pada Tempering


27

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.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Mekanisme Tempering


28

Temper 1: sebagian sisa austenite akan bertransformasimenjadi martensite dan akan menyebabkan perubahandimensi (transformasi lainnya, yaitu: M → F +Cementite, Sisa → Bainite, presipitasi karbida).

Temper 2: martensite baru yang terbentuk pada tahaptempering 1 akan mengalami tempering lanjut.Tegangan sisa yang masih ada akan terus tereliminasi.

Temper 3: terjadi eleminasi lanjut terhadap teganganyang masih tersisa dan dimensi perkakas menjadi lebihstabil setelah tahap ini.




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nCatatan Hardening


29

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 bagiandalam.

Tegangan akibat transformasi fasa (transformation stresses)pada waktu pendinginan.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Bentuk Distorsi

Sebelum Perlakuan Panas Setelah Perlakuan Panas

1. Dimensionaldistortion

Terjadi akibat:• Perubahan ukuran,• Tegangan sisa machining,• Proses perlakuan panas.

2. Shape distortion

Materi #9

30





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nDistorsi Komponen


31

Distorsi yang dapat dihindarkan:

Cara perlakuan panas yang buruk.

Kesalahan penggunaan media kuens.

Kesalahan pemilihan material.

Distorsi yang tidak dapat dihindarkan:

Perubahan mikrostruktur pada waktupengerasan thermal dan tempering.

Tegangan thermal akibat kontraksi volume.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Daftar Referensi


32

www.engr.mun.ca

http://people.virginia.edu

http://eng.sut.ac.th

http://people.clarkson.edu

http://staff.ui.ac.id

http://www.engr.mun.ca/~asharan/.../5911.../ch11.ppt

http://people.virginia.edu/~rej/.../Chapter11cor2.ppt

http://eng.sut.ac.th/me/new/1_2552/.../ch11.ppt

http://people.clarkson.edu/.../Chapter_14_draft2.ppt

http://staff.ui.ac.id/internal/.../.../AnnealingHardeningS1.ppt

materi #9 tin107 material...

Documents