Heat Surface Treatment by kvr14641

VIEWS: 2,048 PAGES: 46

									             Perlakuan Panas Logam
                         (TTT & CCT diagram, Annealing, Hardening)


                                      Myrna Ariati
                                   myrna@metal.ui.ac.id
                                      Wahyuaji NP
                                  wahyuaji@metal.ui.ac.id



                                                            Departemen Metalurgi & Material
Courtesy of                                            Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Mr. Esa Haruman’s Presentation
Pengaruh Unsur Paduan
  pada Diagram Fe3C
EHW 98




  Temperature Co              DIAGRAM KESEIMBANGAN Fe-C
    1600
                           + Melt
    1500
         ()                                                   Melt
     1400
                    +
     1300
                                           + Melt                                      Melt +
    1200                                                                               cementite
    1100                                             1147 ºC
                                                                               Eutectic Point
     1000
                   Austenite ()                               Austenite + cementite
     900                             Acm
    +              A3
    ()                              A1
         700                               723 ºC       Ferrite () + Cementite (Fe3C)
         600                    Eutectoid Point
         500
               0          0.8 1.0          2.0           3.0           4.0 4.3 Carbon content %
    EHW 98



             ELEMEN PADUAN VS DIAGRAM Fe-C

Elemen penstabil fasa austenite :
-- Ni, Mn, Co, dan Ru, Pd, Os, Ir, Pt.
-- C, N, Cu, Zn, Au.
                                                     
Elemen penstabil fasa ferrite:
-- Si, Al, Be, P, dan Ti, V, Mo, Cr.
-- B, dan Ta, Nb, Zr.                                                A1
                                                         Eutectoid
Elemen perubah titik eutectoid:                     0.8 %C
-- penstabil fasa  (austenite) merendahkan A1.
-- penstabil fasa  (ferrite) menaikkan A1.
-- semual elemen paduan menggeser titik eutectoid
   ke kandungan karbon yang lebih rendah.
Elemen pembentuk karbida/nitrida:
-- karbida; Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Zr.
-- nitrida; Al dan semua elemen pembentuk karbida membentuk nitrida
EHW 98




         Elemen paduan
         perubah ttk eutectoid

          Elemen paduan vs.
          temperatur eutectoid




         Elemen paduan vs.
         kandungan karbon eutectoid
       EHW 98




     Penstabil ferrite                      Penstabil austenite




                         Carbon content

Penambahan Cr menaikkan temperatur        Penambahan Mn menurunkan temperatur
eutectoid dan menggesernya kekiri.        eutectoid dan menggesernya kekiri.
    EHW 98



             KARBIDA DAN NITRIDA PADUAN


Elemen-elemen: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr.    Struktur     Kekerasan
pada baja paduan akan membentuk karbida keras                (VHN)
                                                TiC          3200
                                                VC           2600
Dua bentuk karbida paduan:                      TiN          2000
--karbida paduan khusus:                        WC           2400
  Cr7C3, W2C, VC, Mo2C, dst.                    Fe3C         1000
--karbida kompleks:                             Martensite   900
  Fe4W2C, Fe4Mo2C, dst.                         Bainite      600
                                                Pearlite     300
Semua elemen pembentuk karbida juga
pembentuk nitrida keras:
TiN, CrN, VN, dst.
EHW 98



             Nitrida keras




                                                 Al, Ti, V, Cr, Mo,
                                                  memebentuk
                                                   nitrida keras




         Concentration of alloying element (%)
DIAGRAM TTT/CCT
EHW 98




                          DIAGRAM TTT/CCT

                    --Digunakan untuk mengetahui mikrostuktur yang
                      terbentuk pada pendinginan non-ekuilibrium

    A3                 Austenite

    A1
                          A+F         Start      Finish

                                                   Ferrite +Pearlite
    Temperatur °C




                            Nose
                                      Bainite
                     Ms
                          Martensite + 
                              Mf


                                     Log waktu
EHW 98



         DIAGRAM TTT UNTUK BAJA 0.8% C

                                 Austenite

                          Ae1

                     Ps         Pf                          coarse
                                              Pearlite
                                                               fine

                                                            upper

                                                             lower
                           Bs        Bf           Bainite


              Ms
                                          Martensite + Auatenite

             Mf
                                     Martensite

            1 sec.              1min.            1 hour        1 day
              PENGARUH ELEMEN PADUAN
              TERHADAP DIAGRAM TTT/CCT

Semua elemen paduan, kecuali Co, menggeser hidung kurva
  TTT/CCT ke arah kanan.
Semua elemen paduan, kecuali Co, menurunkan temperatur
  pembentukan martensite.

Sehingga:
Komposisi elemen paduan mempengaruhi media kuens (air, oli, udara)
yang dipilih untuk mengeraskan baja.
Elemen paduan meningkatkan mampu-keras (hardenability) baja, atau,
baja dengan komposisi berbeda akan memiliki mampu keras berlainan.
Perlakuan Panas Termal
EHW 98




           FUNGSI PERLAKUAN PANAS TERMAL
         SEBAGAI BAGIAN PROSES MANUFAKTUR

PELUNAKAN :
MEMPERSIAPKAN BAHAN LOGAM SEBAGAI PRODUK
1/2 JADI AGAR LAYAK DIPROSES BERIKUTNYA.

PENGERASAN :
MEMPERSIAPKAN BAHAN LOGAM SEBAGAI PRODUK JADI
AGAR MEMILIKI SIFAT MEKANIS YANG OPTIMUM.
PELUNAKAN / ANNEALING
EHW 98




          PERLAKUAN PELUNAKAN

         --Homogenising
         --Normalizing
         --Full annealing
         --Spherodising
         --Stress relieving
         --Process and recrystallisation annealing
EHW 98




                    HOMOGENIZING
      Pemanasan pada temperatur tinggi didaerah
  fasa austenit (), jauh diatas titik kritis (A3 dan Acm)
 --Bertujuan untuk menghilangkan efek segeregasi kimia akibat
         proses pembekuan lambat ingot/billet.

   --Memperbaiki mampu pengerjaan panas (hot workability).

               Penuangan
               logam cair




   Ingot               Segregasi kimia    HOMOGENISING
                                          sebelum pengerjaan panas
  EHW 98




                           NORMALIZING
  Pemanasan lambat sampai dengan temperatur diatas
transformasi    dan diikuti oleh pendinginan udara
          --Menghilangkan ketidak ragaman mikrostruktur.
           --Mengeleminasi tegangan sisa.
           --Meningkatkan keseragaman dan penghalusan ukuran butir.
                          CASTING
                          HOT WORKING:
                          Forging, Extrusion, Rolling



                                                           NORMALIZING



               Ketidak ragaman reduksi/temperatur
               Pengecualian: HSS, Shock Resisting Steel, Hot Work Tool Steel
               Cold Work Tool Steel D & A (tdk termasuk A10), Mold Steel P4.
     EHW 98




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

                             Pembulatan sementit
                             ‘proeutectoid’ dalam
       1      2      3       bentuk networks pada
                             batas butir.
                  EHW 98



                       PERLAKUAN PELUNAKAN - DIAGRAM Fe-C

                                                                           Homogenising (H)
                                                                           Normalising (N)
                                                                            Full-Annealing (A)
                                                                            Recrystallisation annealing
              911°C          Austenite                                       Stress-relief annealing
                                ()
                                               Acm         + Fe3C
                        A3                                            Karakteristik (H)      (N)     Full (A)
              723 °C                          A1                      Temp.         ***      **      *
Temperature




                                                + Fe3C
                                                                      Metoda         --      udara    dapur
                                                                      pendingin
                       Ferrite
                         ()
                                                                      Wkt. Proses   ***      *       *
                                         Eutectoid                    Rendah *  Tinggi***
                       Hypo               Hyper
                       eutectoid          eutectoid

                   0               0.8        1.4         2.0   Carbon %
EHW 98



               NORMALIZING VS FULL ANNEALING
         Normalizing membentuk mikrostruktur lebih halus dibandingkan
         full annealing meskipun pemanasan dilakukan pada temperatur
         yang lebih tinggi akibat laju pendinginan lebih cepat

                             Heating           Cooling
                             Cycle             Cycle
                                 Normalizing
                       Ac3       Anneal
         Temperature




                       Ac1                            F +A

                                                             Pendinginan di dapur
                                               P +A
                                                             Pendinginan udara
                                 Ms


                              Time             Time
    EHW 98




             ANNEALING LAINNYA
Spherodising: dilakukan untuk meningkatkan mampu-mesin (machinability)
pada baja yang akan ‘dimachining´. Caranya dengan membulatkan sementit/karbida.
Pemanasan dilakukan dibawah temperatur kritis A1 ( ~723ºC), atau sedikit diatas A1
tetapi kemudian ditahan dibawah A1.

Stress-relief annealing: pemenasan s/d dibawah temperatur kritis 550-650 ºC baja
karbon dan paduan rendah, 600-750 ºC baja perkakas. Bertujuan untuk menghilangkan
tegangan sisa akibat deformasi pengerjaan dingin.

Recrystallisation annealing: pemanasan s/d temperatur 600 ºC 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 austenitk yang di homogenising atau
recrystallisation annealing dimana diikuti oleh pendinginan cepat untuk menghindari
terbentukya endapan karbida terutama pada batas butir.

Isothermal Annealing: pendinginan cepat sampai temperatur tepat
dibawah daerah transformasi, ditahan 1-2 jam, diikuti pendinginan udara.
EHW 98




             PENGERASAN TERMAL

         Membentuk struktur martensit/bainit
          yang memiliki kekerasan tinggi.
                    PENGERASAN TERMAL
                     (THERMAL HARDENING)
  Terdiri dari tiga tahap operasi :
PEMANASAN             KUENS                           TEMPER
(HEATING)             (QUENCHING)                     (TEMPERING)
• Preheating          • Pendinginan cepat oleh        • Pemanasan kembali pada
  (550-650 ºC)          media pendingin                 temperatur lebih rendah
• Final heating         (oli, air, lelehan garam,       (150 - 600 ºC), sekali
  (900-1050 ºC)         semprot gas / udara)            atau berulang
• Soaking




                          QUENCHING                 TEMPERING
                             BATH                      BATH
          HEATING
          FURNACE
              SIKLUS PENGERASAN TERMAL

                   Baja sangat lunak - u << ,
                   struktur:  + karbida(sisa)
                                                 Baja keras dan mulai tangguh :
Transformasi                                   struktur: M(temper+sterssed)
Baja menyusut          Holding
                                                  + sisa + Karbida(sisa) + lainnya

                                                    
                                                 Temper 1
                                                                       Temper 2


             Transformasi 
             Baja memuai                
                    Baja keras tapi rapuh ,               Ketangguhan lebih baik :
                    struktur: M(stressed) + sisa         struktur: M(temper)
                              + Karbida(sisa) + lainnya   + Karbida + lainnya

                                 WAKTU
                    TAHAP PEMANASAN
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 550-650 oC 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.


                                 
  TEMPERATUR




               TRANSFORMASI KE
                                     TEMPERATUR

                                                     PREHEATING
                                                     (550-650 oC)

                WAKTU                             WAKTU
                                           TAHAP AUSTENISASI
                   Dua hal penting: --Waktu tahan (holding time)
                                    --Temperatur austenisasi (austenitizing temperature)

                                                                                T,t
                    Waktu tahan
                    yang benar                                         Kurang         Berlebih
950
                                    c       d     e     f                               
850                            b                                   Tidak tercapai Pertumbuhan butir,
750                                                                pengerasan     ketangguhan menjadi
                           a                                                      buruk atau rapuh
TEMPERATUR ( °C)




                                                                          WAKTU
                    18         18        42     56       63-65 60-62   57-58
                                        Kekerasan setelah kuens
                                             (Rockwell C)
                   TAHAP AUSTENISASI


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 saat mulainya penghitungan waktu tahan..
  EHW 98




                         TAHAP KUENS
            yaitu mendinginkan baja dari temperatur austenit
           sampai temperatur ambien pada media tertentu yang
                  akan menghasilkan struktur martensit


• Pemilihan media kuens ditentukan oleh jenis baja/paduannya.

• 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).
        EHW 98




                            MEDIA KUENS

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.

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 sbagai 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.
                             MEDIA KUENS


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
            TAHAP KUENS MELALUI MEDIA CAIR

                       1. Selimut uap (Vapour blanket)
                       2. Pendidihan (Boiling)
                       3. Konveksi (Convection )

                 900            1. Selimut uap
                 800
Temperatur, ºC




                 700
                 600                             2.Pendidihan
                 500
                 400
                 300                                            3.Konveksi
                 200    Kurva kecepatan
                 100    pendinginan (ºC/dt)                     Kurva pendinginan
                   0        5       10        15        20         25
                                    Waktu (detik)
MEKANISME PENDINGINAN
MELALUI MEDIA CAIR
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.
KONDISI KOMPONEN VS MEKANISME KUENS

                           Pada prakteknya gradient temparatur atau laju
                           pendinginan pada permukaan komponen tidak
                           selalu seragam. Hal ini disebabkan :
                           • Kondidi internal material: pengaruhnya terhadap
                             perpindahan panas keluar
                           • Kondisi permukaan: pengaruhnya terhadap
                             perpindahan panas
                  760 C
                  645 C   • Potensial ekstarsi panas dari media kuens
                  538 C
                  427 C   • Kondisi media yang teragitasi atau non-agitasi
                  315 C


                    Jadi, geometri komponen serta kondisi media
                    kuens dapat mempengaruhi hasil kekerasan
                    pada permukaan
MIKROSTRUKTUR BAJA SESUDAH KUENS
     --Terbentuknya martensit hanya dipengaruhi oleh
       kehadiran karbon didalam fasa austenit.
     --Sejumlah karbida diperlukan untuk mencegah
       pertumbuhan butir pada waktu baja diaustenisasi.
     --Terdapat sisa austenite yang tidak bertransformasi
       pada kondisi setelah kuens

  Ferit, Perlit                        Mikrostruktur baja
                                       kondisi anil (lunak),
     Karbida                           sebelum dikeraskan
                                        Pengerasan termal
      Martensit
      Sisa                            Mikrostruktur baja setelah
                                       dikeraskan: martensit
     Karbida                           diperkuat oleh karbida
                                        SISA AUSTENITE
                     terjadi akibat kandungan karbon yang tinggi, dan
                  hadirnya elemen penstabil austenit () pada baja paduan
              BAJA KARBON
                                                 Penghilangan sisa austenit:
                                    Sisa 
                                                 --Temper  Bainit, Karbida, Martensit
                            Karbon diatas 0,8%   --Subzero treatment 100% Martensit
Kekerasan




                            kekerasan menurun




                  0.7 0.8    %C
            Komposisi karbon
  EHW 98




BAJA SETELAH KUENS

           -- terdapat tegangan sisa akibat kuens
           -- rapuh dan mudah patah
           -- dimensi tidak stabil
           -- tidak siap digunakan
                       
           -- membutuhkan perlakuan temper !
                            PERLAKUAN TEMPER
Pemanasan kembali setelah kuens dibawah garis A1 (160-650 ºC) :
 Mengurangi tegangan sisa akibat proses kuens.
 Memperbaiki ketangguhan.
 Dalam hal tertentu digunakan untuk meningkatkan kekerasan
  baja perkakas jenis pengerjaan panas dan kecepatan tinggi.
 Mengontrol dimensi komponen baja yang dikeraskan
                                                Secondary hardening
       Ketangguhan ft-lb)
       Kekerasan (HRc)




                              Temperatur (ºC)
      EHW 98


                     UNTEMPERED MARTENSITE
                       DAN SISA AUSTENITE




Sisa  warna putih
    BAJA PADUAN RENDAH                         HSS M42:
                                               a. 35 % 
                                               b. temper 1: 1 jam, 600ºC
                                               c. temper 2: 1 jam, 600ºC
                                         (a)




30% Untempered       Setelah tempering
    martensite       pada 200 °C

                                         (b)   (c)
PERUBAHAN MIKROSTRUKTUR
PADA WAKTU TEMPER

  Tahap 1: Pembentukan karbida transisi,  karbida, serta penurunan
  80-16 0ºC kandungan karbon pada matriks martensit s/d 0.23%

  Tahap 2: Transformasi sisa       Bainite
  230-280ºC

  Tahap 3: Karbida transisi, martensit C rendah      Sementit + Ferit
  160-400ºC

  Tahap 4    Pertumbuhan dan pembulatan sementit
  400-700 ºC Adanya elemen paduan pembentuk karbida,

  Tahap 5   Secondary hardening, yaitu pembentukan karbida paduan
  500-550ºC yang mengakibatkan kekerasan meningkat lagi.
  EHW 98




MEKANISME TEMPER

 Temper 1 : sebagian sisa austenit akan bertransformasi
 menjadi martensit dan akan menyebabkan perubahan
 dimensi (transformasi lainnya, yaitu: M F+Sementit,
 Sisa  Bainit, presipitasi karbida).

 Temper 2 : martensit baru yang terbentuk pada tahap
 tempering 1akan mengalami temper 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.
                        MARTEMPERING DAN AUSTEMPERING

                               Bertujuan untuk mereduksi tegangan termal
                                 sehingga meminimumkan efek distorsi
                       Austenite                                           Austenite


                        Core




                                                       Temperature (ºC)
                                                                           Core
Temperatur (ºC)




                                       Pearlite                                                 Pearlite
                  Surface




                                           Bainite                                              Bainite
                  Ms                                                      Ms
                                                      Martempering                        Austempering


                               Waktu                                              Waktu
CATATAN PENGERASAN TERMAL

              MASALAH-MASALAH YANG
                HARUS DIPERHATIKAN


 Efek distorsi dan keretakan.

 Kehilangan kandungan elemen pada permukaan komponen
 (dekarburisasi, oksidasi).

 Sisa austenite.

 Pengkasaran dan ketidak-ragaman mikrostruktur.
   EHW 98




               DISTORSI DAN KERETAKAN

Penyebab:
--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.
    EHW 98

             DUA BENTUK DISTORSI KOMPONEN



 SEBELUM                           SETELAH
 PERLAKUAN PANAS                   PERLAKUAN PANAS



                                                     1. Dimensional
                                                        distortion




Terjadi akibat perubahan ukuran,
                                                       2. Shape
   tegangan sisa machining,
                                                          distortion
    proses perlakuan panas.
      EHW 98




               CATATAN DISTORSI KOMPONEN


      Distorsi yang dapat                    Distorsi yang tidak
      dihindarkan                            dapat dihindarkan

--Cara perlakuan panas yang buruk.    --Perubahan mikrostruktur pada waktu
                                        pengerasan termal dan termper.
--Kesalahan penggunaan media kuens.

--Kesalahan pemilihan material.       --Tegangan termal akibat kontraksi
                                        volume.

								
To top