9 Proses Thermal Logam

16

Click here to load reader

Transcript of 9 Proses Thermal Logam

Page 1: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 2: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 3: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 4: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 5: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 6: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 7: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 8: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 9: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 10: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 11: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 12: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 13: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 14: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 15: 9 Proses Thermal Logam

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

Page 16: 9 Proses Thermal Logam

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