Perlakuan Panas Logam TTT CCT diagram Annealing Hardening

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 Mr. Esa Haruman’s Presentation Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Pengaruh Unsur Paduan pada Diagram Fe 3 C

EHW 98 Temperature Co 1600 1500 DIAGRAM KESEIMBANGAN Fe-C + Melt ( ) 1400 1300 + + Melt 1200 1147 ºC 1000 Austenite ( ) 900 + ( ) 700 A 3 A 1 Eutectoid Point 0 Eutectic Point Austenite + cementite Acm 723 ºC 600 500 Melt + cementite 0. 8 1. 0 2. 0 Ferrite ( ) + Cementite (Fe 3 C) 3. 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. Elemen perubah titik eutectoid: -- penstabil fasa (austenite) merendahkan A 1. -- penstabil fasa (ferrite) menaikkan A 1. -- semual elemen paduan menggeser titik eutectoid ke kandungan karbon yang lebih rendah. Elemen pembentuk karbida/nitrida: Eutectoid A 1 0. 8 %C -- 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 austenite Penstabil ferrite Carbon content Penambahan Cr menaikkan temperatur eutectoid dan menggesernya kekiri. Penambahan Mn menurunkan temperatur eutectoid dan menggesernya kekiri.

EHW 98 KARBIDA DAN NITRIDA PADUAN Elemen-elemen: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr. pada baja paduan akan membentuk karbida keras Struktur Dua bentuk karbida paduan: --karbida paduan khusus: Cr 7 C 3, W 2 C, VC, Mo 2 C, dst. --karbida kompleks: Fe 4 W 2 C, Fe 4 Mo 2 C, dst. Ti. C VC Ti. N WC Fe 3 C Martensite Bainite Pearlite Semua elemen pembentuk karbida juga pembentuk nitrida keras: Ti. N, Cr. N, VN, dst. Kekerasan (VHN) 3200 2600 2000 2400 1000 900 600 300

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 A 3 Austenite A 1 A+F Start Finish Temperatur °C Ferrite +Pearlite Nose Bainite Ms Martensite + Mf Log waktu

EHW 98 DIAGRAM TTT UNTUK BAJA 0. 8% C Austenite Ae 1 Ps Pf Pearlite coarse upper Bs Bf Bainite lower Ms Martensite + Auatenite Mf 1 sec. Martensite 1 min. 1 hour 1 day Hardness, HRc Temperature ºC fine

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 (A 3 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 A 10), Mold Steel P 4.

EHW 98 FULL ANNEALING Pemanasan sampai temperatur sedikit diatas transformasi (A 3: hypoeutectoid steels dan A 1: 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 1 2 3 Pembulatan sementit ‘proeutectoid’ dalam bentuk networks pada batas butir.

EHW 98 PERLAKUAN PELUNAKAN - DIAGRAM Fe-C Homogenising (H) Normalising (N) 911°C Austenite ( ) A 3 Temperature 723 °C Acm + Fe 3 C A 1 Metoda pendingin Wkt. Proses Eutectoid Hypo eutectoid 0 Karakteristik (H) Temp. + Fe 3 C Ferrite ( ) Full-Annealing (A) Recrystallisation annealing Stress-relief annealing 0. 8 -*** Rendah * Tinggi*** Hyper eutectoid 1. 4 *** 2. 0 Carbon % (N) Full (A) ** * udara dapur * *

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 Temperature Heating Cycle Ac 3 Cooling Cycle Normalizing Anneal F +A Ac 1 Pendinginan di dapur P +A Ms Time Pendinginan udara

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 A 1 ( ~723ºC), atau sedikit diatas A 1 tetapi kemudian ditahan dibawah A 1. 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 (HEATING) • Preheating (550 -650 ºC) • Final heating (900 -1050 ºC) • Soaking HEATING FURNACE KUENS (QUENCHING) • Pendinginan cepat oleh media pendingin (oli, air, lelehan garam, semprot gas / udara) QUENCHING BATH TEMPER (TEMPERING) • Pemanasan kembali pada temperatur lebih rendah (150 - 600 ºC), sekali atau berulang TEMPERING BATH

SIKLUS PENGERASAN TERMAL Baja sangat lunak - u << , struktur: + karbida(sisa) Holding ati he Fin al Temper 1 Temper 2 Transformasi Baja memuai Baja keras tapi rapuh , struktur: M(stressed) + sisa + Karbida(sisa) + lainnya WAKTU Ketangguhan lebih baik : struktur: M(temper) + Karbida + lainnya mu ai me ja Ba TEMPERATUR usut P meny e ng nchi g reh Que ng Baja menyusut n ati Baja Transformasi Baja keras dan mulai tangguh : struktur: M(temper+sterssed) + sisa + Karbida(sisa) + lainnya

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. WAKTU TEMPERATUR AI TRANSFORMASI KE MU TEMPERATUR SU SU T Hal-hal yang perlu dikontrol : • Lakukan preheating pada temperatur sekitar 550 -650 o. C 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. AN A UK RM PE I INT PREHEATING (550650 o. C) WAKTU

TAHAP AUSTENISASI Dua hal penting: --Waktu tahan (holding time) --Temperatur austenisasi (austenitizing temperature) T, t Waktu tahan yang benar 950 b 850 TEMPERATUR ( °C) 750 a Kurang c d e f 18 Tidak tercapai Pertumbuhan butir, pengerasan ketangguhan menjadi buruk atau rapuh WAKTU 18 Berlebih 42 56 63 -65 60 -62 Kekerasan setelah kuens (Rockwell C) 57 -58

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 Temperatur, ºC 1. Selimut uap (Vapour blanket) 2. Pendidihan (Boiling) 3. Konveksi (Convection ) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1. Selimut uap 2. Pendidihan 3. Konveksi Kurva kecepatan pendinginan (ºC/dt) 5 10 Kurva pendinginan 15 Waktu (detik) 20 25

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 pendinginan pada permukaan komponen selalu seragam. Hal ini disebabkan : • Kondidi internal material: pengaruhnya t perpindahan panas keluar 760 C 645 C 538 C 427 C • Kondisi permukaan: pengaruhnya terhad perpindahan panas • Potensial ekstarsi panas dari media kue • Kondisi media yang teragitasi atau non-a 315 C Jadi, geometri komponen serta kondisi med kuens dapat mempengaruhi hasil kekerasa 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 Karbida Martensit Sisa Karbida Mikrostruktur baja kondisi anil (lunak), sebelum dikeraskan Pengerasan termal Mikrostruktur baja setelah dikeraskan: martensit diperkuat oleh karbida

SISA AUSTENITE 65 70 HRc terjadi akibat kandungan karbon yang tinggi, dan hadirnya elemen penstabil austenit ( ) pada baja paduan BAJA KARBON Sisa Penghilangan sisa austenit: --Temper Bainit, Karbida, Martensit Kekerasan Karbon diatas 0, 8% kekerasan menurun 0. 7 0. 8 %C Komposisi karbon --Subzero treatment 100% Martensit

EHW 98 BAJA SETELAH KUENS -- terdapat tegangan sisa akibat kuens -- rapuh dan mudah patah -- dimensi tidak stabil -- tidak siap digunakan -- membutuhkan perlakuan temper ! Keras d an Rapu h

PERLAKUAN TEMPER Pemanasan kembali setelah kuens dibawah garis A 1 (160 -650 ºC) : Kekerasan (HRc) Ketangguhan ft-lb) 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 san era k e K Ket ang guh an Temperatur (ºC) Secondary hardening

EHW 98 UNTEMPERED MARTENSITE DAN SISA AUSTENITE Sisa warna putih BAJA PADUAN RENDAH (a) 30% Untempered martensite HSS M 42: a. 35 % b. temper 1: 1 jam, 600ºC c. temper 2: 1 jam, 600ºC Setelah tempering 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 230 -280ºC Bainite Tahap 3: Karbida transisi, martensit C rendah 160 -400ºC Sementit + Ferit 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 1 akan 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 Core Pearlite Surface Bainite Ms Temperature (ºC) Temperatur (ºC) Austenite Core Pearlite Surface Bainite Ms Austempering Martempering 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 PERLAKUAN PANAS SETELAH PERLAKUAN PANAS 1. Dimensional distortion Terjadi akibat perubahan ukuran, tegangan sisa machining, proses perlakuan panas. 2. Shape distortion

EHW 98 CATATAN 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.