Upload
landen
View
512
Download
51
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Perlakuan Panas Logam (TTT & CCT diagram, Annealing, Hardening). QOMARUL HADI [email protected]. KBK Metalurgi & Material Fakultas Teknik Universitas Sriwijya. Pengaruh Unsur Paduan pada Diagram Fe 3 C. EHW 98. DIAGRAM KESEIMBANGAN Fe-C. Temperature C o. 1600. + Melt. 1500. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Perlakuan Panas Logam
(TTT & CCT diagram, Annealing, Hardening)
QOMARUL [email protected]
KBK Metalurgi & Material
Fakultas Teknik Universitas Sriwijya
Pengaruh Unsur Paduan pada Diagram Fe3C
EHW 98
DIAGRAM KESEIMBANGAN Fe-CDIAGRAM KESEIMBANGAN Fe-C
A1
A3
Acm
723 ºC
1147 ºC
Eutectoid Point
0.8 4.3
Melt
Melt +cementite
Austenite + cementite
+
+ Melt
()
1400
Carbon content %3.02.01.00 4.0500
600
700
900
1300
1200
1100
1000
Ferrite () + Cementite (Fe3C)
+ Melt
Austenite ()
1500
1600
Temperature Co
+ ()
Eutectic Point
EHW 98
ELEMEN PADUAN VS DIAGRAM Fe-CELEMEN 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 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
A1Eutectoid
0.8 %C
EHW 98
Elemen paduan vs. temperatur eutectoid
Elemen paduan vs. kandungan karbon eutectoid
Elemen paduanperubah ttk eutectoid
EHW 98
Carbon content
Penambahan Cr menaikkan temperatur eutectoid dan menggesernya kekiri.
Penstabil ferrite Penstabil austenite
Penambahan Mn menurunkan temperatur eutectoid dan menggesernya kekiri.
KARBIDA DAN NITRIDA PADUANKARBIDA DAN NITRIDA PADUAN
Elemen-elemen: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr. pada baja paduan akan membentuk karbida keras
Dua bentuk karbida paduan:--karbida paduan khusus: Cr7C3, W2C, VC, Mo2C, dst.--karbida kompleks: Fe4W2C, Fe4Mo2C, dst.
Semua elemen pembentuk karbida juga pembentuk nitrida keras: TiN, CrN, VN, dst.
Struktur Kekerasan(VHN)
TiC 3200VC 2600TiN 2000WC 2400Fe3C 1000Martensite 900Bainite 600Pearlite 300
EHW 98
Concentration of alloying element (%)
Nitrida keras
Al, Ti, V, Cr, Mo,memebentuk nitrida keras
DIAGRAM TTT/CCTDIAGRAM TTT/CCT
EHW 98
DIAGRAM TTT/CCTDIAGRAM TTT/CCT
--Digunakan untuk mengetahui mikrostuktur yang terbentuk pada pendinginan non-ekuilibrium
Log waktu
Tem
pera
tur
°C
A1
AusteniteA3
Ms
Ferrite +Pearlite
A+F
NoseBainite
Mf
Start Finish
Martensite +
EHW 98
Martensite
Martensite + Auatenite
Ms
Mf
Pearlite
Bainite
coarse
fine
upper
lower
Austenite
Ae1
Ps Pf
BsBf
1 sec. 1min. 1 hour 1 day
Har
dnes
s, H
Rc
DIAGRAM TTT UNTUK BAJA 0.8% CDIAGRAM TTT UNTUK BAJA 0.8% C
Tem
pera
ture
ºC
PENGARUH ELEMEN PADUAN PENGARUH ELEMEN PADUAN TERHADAP DIAGRAM TTT/CCTTERHADAP 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
PELUNAKAN :PELUNAKAN :
MEMPERSIAPKAN BAHAN LOGAM SEBAGAI PRODUK MEMPERSIAPKAN BAHAN LOGAM SEBAGAI PRODUK 1/2 JADI AGAR LAYAK DIPROSES BERIKUTNYA.1/2 JADI AGAR LAYAK DIPROSES BERIKUTNYA.
PENGERASAN PENGERASAN ::
MEMPERSIAPKAN BAHAN LOGAM SEBAGAI PRODUK JADIMEMPERSIAPKAN BAHAN LOGAM SEBAGAI PRODUK JADIAGAR MEMILIKI SIFAT MEKANIS YANG OPTIMUM.AGAR MEMILIKI SIFAT MEKANIS YANG OPTIMUM.
FUNGSI PERLAKUAN PANAS TERMALFUNGSI PERLAKUAN PANAS TERMALSEBAGAI BAGIAN PROSES MANUFAKTURSEBAGAI BAGIAN PROSES MANUFAKTUR
PELUNAKAN / ANNEALING
EHW 98
PERLAKUAN PELUNAKANPERLAKUAN PELUNAKAN
--Homogenising
--Normalizing
--Full annealing
--Spherodising
--Stress relieving
--Process and recrystallisation annealing
EHW 98
HOMOGENIZINGHOMOGENIZING
Pemanasan pada temperatur tinggi didaerah Pemanasan pada temperatur tinggi didaerah fasa austenit (fasa austenit (), jauh diatas titik kritis (A), jauh diatas titik kritis (A3 3 dan A dan Acmcm)) --Bertujuan untuk menghilangkan efek segeregasi kimia akibat proses pembekuan lambat ingot/billet.
--Memperbaiki mampu pengerjaan panas (hot workability).
Ingot
Penuanganlogam cair
Segregasi kimia HOMOGENISINGsebelum pengerjaan panas
EHW 98
NORMALIZINGNORMALIZING
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.
CASTINGHOT WORKING: Forging, Extrusion, Rolling
Ketidak ragaman reduksi/temperatur
NORMALIZING
Pengecualian: HSS, Shock Resisting Steel, Hot Work Tool SteelCold Work Tool Steel D & A (tdk termasuk A10), Mold Steel P4.
EHW 98
FULL ANNEALINGFULL 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 bentuk networks pada batas butir.
1 2 3
EHW 98
723 °C
911°C
Tem
pera
ture
Austenite ()
Ferrite ()
0.80 1.4
Eutectoid
Carbon %
Full-Annealing (A)
Normalising (N)
Homogenising (H)
2.0
A3
Acm
Hypoeutectoid
Hypereutectoid
PERLAKUAN PELUNAKAN - DIAGRAM Fe-CPERLAKUAN PELUNAKAN - DIAGRAM Fe-C
(H) (N) Full (A)
Temp. *** ** *
Metoda -- udara dapurpendingin
Wkt. Proses *** * *
Karakteristik
Rendah * Tinggi***
+ Fe3C
+ Fe3C
A1
Recrystallisation annealing
Stress-relief annealing
EHW 98
NORMALIZING VS FULL ANNEALINGNORMALIZING VS FULL ANNEALING
P +A
F +A
HeatingCycle
Cooling Cycle
NormalizingAnneal
Time Time
Tem
pera
ture
Ms
Ac3
Ac1
Normalizing membentuk mikrostruktur lebih halus dibandingkanfull annealing meskipun pemanasan dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi akibat laju pendinginan lebih cepat
Pendinginan udara
Pendinginan di dapur
EHW 98
ANNEALING LAINNYAANNEALING 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/bainityang memiliki kekerasan tinggi.
PENGERASAN TERMAL(THERMAL HARDENING)
Terdiri dari tiga tahap operasi :
PEMANASAN(HEATING)• Preheating (550-650 ºC)• Final heating (900-1050 ºC)• Soaking
KUENS(QUENCHING)• Pendinginan cepat oleh media pendingin (oli, air, lelehan garam, semprot gas / udara)
TEMPER(TEMPERING)• Pemanasan kembali pada temperatur lebih rendah (150 - 600 ºC), sekali atau berulang
QUENCHING BATH
HEATING FURNACE
TEMPERING BATH
SIKLUS PENGERASAN TERMAL
Preheat
ing
Fina
l hea
ting
Transformasi Baja menyusut
Quenching
Transformasi Baja memuai
Baja m
emua
i
Baja m
enyusut
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+sterssed) + sisa + Karbida(sisa) + lainnya
Ketangguhan lebih baik :struktur: M(temper) + Karbida + lainnya
TE
MP
ER
AT
UR
WAKTU
Holding
Temper 1Temper 2
SUSU
T
TAHAP PEMANASANHal-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.
WAKTU
TE
MPE
RA
TU
R
MU
AI
TRANSFORMASI KE
WAKTU
TE
MPE
RA
TU
R
INTI
PERMUKAAN
PREHEATING (550-650 oC)
TAHAP AUSTENISASI
Dua hal penting: --Waktu tahan (holding time) --Temperatur austenisasi (austenitizing temperature)
WAKTU
TE
MP
ER
AT
UR
( °
C)
18 Kekerasan setelah kuens
(Rockwell C)
18 42 56 63-65 60-62 57-58
a
e
d
c b
f
750
850
950
Waktu tahan yang benar
Berlebih
Pertumbuhan butir,ketangguhan menjadiburuk atau rapuh
Kurang
T,t
Tidak tercapaipengerasan
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 KUENSTAHAP KUENSyaitu mendinginkan baja dari temperatur austenit
sampai temperatur ambien pada media tertentu yangakan 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 KUENSMEDIA 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.
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
MEDIA KUENSMEDIA KUENS
1. Selimut uap (Vapour blanket)2. Pendidihan (Boiling)3. Konveksi (Convection )
Waktu (detik)
100
800700600500400300200
900
5 201510 250
3.Konveksi
2.Pendidihan
1. Selimut uap
Tem
pera
tur,
ºC
Kurva kecepatan pendinginan (ºC/dt) Kurva pendinginan
TAHAP KUENS MELALUI MEDIA CAIR
MEKANISME PENDINGINAN MELALUI MEDIA CAIR
SELIMUT UAP: Kecepatan pendinginan relatif lambat akibat seluruhpermukaan ditutupi oleh uap.
Temperatur transisi menuju mekanisme pendidihan(leidenfrost temperature) tidak dipengaruhi oleh temperatur.awal saat dikuens.
PENDIDIHAN : Kecepatan pendinginan sangat tinggi ditandai olehgelembung-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
760 C
645 C
538 C
427 C
315 C
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
• Potensial ekstarsi panas dari media kuens
• Kondisi media yang teragitasi atau non-agitasi
Jadi, geometri komponen serta kondisi media kuens dapat mempengaruhi hasil kekerasan pada permukaan
MIKROSTRUKTUR BAJA SESUDAH KUENS
Mikrostruktur bajakondisi anil (lunak), sebelum dikeraskan
Mikrostruktur baja setelahdikeraskan: martensit diperkuat oleh karbida
--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
Karbida
Ferit, Perlit
Karbida
Martensit Sisa
Pengerasan termal
SISA AUSTENITEterjadi akibat kandungan karbon yang tinggi, dan
hadirnya elemen penstabil austenit () pada baja paduan
Kek
eras
an
Komposisi karbon
BAJA KARBON
0.7 0.8 %C
65
70
HR
c
Sisa Penghilangan sisa austenit:
--Temper Bainit, Karbida, Martensit
--Subzero treatment 100% MartensitKarbon diatas 0,8%kekerasan menurun
EHW 98
BAJA SETELAH KUENS
-- terdapat tegangan sisa akibat kuens-- rapuh dan mudah patah-- dimensi tidak stabil-- tidak siap digunakan
-- membutuhkan perlakuan temper !
Keras dan Rapuh
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
Kek
eras
an (
HR
c)
Ket
angg
uh
an f
t-lb
)
Temperatur (ºC)
Kekerasan
Ketangguhan
Secondary hardening
EHW 98
UNTEMPERED MARTENSITEUNTEMPERED MARTENSITEDAN SISA AUSTENITEDAN SISA AUSTENITE
30% Untempered Setelah tempering martensite pada 200 °C
BAJA PADUAN RENDAH HSS M42:a. 35 % b. temper 1: 1 jam, 600ºC c. temper 2: 1 jam, 600ºC
(a)
(b) (c)
Sisa warna putih
PERUBAHAN MIKROSTRUKTURPERUBAHAN MIKROSTRUKTURPADA WAKTU TEMPERPADA 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 Bainite230-280ºC
Tahap 3: Karbida transisi, martensit C rendah Sementit + Ferit160-400ºC
Tahap 4 Pertumbuhan dan pembulatan sementit400-700 ºC Adanya elemen paduan pembentuk karbida,
Tahap 5 Secondary hardening, yaitu pembentukan karbida paduan500-550ºC yang mengakibatkan kekerasan meningkat lagi.
EHW 98
MEKANISME TEMPER
Temper 1 : sebagian sisa austenit akan bertransformasimenjadi 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 stabilsetelah tahap ini.
MARTEMPERING DAN AUSTEMPERING
Waktu
Tem
pera
tur
(ºC
)
Austenite
Ms Bainite
Waktu
Tem
pera
ture
(ºC
)
Austenite
Ms Bainite
Pearlite Pearlite
Surface
Core Core
Bertujuan untuk mereduksi tegangan termal sehingga meminimumkan efek distorsi
Martempering Austempering
Surface
MASALAH-MASALAH YANG HARUS DIPERHATIKAN
Efek distorsi dan keretakan.
Kehilangan kandungan elemen pada permukaan komponen (dekarburisasi, oksidasi).
Sisa austenite. Pengkasaran dan ketidak-ragaman mikrostruktur.
CATATAN PENGERASAN TERMAL
EHW 98
DISTORSI DAN KERETAKANDISTORSI 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.
Penyebab:
EHW 98
SEBELUM PERLAKUAN PANAS
SETELAHPERLAKUAN PANAS
DUA BENTUK DISTORSI KOMPONENDUA BENTUK DISTORSI KOMPONEN
1. Dimensional distortion
1. Dimensional distortion
2. Shape distortion
2. Shape distortion
Terjadi akibat perubahan ukuran,tegangan sisa machining, proses perlakuan panas.
EHW 98
Distorsi yang dapat dihindarkan
Distorsi yang tidak dapat dihindarkan
CATATAN DISTORSI KOMPONENCATATAN DISTORSI KOMPONEN
--Cara perlakuan panas yang buruk.
--Kesalahan penggunaan media kuens.
--Kesalahan pemilihan material.
--Perubahan mikrostruktur pada waktu pengerasan termal dan termper.
--Tegangan termal akibat kontraksi volume.