PROSES PENGERASAN LOGAM BAGIAN 1( HARDENING PROCESS )
Setiap parts atau component mempunyai fungsi yang berbeda-beda sehingga beban yang di alaminya juga berbeda karena itu perlu pengerjaan dan perlakuan lebih lanjut.Karena itu untuk merubah karakteristik logam sehingga dapat memenuhituntutan dalam pemakaiannya, dilakukan berbagai perlakuan seperti :1.deformasi plastis2.penambahan unsur paduan3.pelapisan4.perlakuan panas (heat treatment)HEAT TREATMENTsecara umum adalah memanaskan logam pada suhu tertentu dengan kecepatan pemanasan tertentu kemudian didiamkan dalam jangka waktu tertentu dan didinginkan dengan kecepatan pendinginan tertentu. Pada proses perlakuan panas sifat sifat mekanis logam dapat berubah karena terjadinya beberapa perubahan mikrostruktur, perubahan fasa, terbentuknya presipitat, perubahan ukuran butir, perubahan kandungan unsur kimia tertentu, terbentuknya karbida, dll.PRINSIP HEAT TREATMENT
Heat treatment terdiri dari :1. Annealing.2. Fuul annealing3. Recristalitation4. Stress relieving5. Normalizing6. Spherodizing7. Homogenizing8. Hardening9. Tempering
HARDENING TERDIRI DARI :1. Full Hardening (dari luar sampai inti).2. Quenching.3. Precipitation hardening.4. Cold deformation.5. Surface hardening (permakaan saja).6.Layer addition.7. Surface modification.
Fasa adalah bagian dari paduan yang homogen dan memiliki sifat fisik tertentu. Karena itu sifat paduan tergantung dari jenis fasa, jumlah fasa dan distribusi dari fasa fasa yang ada. Berbagai sifat dan mikrostruktur baja berubah jika dikenakan panas. Perubahan perubahan tersebut berlangsung terus sampai suatu fasa berada pada keadaan stabil. Jadi dalam proses tersebut terjadi perubahan jenis dan distribusi fasa yang berbeda dari fasa semula.1.Ferit, atau sering disebut-Fe, yaitu larutan padat besi karbon yang membentuk struktur kristal BCC. Atom atom karbon pada fasa ini berkedudukan interstitial dan kandungan karbon maksimum yang dapat dikandung ialah 0,02% pada temperatur 723C, sedangkan pada 0C hanya mengandung 0,005% C.2.Austenit, atau sering disebut-Fe, adalah salah satu fasa dalam paduan Fe-C yang membentuk struktur kristal FCC. Kelarutan karbon maksimum yang dapat dikandung ialah 2% pada temperatur 1148C dan turun menjadi 0,8% pada temperatur 723C.3.Sementit, atau sering disebutFe3C, ialah fasa lain dari paduan Fe3C yang membentuk kristal orthorombic, dan dapat mengandung karbon sampai dengan 6,7%.4.d-Fe, ialah fasa lain dari Fe-C yang membentuk struktur BCC, dan kelarutan karbon yang mampu dikandung ialah 0,09% pada temperatur 1465C.5.Perlit, yaitu fasa gabungan antara ferit dan sementit secara berselang seling membantuk lamelar. Perlit terbentuk pada kadar karbon 0.8% tepat di daerah eutectoid. Perlit berstruktur kristal BCC.
LANDASAN PENGETAHUAN TENTANG PROSES HARDENING (Fe-C diagram)
Proses annealing diatas A3 disebutfull annealing, sedangkan dibawah temperatur kritis A3 disebutsub critical annealingserta annealing diantara A1 dan A3/Acm disebutinter critical annealing.Pada sub critical annealing tidak terjadi perubahan fasa, misalnya: anil rekristalisasi, anil penghilangan tegangan, anil pertumbuhan butir atau aglomerisasi, dsb.
STRESS RELIEV ANNEALING.
Sress reliev annealing atau anil penghilangan tegangan digunakan untuk menghilangkan tegangan sisa dalam logam akibat proses MANUFAKTUR seperti :1. Pengelasan2.Metal forming3. Machining4. Quenching5. Pengecoran
Temperatur pemanasan untuk stress relief annealing ini biasanya dibawah A1 (595-675C) dan ditahan dengan waktu tertentu, kemudian didinginkan dengan cara bertahap dan merata.
(a)Tegangan sisa yang timbul akibat pemanasan(b)Tegangan sisa yg timbul akibat pengelasan(c)Tegangan sisa yg timbula akibat machining
Manfaat penghilangan tegangan sisa :
1.Mengurangi terjadinya SCC.2.Mengurangi terjadinya cold strain yang dapat mengurangi daya tahan terhadap Creep.3.Mengurangi brittle fracture.4.Meningkatkan fracture toughness.5.Meningkatkan ketahanan terhadap lingkungan6.Meningkatkan strength.
Normalisasi.Proses normalisasi dilakukan pada temperatur sekitar 40C-55C diatas temperatur kritis (A3 untuk baja hypoeutektoid dan Acm untuk baja hypereutektoid), kemudian ditahan dalam waktu tertentu dan didinginkan diudara hingga mencapai temperatur ruang. Dengan proses ini dihasilkan baja yang lebih keras dan lebih kuat daripada baja anil penuh, memiliki mampu mesin yang baik, struktur butir yang lebih halus dan tegangan sisa minimal. Normalisasi pada hasil coran biasanya disebut juga homogenisasi yang bertujuan untuk menghaluskan struktur dendrit.
Aplikasi dari normalizing tergantung klasifikasi baja yang di gunakan.
1.PENGHALUSAN BUTIR UTK LAS LASAN2.PENINGKATAN MAMPU PENGERJAAN MESIN3.HOMOGENISASIUTK PRODUK COR4.PERBAIKAN STRUKTURHOT ROLLING5.PERATAAN BESAR BUTIRPRODUK TEMPA6.CARBIDE SOLUTION.
Yang harus di perhatikan : Ppemanasan dan waktu (1 JAM /1 INCI KETEBALAN)
RECRYSTALLIZATION
Selain fasa fasa tersebut diatas, baja mempunyai fasa lain yang dihasilkan dari proses transformasi dengan perlakuan panas, fasa tersebut ialahmartensitdanbainit.MARTENSIT adalah suatu struktur yang keras dan rapuh yang antara lain terbentuk bila baja didinginkan secara cepat dari temperatur austenit dengan suatu proses hardening yaitu QUENCHING.
PENGERTIAN HARDNESS adalahKemampuan material untuk menahan deformasi pada daerah permukaanMETODE : Goresan (Mineralogi dan mohs scale), Pantulan, Pembebanan atau penjejakan
TERBENTUKNYA MARTENSIT
Karena perubahan temperatur pada proses quenching berlangsung cepat, maka waktu yang dibutuhkan oleh karbon untuk berdifusi keluar dari austenit tidak cukup, sehingga atom atom karbon terperangkap dan menghalangi transformasi normal dari FCC ke BCC dan kristal FCC kemudian menjadi BCT (Body Centered Tetragonal), karena itu transformasi yang terjadi dari austenit ke martensit tanpa melalui suatu proses difusi tetapi terjadi karena adanya pembalikan KristalBainit juga salah satu bentuk transformasi austenit jika didinginkan dengan kondisi kontinu atau isotermal antara daerah pembentukan perlit dan martensit. Bainit ini memiliki mode transformasi dan struktur mirip dengan perlit dan martensit. Disebut mirip dengan perlit karena bainit merupakan campuran dari fasa ferit dan sementit, oleh karena itu dikendalikan oleh difusi dari karbon antara ferit dan sementit. Namun disini ferit dan sementit tidak berbentuk lamel.Disebut mirip dengan martensit karena ferit dan sementit pada bainit berbentukplatedanlathseperti bentuk martensit.
PENGARUH UNSUR PADUAN TERHADAP SIFAT BAJA.
1.Karbon(C) : adalah unsur pengeras yang dominan2.Mangan(Mn) : Meningkatkan kekuatan dan kekerasan terutama disebabkan terjadinya penguatan pada fasa ferit. Mn juga berfungsi sebagai deoksidator, yaitu mengikat sulfur membentuk senyawa MnS yang titik cairnya lebih tinggi dari titik cair baja, sehingga cenderung terperangkap sebagai inklusi. Mn juga berfungsi mencegah terbentuknya ikatan sulfur dengan baja dalam bentuk FeS yang mempunyai titik leleh lebih rendah dari baja, sehingga unsur Mn dapat mencegah terjadinya kerapuhan pada suhu tinggi, terutama untuk baja yang beroperasi pada suhu tinggi.3.Silisium: berfungsi sebagai deoksidator, selain itu dapat meningkatkan kekuatan tarik baja tanpa mengakibatkan penurunan pada sifat keuletannya. Hal ini dapat terjadi karena unsur Si merupakan stabilisator sementit.4.Phospor(P) : jika jumlah phospor dalam baja cukup besar dapat meningkatkan kekuatan tarik dan kekerasan, tetapi keuletannya turun tajam dan bahkan dapat mengakibatkan mudah terjadi retak dingin atau rapuh pada suhu rendah dan sensitif terhadap beban kejut. Pada baja konstruksi kandungan phospor dibatasi maksimum 0,05%.5.Sulfur(S) : menurunkan sifat keuletan dan ketangguhan terhadap beban kejut. Sulfur yang berlebihan akan bereaksi dengan Fe membentuk FeS yang mempunyai titik leleh rendah. Untuk baja konstruksi, kandungan Sulfur dibatasi maksimum 0,05%.6.Aluminium(Al) : sebagai unsur deoksidator yang mengikat oksigen yang terdapat pada cairan baja. Selain itu Al juga mudah mengikat Nitrogen membentuk endapan nitrida yang cenderung mengendap di batas butir struktur baja, sehingga sifat kekerasan baja meningkat.7.Nikel(Ni) : meningkatkan kekuatan baja. Nikel bersama Cr dapat meningkatkan ketahanan korosi dan ketahan panas baja. Adanya unsur Ni pada baja tidak mengganggu sifat mampu las baja tersebut.8.Chrom(Cr) : meningkatkan kekuatan. Cr meningkatkan ketahanan panas dan ketahanan aus baja dan tahan korosi, tetapi sifat mampu lasnya menurun.9.Tembaga(Cu) : meningkatkan kekuatan. Dalam jumlah kecil Cu dapat meningkatkan ketahanan korosi baja. Cu tidak mempengaruhi sifat mampu las baja.10.Molebdenum(Mo) : meningkatkan kekuatantarik terutama pada temperatur tinggi (creep), serta dapat memperbaiki sifat mampu lasnya. Mo juga berfungsi sebagai stabilisator karbida, sehingga mencegah terbentuknya grafitisasi pada pemanasan yang cukup lama.11.Vanadium(V) : meningkatkan kekuatan tarik, terutama sifat hot hardness baja. Vanadium merupakan unsur penstabil karbida dan dikombinasikan dengan Cr diperoleh baja tahan panas, dan jika dikombinasikan dengan wolfram (W) dapat dimanfaatkan sebagai baja perkakas.12.Wolfram/Tungsten(W) : meningkatkan sifat kekuatan, kekerasan dan ketahanan aus baja. Wolfram mempunyai kecenderungan yang kuat untuk membentuk karbida, karena itu dimanfaatkan untuk pembuatan baja tahan panas.13.Titanium(Ti) : merupakan elemen yang sangat keras, penstabil karbida, sebagai elemen pemadu dalam stainless steel untuk meningkatkan ketahanan korosi interkristalin. Selain itu titanium juga berfungsi sebagai penghalus butir kristal.
Pada proses pelakuan panas diperlukan suatu patokan untuk menentukan proses pemanasan dan kecepatan pendinginan. Biasanya yang sering digunakan sebagai pedoman tersebut ialah2.diagram TTT ( Time Temperature Transformation)3.diagram CCT (Continues Cooling Transformations).Diagram TTT ialah suatu petunjuk transformasi logam yang menggambarkan waktu awal dan akhir transformasi pada setiap temperatur pendinginan, sedangkan diagram CCT adalah diagram yang menggambarkan tentang kecepatan pendinginan dan fasa yang terbentuk ketika transformasi berlangsung
Kedua diagram TTT dan CCT berbeda beda untuk setiap logam demikian pula untuk logam yang sama diagram tersebut berbeda untuk setiap perubahan elemen paduan. Artinya kedua diagram tersebut sangat dipengaruhi oleh komposisi kimia, jadi diagram tersebut dapat bergeser ke kanan, ke kiri atau ke atas dan bawah, sehingga fasa yang terjadi juga tergantung dari unsur paduannya.
Bentuk kurva TTT dan CCT tgtg pada :- kadar karbon- besar butir awal austenit- unsur padauankadar C turun : kurva ke kiri, Ms dan Mf naik. Shg baja karbon rendah sulit untuk dapat martensit.Kadar C 0,3% : Mf lebih rendah dari temp ruang, jadi austenit yang belum tertransformasi cukup besar dan disebutaustenit sisaatauretained austenite.Untuk menghilangkan :subzero treatment, yaitu pendinginan lanjut dibawah 0C.Seluruh elemen paduan (kecuali Co) menurunkan temperatur awal dan akhir pembentukan martensit. Besarnya temperatur awal pembentukan martensit dapat diprediksi dengan menggunakan rumus empiris untuk baja paduan rendah:Ms(C) = 561 - 474C - 33Mn - 17Ni - 17Cr - 21MoUntuk baja paduan tinggi berlaku rumus empiris sbb:Ms(C) = 550-350C-40Mn-17Ni-20Cr-10Mo-35W-10Cu+15Co+30Al
Perlu di perhatikan dalam pemanasan:- Dimensi kesetabilan dan kecepatan pemanasan.
Yang perlu di perhatikan ketika pendiaman dalam dapur/holding time adalah:1.Suhu terlalu rendah.2.Kemungkinan suhu tidak homogeny.3.Terjadi pertumbuhan butir.4.Benda uji terdeformasi5.Terjadinya oksidasi6.Perubahan temperature karena dapur.7.Benda uji nempel dengan yang lain8.Pemborosan waktu dan energy.
Yang perlu di perhatikan pada proses pendinginan adalah :
Annealing. :pemanasan bahan pada temperatur dan lama pemanasan tertentu dan kemudian didinginkan dengan kecepatan pendinginan lambat.,Tujuan annealing ialah untuk :
- pelunakan- meningkatkan mampu bentuk dingin- memberi sifat mampu mesin yang baik- merubah sifat mekanik, listrik atau magnetik- meningkatkan stabilitas dimensi- dll,
http://klikdesignku.blogspot.com/2011/10/proses-pengerasan-logam.html
PROSES PENGERASAN LOGAM BAGIAN 2QUENCHING.bertujuan untuk mendapatkan NILAI KEKERASAN optimum dari baja, dengan mentransformasikan perlit ke austenit kemudian dari austenit menjadi martensit dengan pendinginan cepat sehingga kurva pendinginan pada diagram CCT tidak menyentuh hidung kurva dan langsung ke Ms (martensit strart). Kekerasan optimum diperoleh jika austenit seluruhnya berubah menjadi martensit dan makin tinggi kadar karbon kekerasan yang diperoleh juga makin tinggi.
Tempering.Proses tempering biasanya dilakukan untuk memperbaiki karakteristik baja hasil proses pengerasan dengan quenching. Baja hasil proses quenching tersebut sangat keras, rapuh dan memiliki tegangan sisa yang besar, maka agar baja tersebut tidak merugikan dalam penggunaannya dilakukan proses perlakuan panas tambahan yaitu tempering. Pemanasan pada proses temperaing dilakukan pada temperatur tertentu dibawah temperatur kritis (A1) dan ditahan pada temperatur tersebut selama waktu tertentu kemudian didinginkan di uadara atau didalam dapur
CONTOH CONTOH DAPUR HEAT TREATMENT
PENGARUH TEMPERING TERHADAP SIFAT MEKANIS
YIELDTENSILEELONGATIONHARDNESSDUCTILITY
Effect of tempering temperature on the mechanical properties of oil-quenched 4340 steel bar
MARTEMPERINGa). Conventional quenching & temperingb). Martemperingc). Modified Martemperingfor High MsMARTEMPERINGMartempering media : molten salt and hot oil are both widely used for martempering
AUSTEMPERINGadalah transformasi isotermal dari paduan baja pada temperatur dibawah pembentukan pearlite dan diatas terbentuknya martensit
KEUNTUNGAN AUSTEMPERING :
1.Meningkatkan:DUCTILITY, TOUGHNESS , STRENGTH.2.Mengurangi distorsi.3.Mengurangi waktu proses sampai mendapatkan kekerasan yang di inginkan.4.Mmenghemat energy dan modal untuk investasi.Molten saltis the quenching medium most commonly used in austempering
EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE FRACTURE OF 10B53 STEEL.
Ductile fracture surface of specimen austempered to 53 HRC.
Brittle fracture of specimen quenched and tempered to 53 HRC.A : aliran panasB : vapor blanket karena pengadukan yg burukC : gelembung yg terperangkap dan pecah pelan2D : gelembung uap meletus/ lepas
Penyebab kerusakan akibat perlakuan panas pada umumnya secara garis besar disebabkan oleh dua hal, yaitu :1.Kesalahan dalam melaksanakan proses, yaitu meliputi pemilihan temperatur, penentuan waktu pemanasan, cara pemanasan, kesalahan memilih media pendingin atau kesalahan menentukan kecepatan pendinginan dan kesalahan dalam meletakkan benda uji didalam dapur atau kesalahan ketika menjatuhkan ke dalam media pencelup.2.Perubahan perubahan fisik logam, meliputi transformasi fasa, pemuaian dan penyusutan timbulnya tegangan sisa, dll.Pada transformasi austenit ke martensit dimana terjadi transformasi geser, matriks mengalami deformasi plastis. Jika fasa induk tidak mampu menampung perubahan bentuk yang ditimbulkan transformasi tersebut, maka akan terjadi keretakan.Pada proses perlakuan panas baik ketika pemanasan maupun ketika pendinginan terjadi beberapa perubahan pada logam, perubahan perubahan tersebut meliputi :- Kuat tarik logam pd temp rendah > temp tinggi- Pemuaian dan penyusutan- Perubahan fasa- Perubahan ukuran butir
- Penataan kembali dislokasiPerubahan perubahan tersebut dapat mengakibatkan tegangan sisa dan juga bahkan menimbulkan perubahan dimensi serta retak. Ketika proses pemanasan dengan kecepatan relaitif tinggi transfer panas dari permukaan ke bagian inti berlangsung relatif lebih lambat dari panas yang diterima oleh permukaan dari sumber panas, akibatnya terjadi perbedaan suhu yang besar antara bagian permukaan dan bagian inti. Demikian juga ketika logam panas didinginkan secara cepat, bagian permukaan logam yang kontak langsung dengan media pendingin temperaturnya turun secara cepat sedangkan pada bagian inti masih perlu waktu untuk menyalurkan panas ke permukaan melalui proses induksi, sehingga temperatur bagian permukaan dan bagian inti mempunyai perbedaan yang cukup besar.
Seperti telah diketahui bahwa logam memuai jika temperaturnya tinggi dan menyusut jika temperaturnya turun. Dengan terdapatnya perbedaan temperatur pada bagian inti dan bagian permukaan yang begitu besar maka penyusutan danpemuaian pada bagian inti tidak terjadi secara bersamaan sehingga timbul tegangan panas atau thermal stresses dan tegangan tersebut dalam kondisi tertentu dapat mengakibatkan keretakan dan pecah.
Tegangan sisa yang terjadi akibat adanya gradien panas diperkuat dengan adanya tegangan yang terjadi akibat transformasi fasa. Pada proses pemanasan dan pendinginan secara cepat tidak hanya pemuaian dan penyusutan saja yang terjadi, tetapi juga terjadi perbedaan awal transformasi fasa antara bagian permukaan dan bagian inti, karena masing masing fasa: martensit, bainit dan perlit mempunyai volume spesifik yang berbeda, maka perbedaan transformsi fasa tersebut juga mengakibatkan adanya perbedaan volume kristal dan akhirnya menimbulkan tegangan.Perubahan volume dari austenit ke fasa lainnya.TransformasiPerubahan Volume (%)Perubahan Panjang (%)
Austenit-martensit+ 4,2+ 1,4
Austenit-bainit+ 3,2+ 1,07
Austenit-perlit+ 2,4+ 0,8
Perubahan dimensi tidak hanya terjadi pada proses pencelupan saja, tetapi juga dapat terjadi pada proses penemperan karena pada tempering terjadi juga transformsi fasa yang mempunyai volume spesifik yang berbeda.Cross section of a water quenched SAE/AISI 1037 steel track shoe with 0.25 mm (0.010 in.)distortion caused by lightening groove. Redesigning of the shoe to remove the grooves improved uniformity ofthe section and reduced the distortion to a maximum of 0.08 mmPerlakuan panas terhadap baja yang dilakukan dengan baik dan benar merupakan suatu faktor yang penting dan menentukan kualitas serta kemampuannya dalam penggunaan. Beberapa hal yang harus diingat dalam melakukan perlakuan panas baja, yaitu:1.Pemanasan baja sebaiknya tidak dilakukan secara cepat atau langsung dimasukkan ke dalam dapur yang panas, tetapi dilakukan pelahan lahan atau melalui preheating, atau diletakkan didalam dapur ketika dapur masih dingin, kemudian dipanaskan bersama sama dengan dapur sampai kepada temperatur yang dikehendaki.2.Waktu pendiaman didalam dapur diusahakan sedemikian rupa sehingga cukup dan sudah dapat dipastikan bahwa pemanasan berlangsung merata diseluruh bagian benda.3.Untuk menghindarkan overheating pemanasan baja sebaiknya tidak terlalu tinggi, karena pencelupan dari temperatur yang terlalu tinggi akan mengakibatkan keretakan. Overheating juga akan mengakibatkan terjadinya pertumbuhan butir sehingga ukurannya terlalu besar sehingga ketangguhannya berkurang.4.Dalam proses pemanasan diperlukan sesuatu yg dapat mencegah terjadinyascalingatau kerak dan dekarburisasi. Hal ini dapat dilakukan dg misalnya mengalirkan gas netral pada dapur pemanas, memanaskan didalam salt bath furnace.5.Quenching harus dilakukan sesuai dg yang direkomendasikan oleh pabrik, baik kecepatan pendinginan maupun media pendinginnya.6.Sebaiknya baja harus segera ditemper sesaat setelah quenching dan dilakukan sebelum benda tersebut mencapai temperatur ruang, hal ini perlu dilakukan untuk menghindari terjadinya retak akibat tegangan yang timbul selama quenching. Beberapa baja seperti baja perkakas bahkan membutuhkan lebih dari satu proses tempering
LAYERADDITIONCoatings :-Electrochemical plating, -Chemical vapour deposition (electroless plating)-Thin films (physical vapour deposition, sputtering, ion plating), -Ion mixingHardfacing :-Fusion hardfacing (Welded overlays)-Thermal spray (Nonfusion bonded overlay)
SURFACE ORSUBSURFACEMODIFICATIONDiffusion Methods:-Carburising , -Nitriding, -Carbonitriding, -Nitrocarburising , -Boriding-Titanium carbon diffusionSelective Hardening Methods :-Flame hardening, -Induction hardening, -Laser hardening,-Electron beam hardening, -Ion implantation-Selective carburising and nitriding, -Use of arc lamps
Pilihan teknologi rekayasa permukaan didasarkan kepada kebutuhan sifat teknis dalam kondisi operasionilnya.1.Ketahanan aus abrasiv pada pembebanan tekan rendah.2.Ketahanan aus abrasiv pada pembebanan tekan tinggi3.Ketahanan terhadap pengelupasan (bonding strength)4.Ketahanan terhadap goresan5.Ketahanan terhadap benturan6.Kekuatan tekuk dan torsi7.Kekuatan lengkung fatigue dan torsi fatigue8.Ketahanan terhadapmechanical pittingdancaseCrushing9.Ketahanan terhadap korosi10.Ketahanan terhadap erosi
