Perlakuan Panas Logam

(TTT & CCT diagram, Annealing, Hardening)

Myrna Ariatimyrna@metal.ui.ac.id

Wahyuaji NPwahyuaji@metal.ui.ac.id

Departemen Metalurgi & Material

Fakultas Teknik Universitas IndonesiaCourtesy of Mr. Esa Haruman’s Presentation

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.

EHW 98

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.