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 Fakultas Teknik Universitas Indonesia Courtesy of Mr. Esa Haruman’s Presentation

Pengaruh Unsur Paduan pada Diagram Fe3C

Ferrite () + Cementite (Fe3C) EHW 98 DIAGRAM KESEIMBANGAN Fe-C Temperature Co 1600  + Melt 1500 Melt () 1400  +  1300  + Melt Melt + cementite 1200 1100 1147 ºC Eutectic Point 1000 Austenite () Austenite + cementite Acm 900 A3  +  () A1 700 723 ºC Ferrite () + Cementite (Fe3C) 600 Eutectoid Point 500 0.8 1.0 2.0 3.0 4.0 4.3 Carbon content %

ELEMEN PADUAN VS DIAGRAM Fe-C 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 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  A1 Eutectoid 0.8 %C

Elemen paduan perubah ttk eutectoid Elemen paduan vs. EHW 98 Elemen paduan perubah ttk eutectoid Elemen paduan vs. temperatur eutectoid Elemen paduan vs. kandungan karbon eutectoid

Penstabil ferrite Penstabil austenite EHW 98 Penstabil ferrite Penstabil austenite Carbon content Penambahan Cr menaikkan temperatur eutectoid dan menggesernya kekiri. Penambahan Mn menurunkan temperatur eutectoid dan menggesernya kekiri.

KARBIDA DAN NITRIDA PADUAN EHW 98 KARBIDA 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 3200 VC 2600 TiN 2000 WC 2400 Fe3C 1000 Martensite 900 Bainite 600 Pearlite 300

Concentration of alloying element (%) EHW 98 Nitrida keras Al, Ti, V, Cr, Mo, memebentuk nitrida keras Concentration of alloying element (%)

DIAGRAM TTT/CCT

DIAGRAM TTT/CCT --Digunakan untuk mengetahui mikrostuktur yang EHW 98 DIAGRAM TTT/CCT --Digunakan untuk mengetahui mikrostuktur yang terbentuk pada pendinginan non-ekuilibrium Austenite A3 A1 A+F Start Finish Ferrite +Pearlite Nose  Temperatur °C Bainite Ms Martensite +  Mf Log waktu

DIAGRAM TTT UNTUK BAJA 0.8% C EHW 98 DIAGRAM TTT UNTUK BAJA 0.8% C Martensite Martensite + Auatenite Ms Mf Pearlite Bainite coarse fine upper lower Austenite Ae1 Ps Pf Bs Bf 1 sec. 1min. 1 hour 1 day Hardness, HRc Temperature ºC

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

FUNGSI PERLAKUAN PANAS TERMAL SEBAGAI BAGIAN PROSES MANUFAKTUR 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

--Process and recrystallisation annealing EHW 98 PERLAKUAN PELUNAKAN --Homogenising --Normalizing --Full annealing --Spherodising --Stress relieving --Process and recrystallisation annealing

 HOMOGENIZING Pemanasan pada temperatur tinggi didaerah EHW 98 HOMOGENIZING Pemanasan pada temperatur tinggi didaerah fasa austenit (), jauh diatas titik kritis (A3 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 A10), Mold Steel P4.

Pemanasan sampai temperatur sedikit diatas transformasi    EHW 98 FULL 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

PERLAKUAN PELUNAKAN - DIAGRAM Fe-C EHW 98 PERLAKUAN PELUNAKAN - DIAGRAM Fe-C Homogenising (H) Normalising (N) Full-Annealing (A) Recrystallisation annealing 911°C Austenite ()  + Fe3C Stress-relief annealing Acm Karakteristik (H) (N) Full (A) Temp. *** ** * Metoda -- udara dapur pendingin Wkt. Proses *** * * A3 723 °C A1  + Fe3C Temperature Ferrite () Eutectoid Rendah *  Tinggi*** Hypo eutectoid Hyper eutectoid 0.8 1.4 2.0 Carbon %

NORMALIZING VS FULL ANNEALING 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 P +A F +A Heating Cycle Cooling Normalizing Anneal Time Temperature Ms Ac3 Ac1 Pendinginan di dapur 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 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.

Membentuk struktur martensit/bainit yang memiliki kekerasan tinggi. EHW 98 PENGERASAN TERMAL Membentuk struktur martensit/bainit yang memiliki kekerasan tinggi.

PENGERASAN TERMAL Terdiri dari tiga tahap operasi : (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 TEMPERING BATH HEATING FURNACE

SIKLUS PENGERASAN TERMAL Baja sangat lunak - u << , struktur:  + karbida(sisa)  Baja keras dan mulai tangguh : struktur: M(temper+sterssed) + sisa + Karbida(sisa) + lainnya Transformasi  Baja menyusut Holding Baja menyusut  Final heating Quenching Temper 1 Baja memuai Temper 2 TEMPERATUR Preheating Transformasi  Baja memuai  Baja keras tapi rapuh , struktur: M(stressed) + sisa + Karbida(sisa) + lainnya Ketangguhan lebih baik : struktur: M(temper) + Karbida + lainnya  WAKTU

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. 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. SUSUT TRANSFORMASI KE  TEMPERATUR TEMPERATUR PERMUKAAN PREHEATING (550-650 oC) MUAI INTI WAKTU WAKTU

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

Hal-hal yang diperhatikan: 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..

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

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 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 760 C 645 C 538 C 427 C 315 C Jadi, geometri komponen serta kondisi media kuens dapat mempengaruhi hasil kekerasan 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 Karbida Ferit, Perlit Mikrostruktur baja kondisi anil (lunak), sebelum dikeraskan Pengerasan termal Martensit Sisa  Mikrostruktur baja setelah dikeraskan: martensit diperkuat oleh karbida Karbida

SISA AUSTENITE Penghilangan sisa austenit: terjadi akibat kandungan karbon yang tinggi, dan hadirnya elemen penstabil austenit () pada baja paduan BAJA KARBON Penghilangan sisa austenit: --Temper  Bainit, Karbida, Martensit --Subzero treatment 100% Martensit Sisa  65 70 HRc Karbon diatas 0,8% kekerasan menurun Kekerasan 0.7 0.8 %C Komposisi karbon

-- terdapat tegangan sisa akibat kuens -- rapuh dan mudah patah 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 Kekerasan (HRc) Ketangguhan ft-lb) Temperatur (ºC) Kekerasan Ketangguhan Secondary hardening

UNTEMPERED MARTENSITE EHW 98 UNTEMPERED MARTENSITE DAN SISA AUSTENITE Sisa  warna putih BAJA PADUAN RENDAH HSS M42: a. 35 %  b. temper 1: 1 jam, 600ºC c. temper 2: 1 jam, 600ºC (a) 30% Untempered Setelah tempering martensite 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 Bainite 230-280ºC Tahap 3: Karbida transisi, martensit C rendah Sementit + Ferit 160-400ºC 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.

Temper 1 : sebagian sisa austenit akan bertransformasi 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 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 stabil setelah tahap ini.

MARTEMPERING DAN AUSTEMPERING Bertujuan untuk mereduksi tegangan termal sehingga meminimumkan efek distorsi Austenite Austenite Core Core Pearlite Pearlite Surface Temperatur (ºC) Temperature (ºC) Surface Bainite Bainite Ms Ms Austempering Martempering Waktu 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.

DISTORSI DAN KERETAKAN 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.

DUA BENTUK DISTORSI KOMPONEN EHW 98 DUA BENTUK DISTORSI KOMPONEN SETELAH PERLAKUAN PANAS SEBELUM PERLAKUAN PANAS 1. Dimensional distortion Terjadi akibat perubahan ukuran, tegangan sisa machining, proses perlakuan panas. 2. Shape distortion

CATATAN DISTORSI KOMPONEN EHW 98 CATATAN DISTORSI KOMPONEN Distorsi yang dapat dihindarkan Distorsi yang tidak dapat dihindarkan --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.