Thermochemical Baja

Pengertian perlakuan panas dengan termokimia adalah mendifusikan elemen kimia pada temperatur yang meningkat untuk meningkatkan sifat mekanis permukaan komponen.

keuntungan dari pengerasan termokimia ini :

  • Mudah mengontrol kedalaman pengerasan
  • Baik untuk bentuk kompleks
  • Biaya rendah terutama untuk produksi massal
  • Bahan baku low carbon steel, alasan : Mudah dibentuk dan di machining, bagian tengahnya ulet, kekerasan permukaannya meningkat, dan struktur lebih tangguh daripada baja medium atau high carbon steel.

pengerasan permukaan secara termokimia ini dibagi menjadi empat bagian, yaitu kurang lebih dapat dilihat pada skema sebagai berikut :

 

 

 

 

 

1. Carburizing

Proses perlakuan panas yang menghasilkan permukaan yang tahan aus, sambil mempertahankan ketangguhan dan kekuatan inti. Perlakuan ini diterapkan pada bagian baja rendah karbon setelah permesinan, bantalan dengan material baja paduan, roda gigi, dan komponen lainnya.

Karburasi meningkatkan kekuatan dan ketahanan terhadap aus dengan cara mendiffusikan karbon ke permukaan baja pada suhu tingggi, dengan tujuan mempertahankan kekerasan secara substansial lebih rendah ke bagian dalam. Perlakuan ini diterapkan untuk baja rendah karbon setelah dimesin.

Permukaan yang kuat dan keras serta bentuk yang rumit dan kompleks dapat dibuat dari bahan dengan biaya  relatif lebih rendah yang dapat segera mesin atau dibentuk sebelum perlakuan panas.

Kebanyakan karburasi dilakukan dengan memanaskan komponen baik dalam tungku lubang, atau tungku tertutup, dan memperkenalkan gas karburasi pada temperatur tertentu. Karburasi gas memungkinkan kontrol akurat dari kedua suhu proses dan karburasi (potensi karbon). Karburasi adalah proses waktu / temperatur; suasana karburasi diperkenalkan ke dalam tungku untuk waktu yang diperlukan untuk memastikan kedalaman yang benar. Potensi karbon dari gas dapat diturunkan untuk memungkinkan difusi, menghindari kelebihan karbon di lapisan permukaan. Setelah karburasi, proses selanjutnya dapat berupa pendinginan lambat ataupun pendinginan cepat.

 

2. Carbonitriding

Proses Carbonitriding paling cocok untuk karbon rendah dan paduan baja rendah karbon. Dalam proses ini, Karbon dan Nitrogen yang disebarkan ke permukaan. Bagian-bagian yang dipanaskan dalam suasana hidrokarbon (seperti metana atau propana) dicampur dengan Amonia (NH3). Proses ini adalah campuran dari karburasi dan Nitridasi.
Karburasi melibatkan suhu tinggi (sekitar 900 º C, 1652 º F) dan Nitridasi melibatkan temperatur yang lebih rendah (sekitar 600 º C, 1112 º F). Carbonitriding dilakukan pada temperatur 760-870 º C (1400-1598 º F), yang lebih tinggi dari suhu transformasi baja yang wilayah Austenite.
Kemudian di-Quench dengan gas alam (bebas Oksigen). Quench ini kurang drastis dibandingkan menggunakan air atau minyak sehingga distorsi yang terjadi tidak besar. Namun proses ini tidak cocok untuk bagian-bagian yang memerlukan presisi tinggi. Kekerasan dicapai mirip dengan proses karburasi (60 – 65 RC) tetapi tidak setinggi Nitridasi (70 RC). Kedalamannya adalah 0,1-0,75 mm (0,004-0,030 in). Hasilnya banyak mengandung nitrida serta Martensit. Tempering diperlukan untuk mengurangi kerapuhan.

 

3. Nitrocarburizing

Nitrocarburizing adalah variasi dari proses nitriding. Ini adalah proses difusi termokimia dimana nitrogen, karbon, dan untuk tingkat yang sangat kecil, atom oksigen berdifusi ke permukaan bagian baja, membentuk lapisan senyawa pada permukaan, dan lapisan difusi. Nitrocarburizing adalah variasi kasus dangkal dari proses nitriding. Keuntungan dari proses ini termasuk kemampuan untuk mengeraskan bahan yang tidak prehardened, suhu relatif rendah dari proses yang meminimalkan distorsi, dan biaya relatif rendah dibandingkan dengan proses karburasi atau pengerasan. Proses ini dilakukan terutama untuk memberikan perlawanan anti-aus pada lapisan permukaan dan untuk meningkatkan ketahanan lelah.
Keuntungan tambahan adalah bahwa nitrocarburizing dapat diterapkan untuk bahan yang sama seperti yang nitriding, serta bahan murni dan tidak dicampur, di mana ketahanan aus baik, dan beberapa ketahanan lelah baik diperlukan dengan biaya rendah. Hal ini banyak digunakan untuk stamping, sebagai alternatif untuk pelapisan keras atau bahkan carbonitriding.

 

4. Nitridasi

 

Nitridasi dilakukan pada suhu di bawah suhu transformasi baja paduan, sehingga dengan teknik manufaktur yang tepat, distorsi yang terjadi sedikit atau bahkan tidak ada sebagai akibat dari proses. Bagian yang akan Nitrided dipanaskan untuk mendapatkan tingkat kekuatan yang tepat, dan siap dimesin. Bagian-bagian kemudian diberi nitrogen aktif pada suhu terkontrol secara hati-hati, biasanya di kisaran 925 ° F sampai 985 ° F. Suhu ini biasanya di bawah suhu tempering akhir dari baja sehingga nitriding yang dilakukan tidak mempengaruhi sifat mekanik logam dasar. Akibatnya, didapatkan produk dengan kekuatan yang sangat tinggi dan ketahanan aus sangat baik dapat diproduksi, dengan perubahan dimensi sedikit atau tidak ada. Tidak ada perlakuan panas lebih lanjut diperlukan, bahkan, perlakuan panas lebih lanjut dapat membuat retak bagian yang keras.

 

http://gogetitnararia.wordpress.com/2011/11/05/contd-surface-hardening-thermochemical-treatment/

http://www.efunda.com/processes/heat_treat/hardening/diffusion.cfm

http://services.metlabheattreat.com

Perlakuan Panas Pada Logam Ferrous Dan Paduannya

Logam dan paduan berbasis besi adalah salah satu jenis bahan yang paling banyak dan luas aplikasinya di bidang rekayasa. Besi atau Fe terdapat di alam sebagai oksida atau bijih besi. Logam besi sebagian besar diperoleh melalui serangkaian proses pemurnian dan reduksi bijih besi. Melalui proses ini diperoleh lelehan besi mentah atau pig iron yang masih mengandung pengotorpengotor, terutama, karbon, silkon, mangan, sulfur, dan fosfor.

 

Namun, logam Fe hampir tidak pernah digunakan untuk aplikasi rekayasa dalam keadaan murni karena keterbatasan sifat-sifat mekaniknya. Paduan berbasis besi (ferrous alloy) yang paling banyak digunakan untuk aplikasi rekayasa adalah paduan besi-karbon dengan kandungan karbon tertentu beserta unsur-unsur paduan lainya. Keberadaan unsur karbon di dalam larutan padat Fe memiliki pengaruh yang signifikan terhadap peningkatan sifat-sifat mekanik logam besi

 

Selain baja, paduan berbasis besi karbon lain yang juga penting adalah besi tuang atau besi cor (cast iron), yaitu besi dengan kadar karbon lebih dari 2,11% hingga 4-6%. Besi tuang diklasifikasikan lebih lanjut berdasarkan struktur mikro dan sifat-sifatnya ke dalam besi tuang kelabu (grey cast iron), besi tuang ulet atau nodular (ductile or nodular cast iron), besi tuang putih (white cast iron), besi tuang mampu tempa (malleable cast iron).

 

Heat Treatment adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap logam atau paduan dalam keadaan padat, sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu. Proses Heat Treatment sendiri adalah salah satu proses untuk mengubah struktur logam dengan jalan memanaskan spesimen pada elektrik terance ( tungku ) pada temperature rekristalisasi selama periode waktu tertentu kemudian didinginkan pada media pendingin, seperti udara, air, air garam, oli dan solar yang masing-masing mempunyai kerapatan pendinginan yang berbeda-beda, dan bila perlu dilanjutkan dengan pemanasan disertai pendinginan ulang.

 

Heat Treatment dibagi menjadi 2 Softening dan Hardening

Softening :

Memperbaiki sifat keuletan material dan mempersiapkan bahan logam sebagai produk setengah jadi agar siap diproses

Hardening :

Meningkatkan kekerasan material dan mempersiapkan bahan logam sebagai produk jadi agar memiliki sifat mekanis yang optimum

Jenis – Jenis Softening :

  • Homogenising
  • Normalizing
  • Full annealing
  • Spherodising
  • Stress relieving
  • Process and recrystallisation annealing

 

HOMOGENIZING

Pemanasan pada temperatur tinggi didaerah  fasa austenit (g), 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).

 

NORMALIZING

Pemanasan lambat sampai dengan temperatur diatas transformasi a à g dan diikuti oleh pendinginan udara

–Menghilangkan ketidak ragaman mikrostruktur.

–Mengeleminasi tegangan sisa.

–Meningkatkan keseragaman dan penghalusan ukuran butir.

 

 

FULL ANNEALING

Pemanasan sampai temperatur sedikit diatas transformasi a à g   (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 g à a .

–Biasanya dilakukan pada baja yang akan dipasok kepasaran

 

Pembulatan sementit‘proeutectoid’ dalam bentuk networks pada batas butir.

 

 Pemanasan kembali pada temperatur lebih rendah (150 – 600 ºC), sekali atau berulang

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.

 

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.

 

 

Siklus Pengerasan Thermal

 

 

TAHAP KUENS

yaitu mendinginkan baja dari temperatur austenite 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).

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.

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

 

BAJA SETELAH KUENS

— terdapat tegangan sisa akibat kuens

— rapuh dan mudah patah

— dimensi tidak stabil

— tidak siap digunakan

ê

membutuhkan perlakuan temper !

 

 

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

Transformasi Fase Padat

PHASE (FASA) adalah suatu keadaan yang berbeda baik secara fisik, magnetic maupun kimiawinya. (a phase can be defined as a portion of system that its properties and compositions and physically distinct from other part’s of the system)
TRANSFORMASI FASA MATERIAL adalah Salah satu dari cabang ilmu material yang khusus mempelajari perubahan-perubahan keadaan dari suatu sistem ke sistem yang lebih stabil. Suatu keadaan akan dinyatakan stabil bila energy yang dikandung-nya adalah sangat minimum. ( The system state as stabil if it’s inert energy is minimum { Ei <<< } ) . Transformasi fasa material yang sangat sederhana dan mudah untuk dipelajari adalah TRANSFORMASI LIQUID-SOLID. Umumnya untuk metal (logam) proses pembentukan fasa dilakukan dengan proses pemanasan di atas titik leburnya ( Tmelting ) sehingga fasa yang didapat adalah fasa cair ; dimana bila tempe-ratur fasa cair tersebut diturunkan sampai dibawah  Tmelting  nya maka akan terjadi SOLIDIFIKASI

Sebagian besar transformasi bahan padat tidak terjadi terus menerus sebab
ada hambatan yang menghalangi jalannya reaksi dan bergantung terhadap
waktu. Contoh : umumnya transformasi membentuk minimal satu fase baru yang
mempunyai komposisi atau struktur kristal yang berbeda dengan bahan induk
(bahan sebelum terjadinya transformasi). Pengaturan susunan atom tejadi
karena proses difusi.
Secara stuktur mikro, proses pertama yang terjadi pada transformasi fasa
adalah nukleasi yaitu pembentukan partikel sangat kecil atau nuklei dari fase
baru. Nuklei ini akhirnya tumbuh membesar membentuk fasa baru. Pertumbuhan
fase ini akan selesai jika pertumbuhan tersebut berjalan sampai tercapai fraksi
kesetimbangan.
Laju transformasi yang merupakan fungsi waktu (sering disebut kinetika
transformasi) adalah hal yang penting dalam perlakuan panas bahan. Pada
penelitian kinetik akan didapat kurva S yang di plot sebagai fungsi fraksi bahan
yang bertransformasi vs waktu (logaritmik) .
Fraksi transformasi , y di rumuskan:

Persaamaan ini disebut juga persamaan AVRAMI
Laju transformasi , r diambil pada waktu ½ dari proses berakhir :

Efek temperatur terhadap kinetik bisa dilihat pada gambar 1

Laju transformasi , r terhadap jangkauan temperatur dirumuskan :

Transformasi Multi Fasa

Transformasi fasa bisa dilakukan dengan memvariasikan temperatur ,
komposisi dan tekanan. Perubahan panas yang terjadi bisa dilihat pada diagram
fasa. Namun kecepatan perubahan temperatur berpengaruh terhadap
perkembangan pembentukan struktur mikro. Hal ini tidak bisa diamati pada
diagram fasa komposisi vs temperatur.
Posisi ketimbangan yang dicapai pada proses pemanasan atau pendinginan
sesuai dengan diagram fasa bisa dicapai dengan laju yang sangat pelan sekali ,
sehingga hal ini tidak praktis. Cara lain yang dipakai adalah supercooling yaitu
transformasi pada proses pendinginan dilakukan pada temperatur yang lebih
rendah, atau superheating yaitu transformasi pada proses pemanasan dilakukan
pada temperatur yang lebih tinggi .

Sumber :

http://sites.google.com/site/transformasifasa/pendahuluan-intoduction

Resume Hardenability

Hardenability (Sifat Mampu Keras)

 

Properti baja yang menggambarkan kemampuan baja untuk dapat dikeraskan selama pendinginan. Penting untuk diketahui bahwa kemampukerasan tergantung pada properti material, komposisi kimia dan ukuran mikrostruktur, tetapi terpisah dari sistem quenchant atau pendinginan (laju pendinginan). Namun, struktur yang diperoleh adalah kombinasi dari sifat kemampukerasan material dan proses quenching.

 

Dengan demikian kemampukerasan adalah kemampuan baja untuk mencapai kekerasan tertentu pada kondisi tertentu, atas perlakuan panas yang sesuai. Kekerasan dapat diukur pada baja dalam kondisi apapun. Kemampukerasan menganggap bahwa baja akan dipanaskan untuk mencapai kekerasan yang ditargetkan.

Untuk mendapatkan struktur baja yang tepat dapat dilakukan aplikasi tertentu untuk dapat mengukur kemampuan pengerasannya. Cara yang paling mudah untuk melakukannya adalah melalui The Jominy end quench test, ataupun Grossman test. Teknik lain adalah dengan menggunakan diagram transformasi tetapi cara  ini adalah lebih banyak membutuhkan waktu.

Cara tradisional untuk mendapatkan baja kekuatan tinggi adalah dengan pendinginan untuk membentuk martensit yang kemudian dipanaskan atau di-temper pada suhu menengah. Oleh karena itu, untuk pengembangan optimal kekuatan, baja pertama-tama harus dikonversi sepenuhnya menjadi martensit. Untuk mencapai hal ini, baja harus di-quench pada tingkat yang cukup cepat untuk menghindari penguraian austenit selama quenching menjadi produk seperti ferit, perlit dan bainit. Tingkat di mana austenit terurai untuk membentuk ferit, perlit dan bainit tergantung pada komposisi baja, serta pada faktor-faktor lain seperti ukuran butir austenit, dan tingkat homogenitas dalam distribusi unsur-unsur paduan.

Pengaruh ukuran butir austenit terhadap hardenability

  • Semakin banyak batas butir austenit semakin mudah untuk pearlit untuk terbentuk dibandingkan martensit
  • Lebih kecil ukuran butir austenit, semakin rendah hardenability bahan
  • Semakin besar ukuran butir austenit, semakin besar hardenability.

 

Jominy Test

 

 

Batang diameter 1 in

•  Letakkan pada standar sampel Jominy dengan bagian ujungnya didinginkan dengan  air

• Setelah pendinginan, sampel di amplas rata pada satu sisi, dan diukur kekerasan sepanjang batang sampel.

• Sampel dipotong untuk dianalisa struktur mikronya

• Hubungkan struktur mikro dengan kekerasan.

– Didapat bahwa laju pendinginan mempengaruhi sifat mekanisnya.

– Dapat dibuat diagram CCT dengan mengetahui jumlah struktur mikro dan kekerasannya.

 

 

 

 

 

Faktor-faktor yang mempengaruhi hardenability

%C : %C naik,  hardenability naik dan kekerasan naik

Jumlah paduan: Jumlah paduan naik, hardenability naik;

– Prosentase martensit tinggi pada laju pendinginan rendah

– Jika martensit  tidak terbentuk, dapat membentuk struktur Bainit.

– misal 4140 & 4340 memiliki martensit dan bainit,sedalam 1-2 in.

– 1040 memiliki struktur ferrite + bainite

Ukuran butir austenit: makin besar ukuran butir hardenability akan meningkat

“H” Steels (i.e., 4140H)

– H steels – guaranteed restricted hardenability band

 

 

Metode Grossman

  • Melakukan suatu seri  pengerasan baja silinder dengan diameter  0.5-2.5 in.
  • Setiap batang dengan diameter berbeda diquench dalam media quench (diketahui nilai H)
  • Tentukan batang dengan  50% martensite di bagian tengah.
  • Tentukan diameter kritis Do (in inches) yaitu batang dengan 50% martensite di bagian tengah
  • Dimana batang tak dapat terkeraskan hingga bagian tengah untuk batang dengan diameter > Do

 

Istilah :

  • H = quench severity factor (oli 0.2 – air garam 5.0)
  • Do (D, Dc) = Diameter batang kritis dimana menghasilkan 50% martensite pada bagian tengah pada H yang diketahui
  • Di = Diameter ideal dimana terdapat  50% martensite pada bagian tengah dengan H = ~ (ideal quench)
  • Hubungan antara Do, Di, dan  severity of quench (H)

 

Ideal critical diameter (Di)

  • Diameter kritis ideal (Di)

– Tidak tergantung keragaman laju pendinginan

– Diameter batang dengan 50% martensit pada bagian tengah dengan quench ideal.

  • Ideal quench: Panas hilang sesegera mungkin begitu batang kontak dengan media quench.
  • Sebagai contoh; mengasumsikan permukaan langsung mempunyai temperatur T sama dengan media quench dan didiamkan disana.
  • H = Koefisien heat transfer / Konduktifitas thermal

 

Untuk besar butir konstan

  • – Di bertambah dengan bertambahnya %C

– (contoh, hardenability tinggi dengan pertambahan  %C)

• Untuk Carbon konstan

– Di bertambah dengan bertambahnya besar butir (no butir  ASTM  semakin kecil). Lihat Gambar

 

 

 

Sumber :

http://in.materials.drexel.edu/blogs/metals/attachment/12921.ashx

http://eng.kufauniv.com/staff/mwahids/lic/4Hardenability.pdf

http://www.sfsa.org/sfsa/pubs/hbk/s11.pdf

http://staff.ui.ac.id/internal/131671540/material/Mampukeras2.ppt

http://www.keytometals.com/Articles/Art146.htm

http://www.matter.org.uk/steelmatter/metallurgy/7_1.html

 

Resume Heat Treatment

Heat Treatment adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap logam atau paduan dalam keadaan padat, sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu. Proses Heat Treatment sendiri adalah salah satu proses untuk mengubah struktur logam dengan jalan memanaskan spesimen pada elektrik terance ( tungku ) pada temperature rekristalisasi selama periode waktu tertentu kemudian didinginkan pada media pendingin, seperti udara, air, air garam, oli dan solar yang masing-masing mempunyai kerapatan pendinginan yang berbeda-beda, dan bila perlu dilanjutkan dengan pemanasan serta pendinginan ulang.

Sifat-sifat logam yang terutama sifat mekanik yang sangat dipengaruhi oleh struktur mikrologam disamping posisi kimianya, contohnya suatu logam atau paduan akan mempunyai sifat mekanis yang berbeda-beda apabila struktur mikronya diubah. Dengan adanya pemanasan atau pendinginan dengan kecepatan tertentu maka bahan-bahan logam dan paduan memperlihatkan perubahan strukturnya.

Tujuan heat treatment adalah:

  1. Mempersiapkan material untuk pengolahan berikutnya.
  2. Mempermudah proses machining.
  3. Mengurangi kebutuhan daya pembentukan dan kebutuhan energi.
  4. Memperbaiki keuletan dan kekuatan material.
  5. Mengeraskan logam sehingga tahan aus dan kemampuan memotong meningkat.
  6. Menghilangkan tegangan dalam.
  7. Memperbesar atau memperkecil ukuran butiran agar seragam.
  8. Menghasilkan pemukaan yang keras disekeliling inti yang ulet.

Masing-masing proses heat treatment memiliki fungsi yang berbeda-beda dengan menghasilkan sifat-sifat kekerasan yang diinginkan. Proses heat treatment dapat klasifikasi menjadi 2 bagian, yaitu :

  1. Heat treatment untuk memperbaiki sifat keuletan material (Softening) contohnya annealing, dan normalizing.
  2. Heat treatment untuk memperbaiki sifat kekerasan material (Hardening) contohnya karburasi, karbonitiding, nitriding, sianiding, dan quenching.

Softening

Softening adalah proses heat treatment untuk menghasilkan / memperbaiki tingkat keuletan material.

 

Anneling

Annealing adalah istilah umum yang digunakan untuk menggambarkan proses restorasi (pengembalian sifat-sifat semula) atas paduan coldworked atau yang telah diberi perlakuan panas. Annealing juga berfungsi untuk mengembalikan tekanan residual dalam suatu part manufaktur demi meningkatkan tingkat machinability dan kestabilan dimensional.

Proses anneling atau melunakkan baja dilakukan dengan proses pemanasan baja di atas temperature kritis ( 723 °C )selanjutnya dibiarkan beberapa lama sampai temperature merata disusul dengan pendinginan secara perlahan-lahan sambil dijaga agar temperature bagian luar dan dalam kira-kira sama hingga diperoleh struktur yang diinginkan dengan menggunakan media pendingin udara.

Tujuan proses anneling :

1. Melunakkan material logam

2. Menghilangkan tegangan dalam / sisa

3. Memperbaiki butir-butir logam

Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate), dll. Sehingga kita akan mengenal dengan apa yang disebut : Annealing, Stress relief Annealing, Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing.

Normalizing

Normalizing merupakan proses pemanasan 100oF diatas temperatur kritis atas sekitar temperatur 1000oF-1250oF. Tujuan proses ini adalah untuk menghasilkan baja yang lebih kuat dan keras diibandingkan dengan baja hasil proses full anneling,jadi aplikasi penerapan dari proses normalizing digunakan sebagai final treatment.

Normalizing pada umumnya menghasilkan struktur yang halus, sehinga baja dengan komposisi kimia yang sama akan memiliki yield strength, UTS, kekerasan, dan impact strength akan lebih tinggi dari pada hasil full annealling. Normalizing dapat juga dilakukan pada benda hasil tempa untuk menghilangkan tegangan dalam dan menghaluskan butiran kristalnya. Sehingga sifat mekanisnya menjadi lebih baik. Normalizing dapat juga menghomogenkan struktur mikro sehingga dapat memberi hasil yang bagus dalam proses hardening, sehingga ummnya sebelum dihardening baja harus di normalizing terlebih dahulu.

Hardening

Pengerasan adalah proses pemanasan baja sampai suhu di daerah atau di atas daerah kritis disusul dengan pendinginan yang cepat. Bila kadar karbon diketahui, suhu pemanasannya dapat dibaca dari diagram fasa Besi-karbida besi. Akan tetapi, bila komposisi baja tidak diketahui, perlu diadakan percobaan untuk mengetahui daerah pemanasannya. Cara yang terbaik adalah memanaskan dan mencelupkan beberapa potong baja berbagai suhu disusul dengan pengujian kekerasan atau pengamatan mikroskopik. Bila suhu yang tepat telah diperoleh akan terjadi perubahan dalam kekerasan dan sifat lainnya.

Surface Hardening (Pengerasan Permukaan)

Pengerasan permukaan memiliki dua cara dalam proses hardening, yaitu dengan penambahan zat (Karburasi, Nitriding, Karbonitriding, Sianiding, Chromizing, Siliconizing, Boronizing) dan tanpa penambahan zat (Flame Hardening , Induction Hardening , Laser and Electron Beam Hardening).

Karburasi

Cara ini sudah lama dikenal oleh orang sejak dulu. Dalam cara ini, besi dipanaskan di atas suhu dalam lingkungan yang mengandung karbon, baik dalam bentuk padat, cair ataupun gas. Beberapa bagian dari cara kaburasi yaitu kaburasi padat, kaburasi cair dan karburasi gas.

Karbonitiding

Adalah suatu proses pengerasan permukaan dimana baja dipanaskan di atas suhu kritis di dalam lingkungan gas dan terjadi penyerapan karbon dan nitrogen. Keuntungan karbonitiding adalah kemampuan pengerasan lapisan luar meningkat bila ditambahkan nitrogen sehingga dapat dimanfaatkan baja yang relative murah ketebalan lapisan yang tahan antara 0,80 sampai 0,75 mm.

Sianiding

Adalah proses dimana terjadi absobsi karbon dan nitrogen untuk memperoleh specimen yang keras pada baja karbon rendah yang sulit dikeraskan.

Nitriding

Adalah proses pengerasan permukaan yang dipanaskan sampai ± 510°c dalam lingkungan gas ammonia selama beberapa waktu.

Quenching

Quenching merupakan salah satu teknik perlakuan panas yang diawali dengan proses pemanasan sampai temperatur austenit (austenisasi) diikuti pendinginan secara cepat, sehingga fasa austenit langsung bertransformasi secara parsial membentuk struktur martensit. Austenisasi dimulai pada temperatur minimum ± 50°C di atas Ac3,yang merupakan temperatur aktual transformasi fasa ferit, perlit, dan sementit menjadi austenit. Temperatur pemanasan hingga fasa austenit untuk proses quenching disebut juga sebagai temperatur pengerasan (hardening temperatur). Dan setelah mencapai temperatur pengerasan, dilakukan penahanan selama beberapa menit untuk menghomogenisasikan energi panas yang diserap selama pemanasan, kemudian didinginkan secara cepat dalam media pendingin.

Tujuan utama quenching adalah menghasilkan baja dengan sifat kekerasan tinggi. Sekaligus terakumulasi dengan kekuatan tarik dan kekuatan luluh, melalui transformasi austenit ke martensit. Proses quenching akan optimal jika selama proses transformasi, struktur austenit dapat dikonversi secara keseluruhan membentuk struktur martensit.

Hal-hal penting untuk menjamin keberhasilan quenching dan menunjang terbentuknya martensit khususnya, adalah : temperatur pengerasan, waktu tahan, laju pemanasan, metode pendinginan, media pendingin dan hardenability.

Diagram TTT (Time, Temperature, dan Transformation) adalah sebuah gambaran dari suhu (temperatur) terhadap waktu logaritma untuk baja paduan dengan komposisi tertentu. Diagram ini biasanya digunakan untuk menentukan kapan transformasi mulai dan berakhir pada perlakuan panas yang isothermal (temperatur konstan) sebelum menjadi campuran Austenit. Ketika Austenit didinginkan secara perlahan-lahan sampai pada suhu dibawah temperatur kritis, struktur yang terbentuk ialah Perlit. Semakin meningkat laju pendinginan, suhu transformasi Perlit akan semakin menurun. Struktur mikro dari materialnya berubah dengan pasti bersamaan dengan meningkatnya laju pendinginan. Dengan memanaskan dan mendinginkan sebuah contoh rangkaian,transformasi austenit mungkin dapat dicatat. Diagram TTT menunjukkan kapan transformasi mulai dan berakhir secara spesifik dan diagram ini juga menunjukkan berapa persen austenit yang bertransformasi pada saat suhu yang dibutuhkan tercapai.

Peningkatan kekerasan dapat tercapai melalui kecepatan pendinginan dengan melakukan pendinginan dari suhu yang dinaikkan seperti pendinginan furnace, pendinginan udara, pendinginan oli, cairan garam, air biasa, dan air asin.

Pada gambar 1, area sebelah kiri dari kurva transformasi menunjukkan daeraha ustenit. Austenit stabil pada suhu diatas temperatur kritis, tapi tidak stabil pada suhu di bawah temperatur kritis. Kurva sebelah kiri menandakan dimulainya transformasi dan kurva sebelah kanan menunjukkan berakhirnya transformasi. Area diantara kedua kurva tersebut menandakan austenit bertransformasi ke jenis struktur kristal yang berbeda.(austenit ke perlit, austenit ke martensit, austenit bertransformasi ke bainit).

Gambar 1 Diagram TTT

Gambar 2. menunjukkan bagian atas dari diagram TTT. Seperti yang terlihat pada gambar 9, ketika austenit didinginkan ke suhu dibawah temperatur kritis, ia bertransformasi ke struktur kristal yang berbeda tergantung pada ketidakstabilan lingkungannya. Laju pendinginannya dapat dipilih secara spesifik sehingga austenit dapat bertransformasi hingga 50%, 100%, dan lain sebagainya. Jika kecepatan pendinginan sangat lambat seperti pada proses annealing, kurva pendinginan akan melewati sampai seluruh area transformasi dan produk akhir dari proses pendinginan ini akan menjadi100% perlit. Dengan kata lain, ketika laju pendinginan yang diterapkan sangat lambat,seluruh austenit akan bertransformasi menjadi perlit. Jika laju pendinginan melewati pertengahan dari daerah transformasi, produk akhirnya adalah 50% austenit dan 50%perlit, yang berarti bahwa pada laju pendinginan tertentu kita dapat mempertahankan sebagian dari austenit, tanpa mengubahnya menjadi perlit.

Gambar 2 Bagian atas dari diagram TTT (daerah transformasi austenit-perlit)

Gambar 3. menunjukkan jenis transformasi yang bisa didapatkan pada laju pendinginan yang lebih tinggi. Jika laju pendinginan sangat tinggi, kurva pendinginan akan tetap berada pada bagian sebelah kiri dari kurva awal transformasi. Dalam kasus ini semua austenit akan berubah menjadi martensit. Jika tidak terdapat gangguan selama pendinginan maka produk akhirnya akan berupa martensit.

Gambar 3 . Bagian bawah dari diagram TTT (austenit-martensit dan daerah transformasi bainit)

Pada gambar 4. laju pendinginan A dan B menunjukkan dua proses pendinginan secara cepat. Dalam hal ini kurva A akan menyebabkan distorsi yang lebih besar dan tegangan dalam yang lebih besar dari laju pendinginan B. Kedua laju pendinginan akan menghasilkan produk akhir martensit. Laju pendinginan B juga dikenal sebagai laju pendinginan kritis, seperti ditunjukkan oleh kurva pendinginan yang menyentuh hidung dari diagram TTT. Laju pendinginan kritis didefinisikan sebagai laju pendinginan terendah yang menghasilkan 100% martensit juga memperkecil tegangan dalam dan distorsi.

Gambar 4 Pendinginan secara cepat

Pada gambar 5, sebuah proses pendinginan secara cepat mendapat gangguan (garis horizontal menunjukkan gangguan) dengan mencelupkan material ke dalam rendaman garam yang dicairkan dan direndam pada temperatur konstan yang diikuti dengan proses pendinginan lain yang melewati daerah bainit pada diagram TTT. Produk akhirnya adalah bainit, yang tidak sekeras martensit. Sebagai hasil dari laju pendinginan D; dimensinya lebih stabil, distorsi dan tegangan dalam yang ditimbulkan lebih sedikit.

Gambar 5 Pendinginan yang mendapat gangguan

Pada gambar 6 laju pendinginan C menggambarkan proses pendinginan secara lambat, seperti pada pendinginan furnace. Sebagai contoh untuk pendinginan jenis ini adalah proses annealing dimana semua austenit akan berubah menjadi perlit sebagai hasil dari pendinginan secara lambat.

Gambar 6. Proses pendinginan secara lambat (annealing)

Terkadang kurva pendinginan bisa melewati pertengahan dari zona transformasi austenit-perlit. Pada gambar 7, kurva pendinginan E menunjukkan sebuah laju pendinginan yang tidak cukup tinggi untuk memproduksi 100% martensit. Hal ini dapat dengan mudah terlihat dengan melihat pada diagram TTT. Sejak kurva pendinginan tidak menyinggung hidung dari diagram transformasi, austenit akan bertransformasi menjadi 50% perlit (kurva E menyinggung kurva 50%). Semenjak kurva E meninggalkan diagram transformasi pada zona martensit, sisa yang 50% dari austenit akan bertransformasi menjadi martensit.

Gambar 7. Laju pendinginan yang membentuk perlit dan martensit

Gambar 8. Diagram TTT dan struktur mikro yang didapat dengan jenis laju pendinginan yang berbeda

Diagram TTT hanya menunjukkan transformasi pada temperatur yang konstan dan tidak berlaku pada proses pendinginan yang kontinu sehingga diagram ini jarang dipakai untuk proses perlakuan panas. Diagram yang dapat menjelaskan semuanya serta banyak sekali dipakai unutk proses pengerasan pada baja adalah diagram CCT. Diagram ini mempunyai bentuk yang agak berbeda dengan diagram TTT walaupun parameternya sama.

 

 

Gambar 9 Diagram TTT

Gambar 10 Diagram CTT

Pada proses pendinginan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan pendinginan lambat dan pendinginan cepat. Pendinginan lambat biasanya dilakukan dengan cara didinginkan didalam tungku dan didinginkan melalui udara bebas. Pendinginan cepat dilakukan dengan cara dicelupkan ke dalam media quench berupa brine, air, oli dan air garam.

Sumber :

Resume Diagram Phase

Diagram Fase merupkan penggambarkan keadaan sistem dalam kesetimbangan termodinamika bahan sebagai fungsi dari suhu, tekanan dan komposisi.

Diagram fase Adalah peta dari fasa kesetimbangan terkait dengan berbagai kombinasi suhu, tekanan dan komposisi.

Tujuan belajar diagram phase :

untuk memahami proses solidifikasi (→ mikrostruktur → properti)
metalurgi, geologi, …

untuk mengkarakterisasi senyawa dan fase.

untuk memahami reaksi yang terjadi saat pengelasan, solder, dan perlakuan panas permukaan.

 

Diagram phase idealnya menggambarkan hubungan antara fase komposisi dan temperature. Pada kondisi kesetimbangan yaitu suatu kondisi yang tidak terjadi perubahan yang tergantung pada waktu. Kondisi keseimbangan biasanya didekati dengan kondisi pemanasan atau pendinginan yang sangat lambat, sehingga bila ada perubahan fase yang harus terjadi akan ada waktu yang cukup untuk mencapai kondisi keseimbangan.

 

Diagram fase ada beberapa macam, yaitu:

 

  1. Diagram fase yang terdiri dari paduan satu komponen dinamakan diagram fase unary.
  2. Diagram fase yang terdiri dari paduan dua komponen dinamakan diagram fase binary.
  3. Diagram fase tang terdiri dari paduan tiga komponen dinamakan diagram fase tinery.

 

Diagram fase dapat merupakan diagram fase yang sederhana antara dua komponen atau merupakan paduan dari beberapa diagram fase yang sederhana.

 

Perubahan fase dapat terjadi dari fase cair menjadi padat atau dari padat ke bentuk padat yang lain. Ada beberapa reaksi yang dapat terjadi pada setiap transfomasi. Transformasi dengan reaksi yang sama akan mempunyai bentuk diagram fase yang sama.Pada transformasi cair ke padat ada beberapa kemungkinan yang dapat terjadi pada paduan :

 

  1. Kedua komponenya tetap larut tak terbatas pada keadaan padat.
  2. Kedua komponennya saling tidak melarutkan pada keadaan padat(tidak membentuk larutan padat) terjadi reaksi eutectic.
  3. Kedua komponen dapat saling melarutkan secara terbatas(partially solube) pada keadaan padat.
  4. Kedua komponennya mengalami reaksi peritektik.

 

Pada keadaan padat kemungkinan sudah tidak terjadi lagi perubahan fase, tetapi pada beberapa system paduan dapat terjadi transformasi padat-padat, antara lain :

1. Transformasi allotropic

2. Reaksi eutectoid

3. Reaksi peritektoid

Phase Rule

Aturan fase, pertama kali dicetuskan oleh J. Willard Gibbs pada tahun 1876, terkait kondisi fisik campuran dengan jumlah konstituen dalam sistem dan kondisinya. Gibbs pula yang pertama kali menggunakan istilah “Phase” untuk setiap wilayah homogen dalam suatu sistem. Ketika tekanan dan temperatur adalah variabel tetap, aturan tersebut dapat ditulis sebagai:

f= c-p+ 2

dimana f adalah jumlah variabel bebas (disebut derajat kebebasan), c adalah jumlah komponen, dan p adalah jumlah fase stabil dalam sistem.

Aturan fase Gibbs berlaku untuk semua materi (padat, cair, dan gas), tetapi ketika efek dari tekanan konstan, aturan tersebut tereduksi menjadi:
f= c-p+ 1

Lever Rule

 

Dipergunakan untuk mencari komposisi paduan pada suatu fase tertentu berdasarkan persentase beratnya.

 

Bila Paduan Komposisinya Co dan komposisi a, Ca, komposisi L, CL , dan fraksi massa a , adalah Wa dan fraksi massa L, adalah WL maka penurunan Lever Rule dapat dilakukan sbb:

Sumber :
http://hadisaputrameng.files.wordpress.com/2011/08/pertemuan-ke-4-keseimbangan-diagram-phase-dan-system-iron-carbon-system.pdf
http://in.materials.drexel.edu/blogs/metals/attachment/4471.ashx
http://homepage.univie.ac.at/herbert.ipser/Lehre/Phase_Diagrams_Introduction.pdf

Senin

Fisika II 10.10 – 11.50 Ruang 19

Matematika Teknik 12.20 – 14.00 Ruang Bersama

Selasa

Termodinamika I 07.30 – 10.00 Ruang 18

Rabu

Mekanika Kekuatan Bahan I 07.30 – 10.00 Ruang 28

Menggambar Mesin 10.10 – 11.50 Ruang 18

Perlakuan Panas dan Permukaan 12.20 – 14.00 Ruang 14

Kamis

Matematika Teknik 07.30 – 10.00 Ruang Bersama

Statistika dan Probabilitas 10.10 – 11.50 Ruang Bersama

Jumat

Mekanika Fluida I 07.30 – 10.00