Latar Belakang. Jenis-jenis Heat Treatment. a. Quenching ( pengerasan )

Transkripsi

1 Latar Belakang Perlakuan panas adalah proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat secara terkendali dengan tujuan untuk mengubah sifat- sifat logam agar dihasilkan kombinasi yang memuaskan antara struktur mikro dan sifat mekanik sehingga logam dapat berfungsi seperti yang diharapkan. Heat Treatment ( perlakuan panas ) adalah salah satu proses untuk mengubah struktur logam dengan jalan memanaskan specimen pada elektrik terance ( tungku ) pada temperature rekristalisasi selama periode waktu tertentu kemudian didinginkan pada media pendingin seperti udara, air, air faram, oli dan solar yang masing-masing mempunyai kerapatan pendinginan yang berbeda-beda. 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 struktur mikronya diubah. Dengan adanya pemanasan atau pendinginan degnan kecepatan tertentu maka bahan-bahan logam dan paduan memperlihatkan perubahan strukturnya. Perlakuan panas adalah proses kombinasi antara proses pemanasan aatu pendinginan dari suatu logam atau paduannya dalam keadaan padat untuk mendaratkan sifat-sifat tertentu. Untuk mendapatkan hal ini maka kecepatan pendinginan dan batas temperature sangat menetukan. Jenis-jenis Heat Treatment a. Quenching ( pengerasan ) Proses quenching atau pengerasan baja adalah suatu proses pemanasan logam sehingga mencapai batas austenit yang homogen. Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka audtenit perlu waktu pemanasan yang cukup. Selanjutnya secara cepat baja tersebut dicelupkan ke dalam media pendingin, tergantung pada kecepatan pendingin yang kita inginkan untuk mencapai kekerasan baja. Heat Treatment Furnace Page 1

2 Pada waktu pendinginan yang cepat pada fase austenit tidak sempat berubah menjadi ferit atau perlit karena tidak ada kesempatan bagi atom-atom karbon yang telah larut dalam austenit untuk mengadakan pergerakan difusi dan bentuk sementitoleh karena itu terjadi fase lalu yang mertensit, imi berupa fase yang sangat keras dan bergantung pada keadaan karbon. b. Anneling Proses anneling atau melunakkan baja adalah prose pemanasan baja di atas temperature kritis ( 723 C )selanjutnya dibiarkan bebrapa lama sampai temperature merata disusul dengan pendinginan secara perlahan-lahan sambil dijaga agar temperature bagian luar dan dalam kirakira samahingga 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. c. Normalizing Normalizing adalah suatu proses pemanasan logam hingga mencapai fase austenit yang kemudian diinginkan secara perlahan-lahan dalam media pendingin udara. Hasil pendingin ini berupa perlit dan ferit namunhasilnya jauh lebih mulus dari anneling. Prinsip dari proses normalizing adalah untuk melunakkan logam. Namun pada baja karbon tinggi atau baja paduan tertentu dengan proses ini belum tentu memperoleh baja yang lunak. Mungkin berupa pengerasan dan ini tergantung dari kadar karbon. d. Tempering Heat Treatment Furnace Page 2

3 Proses tempering adalah pemanasan baja sampai temperature sedikit di bawah temperature kritis, kemudian didiamkan dalam tungku dan suhunya dipertahankan sampai merata selama 15 menit. Selanjutnya didinginkan dalam media pendingin. Jika kekerasan turun, maka kekuatan tarik turun pula. Dalamhal ini keuletan dan ketangguhan baja akan meningkat. Meskipun proses ini akan menghasilkan baja yang lebih lemah. Proses ini berbeda dengan anneling karena dengan proses ini belum tentu memperoleh baja yang lunak, mungkin berupa pengerasan dan ini tergantung oleh kadar karbon. Jenis-jenis pengerasan permukaan 1. karburasi Cara ini sudah lama dikenaloleh orang sejak dulu. Dalam cara ini, besi dipanaskan di atas suhu dalam lingkungan yang mengandung karbon, baik dalan bentuk padat, cair ataupun gas. Beberapa bagian dari cara kaburasi yaitu kaburasi padat, kaburasi cair dan karburasi gas. 2. 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 diamfaatkan baja yang relative murah ketebalan lapisan yang tahan antara 0,80 sampai 0,75 mm. 3. cyaniding Adalah proses dimana terjadi absobsi karbon dan nitrogen untuk memperoleh specimen yang keras pada baja karbon rendah yang sulit dikeraskan. Heat Treatment Furnace Page 3

4 4. Nitriding adalah proses pengerasan permukaan yang dipanaskan sampai ± 510 c dalam lingkungan gas ammonia selama beberapa waktu. Tujuan ini misalnya : 1. Meningkatkan sifat-sifat mekanik (kekerasan, kelunakan, kekuatan, keuletan) 2. Penghalusan ukuran butir 3. Memperbaiki struktur coran 4. Meningkatkan sifat mampu mesin 5. Mengubah komposisi kimia paduan 6. Mengubah komposisi Permukaan logam 7. Peredaan tegangan (stress relieving) Proses perlakuan panas bermacam-macam, misalnya pengerasan (hardening), penemperan (tempering), pelunakan (anneling) penormalan (normalising), peredaan tegangan (speroidising), karburasi (carburising), dan nitrasi (nitrading). Proses perlakuan panas dapat dilaksanakan dengan berbagai alat pemanas seperti : dapur pemanas terputus, dapur pemanas kontinyu, rotary hearth furnace, dapur pengapian (gas) langsung, dapur listrik sirkulasi udara panas (dapur temper), dapur kotak tahanan listrik (muffle furnace), dapur tabung gas radial, salt bath furnace, fluidised bed furnace, dan dapur vakum. Perlakuan panas adalah suatu metode yang digunakan untuk mengubah sifat fisik, dan kadang-kadang sifat kimia dari suatu material. Aplikasi yang paling umum adalah untuk material logam walaupun perlakuan panas juga digunakan dalam pembuatan Heat Treatment Furnace Page 4

5 berbagai materi lain, seperti kaca. Secara umum perlakuan panas adalah memanaskan atau mendinginkan material, biasanya dalam suhu ekstrem, untuk mencapai hasil yang diinginkan seperti pengerasan atau pelunakan material. Yang termasuk Teknik Perlakuan Panas adalah Annealing, case Hardening, precipitation Strengthening, Tempering dan Quenching. Perlu dicatat bahwa walaupun perlakuan panas sengaja dilakukan untuk untuk tujuan mengubah sifat secara khusus, di mana pemanasan dan pendinginan dilakukan untuk tujuan mengubah sifat, pemanasan dan pendinginan sering terjadi secara kebetulan selama proses manufaktur lain seperti pembentukan panas (Hot forming) atau Pengelasan. Proses Pengerasan Baja Pengerasan baja adalah proses pemanasan baja hingga suhu pemanasan tertentu, kemudian ditahan tetap pada suhu itu beberapa lama dan dikuti dengan pendinginan secara cepat agar diperoleh struktur martensif yang keras. Baja yang dimaksud adalah baja karbon yang memiliki kandungan karbon 0,35-0,6 %, dan baja perkakas (tool steel). Baja dengan kandungan karbon dibawah 0,35 % tak dapat dikeraskan kecuali dilakukan penambahan karbon terlebih dahulu melalui proses karburasi. Suhu pengerasan / suhu austenitisasi / suhu rekristalisasi suatu baja, besarnya ditentukan berdasarkan pada prosentase kandungan karbon. Pedoman untuk menentukan suhu pengerasan ini dapat menggunakan beberapa cara seperti : a) Diagram besi-besi karbida ( Fe Fe3C ) untuk baja karbon, seperti pada Gambar ; suhu pengerasan berada 30-50ºC di atas suhu kritis (lihat pada bagian yang diarsir). b) Standar perlakuan panas bahan, misal AISI dsb. Heat Treatment Furnace Page 5

6 Bila mana menggunakan baja yang tidak di ketahui spesifikasinya,diupayakan untuk mengetahui kandungan unsurunsurnya terlebih dahulu. Prosedur baik yang dapat dilakukan adalah memanaskan dan mendinginkan spesimen kecil baja pada berbagai suhu dan menelitikekerasan yang dihasilkan dengan mesin uji kekerasan atau pegujian mikroskopis.adanya perubahan kekerasan yang besar dan sifat mekanik lainnya menunjukkan pilihan suhu telah benar. Cara pengujian yang cepat menggunakan spektrometer. Selanjutnya komposisi yang diperoleh disetarakan dengan pedoman diatas. Beberapa jenis baja perkakas (baja paduan) pada kotalok produk memiliki suhu pengerasan yang tidak signifikan perbedaannya jika dibandingkan dengan diagram besi-besi karbida, tetapi baja tertentu menunjukkan suhu yang benar-benar menyimpang. Para praktikum dipersilahkan membandingkan nilainilai ini. Proses pemanasan harus dilaksanakan secara terkendali hingga mencapai suhu pengerasan yang tepat.makin tinggi suhu pengerasan makin besar jumlah sisa austenit didalam baja pada suhu kamar yang berakibat menurunnya kekerasan. Selain itu stuktur martensif yang dihasilkan menjadi sangat kasar dan sifat nya sangat rapuh. Waktu penahanan (holding time), ditentukan berdasarkan pada volume benda dan kecepatan difusi karbon pada baja dalam fasa uastenit. Pemilihan waktu penahanan yang tepat memberi kesempatan stuktur ferit (bcc/body centered cubic) pada suhu kamar bertranformasi menjadi austenit (fcc/face centered cubic) yang memuai sehingga memungkinkan masuknya atom-atom karbon kedalamnya dapat berlangsungdengan leluasa dan merata. Heat Treatment Furnace Page 6

7 Gambar 1. Diagram besi-besi karbida parsial Terdapat rumus umum dan tabel yang berlaku spesifik untuk katalok produk tertentu. Sebagai pedoman umum sederhana,untuk ketebalan kekerasan 1 inchi diperlukan waktu penahanan 1 jam. Beberapa bentuk sederhana yang digunakan sebagai dasar ukuran ketebalan ditujukkan seperti Gamabar 2. Waktu penahanan yang terlalu singkat menyebabkan atom karbon tidak berdifusi secara sempurna, menghasilkan kekerasan yang rendah. Sebaliknya waktu penahana terlalu lama akan membuat butiran austenit kasar,meningkatkan jumlah sisa austenit dan menurunkan harga kekerasannya. Gambar 2. Dimensi yang dirujuk sebagai ketebalan Pendingan (quenching) dilakukan secara cepat dengan menggunakan media pendingin seperti air garam (brine), air, minyak dan udara kering diam atau yang dihembuskan. Pemilihan media pendingin ditentukan dari hubungan suhu pendingin, lama pendinginan, dan tranformasi yang dihasilkan. Informasi mengenai Heat Treatment Furnace Page 7

8 hubungan ini dapat diketahui dari diagram TTT (Temperature Time Tranformation) / kurva S / Diagram Tranformasi Isotermal seperti Gambar 3. Untuk masing-masing jenis baja bentuk diagram ini berbeda tergantung banyaknya kandungan karbon, Unsur-unsur pemadu,dan ukuran butiran austenit. Sebagai pedoman pengesahan, agar hasil yang diinginkan berstuktur martensit maka kurva pendinginan harus lolos didepan hidung diagram TTT. Lebar celah di depan hidung dikendalikan oleh adanya unsur-unsur pemadu seperti : Cr, W, Mo, V, Si, Ni, Mn, Cu, Al. Unsur-unsur pemadu ini dapat menggeser kurva ke kanan sehingga memungkinkan memilih media pendingin yang memiliki media pendinginan yang lebih lambat tanpa memotong kurva. Hal ini dapat meningkatkan kemampuan mengeraskan pada bagian penampang yang lebih tebal. Pada baja karbon menurunnya kandungan karbon menggerakkan kurva ke kiri dan menaikkan awal pembentukan martensit Ms (Ms = Martensite start) dan akir pembentukan martensite M f (M f =Martensite finis). Gambar 3. Diagram TTT / Isotermal / kurva S Heat Treatment Furnace Page 8

9 Oleh sebab itu sangatlah sulit memperoleh struktur martensit dari baja hipoeutektoid. Baja eutektoid mudah dikeraskan. Baja austenit berbutir halus menggeser kurva kekiri, sehingga lebih sulit megeraskannya dibanding yang berbutir kasar. Walaupun baja berbutir kasar lebih mudah mengalami distorsi atau retak ketika didinginkan, sifat mudah dikeraskan ini merupakan sifat yang sedikit menguntungkan. Pendinginan yang cepat menyebabkan atom-atom karbon terjebak didalam struktur austenit, menhasilkan struktur baru martensite (btc/body centered tetragonal) yng keras pada suhu kamar. Kekerasan martensit terutama ditentukan oleh banyaknya karbon yang larut atau diserap oleh austenit. Hubungan kekerasan yang dicapai (HRC) dan %C ditunjukkan seperti Gambar 4. Gambar 4 Pengaruh kandungan karbon terhadap kekerasan Meskipun unsur-unsur pemadu seperti khrom dan vanadium dapat meningkatkan kedalaman pengerasan, namun kekerasan maksimum tak akan melebihi kekerasan baja karbon dengan %C yang sama. Heat Treatment Furnace Page 9

10 Apabila kurva pendinginan memotong hidung diagram TTT, maka akan dihasilkan struktur perlite dan bainit yang lunak. Dari Gambar 5 kurva pendinginan untuk pengerasan menyeluruh (center) harus lebih lama dibandingkan untuk pengerasan permukan (surface). Awal pembentukan martensit Ms dan akir pembentukan martensit Mf secara empiris ditunjukkan dengan hubungan : Ms = (%C) 33 (%Mn) 22 (%Cr) 17 (%Ni) 11 (%Si) 11 (%Mo), dan M f = ºC di bawah Ms. Atau dalam tabel berikut : %C 0,2 0,4 0,6 0, ,2 1,4 1, Ms (ºC) M f (ºC) Penemperan Tujuan penenemperan produk pengerasan adalah untuk menghilangkan tegangan dalam, sifat rapuh (brittle), dan menggantikannya dengan sifat liat walaupun ada sedikit penurunan kekerasan. Temper dilakukan pada cakupan suhu ºC tergantung pada sifat-sifat yang diinginkan dan didinginkan pada suhu kamar. Makin tinggi suhu temper makin turun nilai kekerasanya, sedang keliatannya meningkat. Produk yang akan dikeraskan umumnya telah melalui beberapa pekerjaan permesinan seperti bubut,frais,bor,dsb. Untuk menghilangkan tegangan dalam yang timbul akibat permesinan ini produk perlu dilakukan peredaan tegangan terlebih dahulu (lihat Gambar). Heat Treatment Furnace Page 10

11 Pada proses pengerasan timbul tegangan termal dan tegangan tranformasi. Tegangan termal terjadi jika kecepatan pemanasan pada proses pengerasan terlalu tinggi. Hal ini dapat diatasi dengan pemanasan awal (Preheating) secara berlahan lahan atau bertingkat.tegangan tranformasi timbul ketika terjadi tranformasi straktur pada saat pemanasan dan pendinginan. Untuk menghilangkan tegangan dalam ini dilakukan penemperan dengan suhu yang sesuai (lihat Gambar 1) 1.2. Kegagalan pada proses pengerasan Kegagalan yang sering terjadi pada proses pengerasan meliputi : a. Kekerasan rendah, disebabkan oleh : 1. Suhu pengerasan terlalu rendah 2. Suhu pengerasan terlalu tinggi 3. Waktu penahanan terlalu singkat 4. Waktu penahanan terlalu lama 5. Pendingianan terlalu lambat 6. Salah dalam memilih baja b. Distorsi / berubah bentuk, disebabkan oleh 1. Tegangan permasinan 2. Tegangan termal 3. Tegangan transformasi c. Retak / pecah, disebabkan oleh 1. Pendinginan terlalu cepat 2. Dekarburasi 3. Desain kurang baik 4. Oli yang tercampur 5. Rusak pada saat pendinginan 6. Salah dalam memilih baja Heat Treatment Furnace Page 11

12 Jenis-Jenis Furnace 1. Muffle Furnace (Dapur Kotak) Muffle Furnace ME-11 merupakan tungku pemanas type RM indirect heating dengan satu heating chamber yang dilengkapi oleh dua buah treatment muffle untuk proses kalsinasi dan reduksi. Untuk proses reduksi saat ini telah dimodifikasi karena adanya kelemahan bagian bagian tertentu dari sistem tungku yang harus ditambahkan untuk meningkatkan faktor keamanan pengoperasian tungku. Diantaranya lemahnya sistem pengaman gas buang, yang meliputi pembakaran gas H2 yang keluar dari tungku, pemantau laju aliran gas buang dan saluran gas buang itu sendiri yang selalu terbuka. Selain itu konstruksi bagian dalam tungku yang berongga memungkinkan adanya udara terjebak harus menjadi perhatian khusus mengingat operasi reduksi menggunakan gas hidrogen. Tungku ini dilengkapi dengan : sistim pendingin, sistim sirkulasi gas (H 2 dan N 2 ), sistim pembakaran gas hidrogen otamatis (pilot burner), pemanas hingga 1200 o C, sistim kendali suhu dan sistim pengaman interlock. 2. Salt Bath Furnace Salt Bath Furnace direkayasa untuk perlakuan panas dari segala jenis logam dengan tujuan pengerasan & quenching, anil, karburasi, pemanasan awal, dll tungku ini dipanaskan dengan listrik, minyak atau Heat Treatment Furnace Page 12

13 gas. Salt bath Furnace dapat diberikan sebagai satu unit atau garis pengolahan komprehensif yang dapat sepenuhnya tertutup dengan semua ekstraksi asap dan fasilitas yang diperlukan penanganan mekanis Cara Kerja Salt Bath Furnace Bath Salt sistem digunakan untuk layanan dalam berbagai pengolahan termal besi dan non-ferrous baik didinginkan udara atau air didinginkan elektroda dan desain transformator. Penempatan elektroda yang terendam memberikan suhu mandi yang lebih seragam dan gerakan garam oleh arus konveksi alami. Jenis molybdenum memerlukan proses laku panas dengan tungku kolam garam (salt bath furnace) untuk menghindari terjadinya proses dekarburisasi. Tungku tersebut terdiri atas tiga bagian yaitu : 1. Preheat salt berisi KCl dan NaCl pada temperatur C 2. High heat salt berisi BaCl 2 pada temperatur C 3. Quenching salt berisi CaCl 2, KCl, NaCl pada temperature C Dalam high heat salt bath furnace BaCl 2, teroksidasi menjadi BaO yang dihilangkan secara periodik (untuk mencegah terjadinya dekarburisasi pada HSS) dengan menambahkan silika (menjadi Ba silicate yang terapung) atau menambahkan methychoride (menjadi BaCl 2, melepaskan gas H 2 dan CO) Aplikasi Berikut adalah aplikasi dari Salt Bath Furnace: Pemanasan awal Austenitizing Martempering Netral Pengerasan Heat Treatment Furnace Page 13

14 Alat Kecepatan Tinggi Pengerasan Tempering nitriding Carburizing Solusi Mengobati Panas Pemateri Dip Nitriding Pencairan Percampuran Permukaan Pengobatan & paduan berbagai logam Heating Method :- Electric, Oil fired & Gas fired. Max. Temperature:- Pot type furnace : ºC. Electrode furnace : ºC. Control:- Digital I PID. Temperature controller. Available :-As per customer requirements in Round Chamber With Separate Control panel. Ideal for:- Salt- Bath Hardening, Salt-Bath Tempering,Annealing, Liquid Carburing & Pre- Heating. 3. Tempering Furnace Heating Method :- Electric. Max. Temperature :- 750 ºC Control :- Digital / PID Temperature Control with / without Soak Timer. Available :- As Per customer Requirements In Round & Box Type Chamber, Front / Top side Loading with Air Circulating Unit,Hinged / Lift & Swived / Vertical Lifting type Door & Separate Control Panel. Ideal For:- All Kind of Tempering Jobs. Heat Treatment Furnace Page 14

15 Gambar Temper Furnace yang dipakai pada industry Gambar skema temper Furnace Tungku menempa direkayasa memberikan produktivitas tinggi dan terus beroperasi pada suhu tempa yang biasanya tinggi. Dinding dan perapian dibangun sedemikian rupa sehingga tahan terhadap abrasi dan shock. Operasi ini dibuat aman untuk operator dengan menyediakan perisai berjajar disesuaikan refraktori. Perisai juga mencakup bahwa posisi slot tidak digunakan. Untuk melindungi operator lebih lanjut tirai udara disediakan antara perisai dan tungku untuk membawa kelebihan panas pergi. Pembakar operasi juga aman. Fitur Berikut adalah fitur dari tungku menempa: Shell tungku yang dibuat dari tugas berat pelat baja dengan basis besi struktural miring. Lapisan tungku berkualitas tinggi. Heat Treatment Furnace Page 15

16 Isolasi ini dilengkapi dengan rendah zat besi bata api isolasi yang didukung dengan batu bata api berkualitas tinggi. Produktivitas yang tinggi sebagai kehilangan panas dicegah oleh sistem insulasi. Aplikasi o Pemanasan awal o Mematri o Carburizing o Carbonitriding o Anil dll 4. Pit Furnace Pit furnace adalah mereka yang diterapkan untuk pemanasan berbagai logam atau paduan logam. Mereka tersedia dalam berbagai ukuran dan menggunakan gas atau bahan bakar dipecat dipecat. Mereka dapat beroperasi pada berbagai suhu dan dirancang sedemikian rupa sehingga kehilangan panas adalah minimum. Operasi yang aman, merupakan aspek penting dari tungku ini karena kipas dan elemen pemanas yang terpisah dari ruang beban. Karena ini kerusakan dari kontak tidak disengaja dihilangkan. Lapisan logam yang digunakan dalam ruang seluruh pekerjaan yang memberikan daya tahan maksimum tungku. Berikut adalah fitur dari Pit Furnace : Mereka bisa menahan operasi terus-menerus. Heat Treatment Furnace Page 16

17 Beberapa lubang tungku memiliki plug dalam jenis pintu / retort penutup. Suhu didistribusikan merata. Untuk elemen kehidupan elemen pemanas lagi beroperasi pada beban permukaan rendah. Tungku ini juga terisolasi dengan menggunakan batu bata berkualitas tinggi / serat keramik untuk konservasi energi. Tungku lubang terbaru ini menggunakan kontrol suhu otomatis oleh controller digital dengan aman back-up non-menunjukkan kontroler. Operasi tungku aman karena penggunaan Interlocks keselamatan dan perangkat perlindungan. Menggunakan motor fan dengan poros dan bilah dari bahan tahan panas didinginkan dengan air bantalan sirkulasi udara yang dilakukan. Pit tungku jenis memiliki hermetis penyegelan yang sangat baik. Keuntungan Tungku pit sangat produktif. Suhu didistribusikan merata. Operasi sangat sederhana. Pemeliharaan mudah dan biaya efektif Ada berbagai jenis tungku lubang yang digunakan: Elemen Pit Furnace Listrik Pit Furnace Gas-Dipecat Pit Furnace Retort listrik Pit Furnace Gas-Dipecat Retort Pit Furnace Heat Treatment Furnace Page 17

18 Tungku nitriding Pit Tempering Pit Furnace Aplikasi Gas carburizing Carbo nitriding Nitriding Anil DAFTAR PUSTAKA _furnace.htm Heat Treatment Furnace Page 18

19 Heat Treatment Furnace Page 19