Heat Treatment

 

Heat Treatment pada Logam Besi

Pertimbangan penting pertama dalam heat treatment pada baja  adalah untuk mengetahui komposisi kimianya. Ini, dilakukan untuk, menentukan titik kritis atasnya. Ketika titik kritis atas diketahui, pertimbangan selanjutnya adalah laju pemanasan dan pendinginan yang akan digunakan. Melaksanakan operasi ini melibatkan penggunaan tungku pemanas yang seragam, kontrol suhu yang tepat, dan media pendinginan yang sesuai.

• Perilaku Baja Selama Pemanasan dan Pendinginan

Mengubah struktur internal logam besi dilakukan dengan memanaskan pada suhu di atas titik kritis atasnya, menahannya pada suhu tersebut untuk waktu yang cukup untuk memungkinkan perubahan internal tertentu untuk terjadi, dan kemudian pendinginan hingga suhu atmosfer di bawah kondisi yang telah ditentukan dan dikendalikan.

Pada suhu biasa, karbon dalam baja ada dalam bentuk partikel-partikel besi karbida yang tersebar di seluruh matriks besi yang dikenal sebagai “ferit.” Jumlah, ukuran, dan distribusi partikel-partikel ini menentukan kekerasan baja. Pada suhu tinggi, karbon dilarutkan dalam matriks besi dalam bentuk larutan padat yang disebut “austenite,” dan partikel karbida muncul hanya setelah baja didinginkan. Jika pendinginan lambat, partikel karbida relatif kasar dan sedikit. Dalam kondisi ini, baja lunak. Jika pendinginan cepat, seperti dengan pendinginan dalam minyak atau air, karbon mengendap sebagai awan partikel karbida yang sangat halus, dan baja keras. Fakta bahwa partikel karbida dapat dilarutkan dalam austenit adalah dasar dari perlakuan panas baja. Suhu di mana transformasi ini terjadi disebut titik kritis dan bervariasi dengan komposisi baja. Persentase karbon dalam baja memiliki pengaruh terbesar pada titik kritis perlakuan panas.

• Hardening (Pengerasan)

 Besi murni, besi tempa, dan baja karbon sangat rendah tidak dapat diperkeras dengan perlakuan panas, karena tidak mengandung unsur pengerasan. Besi cor dapat dikeraskan, tetapi perlakuan panasnya terbatas. Ketika besi cor didinginkan dengan cepat, itu membentuk besi putih, yang keras dan rapuh. Ketika didinginkan perlahan, itu membentuk besi abu-abu, yang lunak tapi rapuh saat  benturan.

Pada baja karbon biasa, kekerasan maksimum hampir seluruhnya bergantung pada kandungan karbon baja. Dengan meningkatnya kandungan karbon, kemampuan baja untuk dikeraskan meningkat. Namun, peningkatan kemampuan mengeras dengan peningkatan kandungan karbon ini terus berlanjut hingga titik tertentu. Dalam praktiknya, titik itu adalah kandungan karbon 0,85 persen. Ketika kandungan karbon meningkat melebihi 0,85 persen, tidak ada peningkatan ketahanan pada kehausan.

Untuk sebagian besar baja, perlakuan pengerasan terdiri dari memanaskan baja ke suhu tepat di atas titik kritis atas, merendam atau menahan selama waktu yang diperlukan, dan kemudian mendinginkannya dengan cepat dengan memasukkan baja panas ke dalam minyak, air, atau air garam. Meskipun sebagian besar baja harus didinginkan dengan cepat untuk pengerasan, beberapa mungkin didinginkan di udara diam. Pengerasan meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja tetapi membuatnya kurang ulet.

Saat mengeraskan baja karbon, itu harus didinginkan hingga di bawah 1.000 ° F dalam waktu kurang dari 1 detik. sebaiknya waktu yang diperlukan untuk suhu turun ke 1.000 ° F melebihi 1 detik, austenit mulai berubah menjadi perlit halus. Perlit ini bervariasi dalam kekerasan, tetapi jauh lebih sulit daripada perlit yang dibentuk oleh pendinginan dan jauh  lebih lembut daripada martensit yang diinginkan. Setelah suhu 1.000 ° F tercapai, pendinginan cepat harus dilanjutkan jika struktur akhir adalah martensit.

 Ketika paduan ditambahkan ke baja, batas waktu untuk suhu turun menjadi 1.000 ° F meningkat di atas batas 1 detik untuk baja karbon. Oleh karena itu, media pendinginan yang lebih lambat akan menghasilkan kekerasan pada baja paduan.

Karena tekanan internal yang tinggi dalam kondisi “as quenched”, baja harus diangkat  tepat sebelum menjadi dingin. Bagian harus dihilangkan dari bak pendingin pada suhu sekitar 200 ° F, karena kisaran suhu dari 200 ° F hingga suhu kamar adalah kisaran retak.

• Tindakan Pencegahan

 Pengerasan Berbagai bentuk dan ukuran penjepit yang berbeda untuk menangani baja panas diperlukan. Harus diingat bahwa pendinginan area yang dihubungi oleh penjepit terbelakang dan area seperti itu mungkin tidak mengeras, terutama jika baja yang dipelakukan  adalah pengerasan yang sangat dangkal. Bagian-bagian kecil dapat disambungkan bersama atau didinginkan dalam keranjang yang terbuat dari anyaman kawat.

Jig pendinginan khusus dan perlengkapan sering digunakan untuk menahan baja selama pendinginan dengan cara untuk menahan distorsi

Bila diinginkan pengerasan selektif, bagian dari baja dapat dilindungi dengan menutupinya dengan semen alundum atau bahan isolasi lainnya. Pengerasan selektif juga dapat dilakukan dengan menggunakan air atau minyak jet  yang dirancang untuk mengarahkan media pendinginan pada area yang akan dikeraskan. Ini juga dicapai dengan prosedur pengerasan induksi dan api yang dijelaskan sebelumnya, terutama pada pekerjaan produksi besar.

Baja pengerasan dangkal, seperti karbon biasa dan variasi  baja paduan tertentu, memiliki tingkat pendinginan kritis yang sangat tinggi sehingga harus didinginkan dalam air garam atau air untuk menghasilkan pengerasan. Secara umum, bagian-bagian yang berbentuk rumit tidak boleh dibuat dari baja pengerasan dangkal karena kecenderungan baja ini melengkung dan retak selama pengerasan. Barang-barang semacam itu harus terbuat dari baja pengerasan yang lebih dalam yang mampu diperkeras dengan pendinginan dalam minyak atau udara.

• Perubahan (Tempering)

Tempering mengurangi kerapuhan yang diberikan oleh pengerasan dan menghasilkan sifat fisik yang pasti dalam baja. Tempering selalu mengikuti, tidak pernah mendahului, operasi pengerasan. Selain mengurangi kerapuhan, penempaan melunakkan baja.

Tempering selalu dilakukan pada suhu di bawah titik kritis baja yang rendah. Dalam hal ini, tempering  berbeda dari annealing, normalisasi, atau pengerasan, yang semuanya membutuhkan suhu di atas titik kritis atas. Ketika baja yang dikeraskan dipanaskan kembali, penempaan dimulai pada 212 ° F dan berlanjut saat suhu meningkat ke titik kritis rendah. Dengan memilih suhu temper yang pasti, kekerasan dan kekuatan yang dihasilkan dapat ditentukan sebelumnya. Perkiraan suhu untuk berbagai kekuatan tarik. Waktu minimum pada suhu temper adalah 1 jam. Jika ketebalan bagian lebih dari 1 inci, tambah waktu 1 jam untuk setiap inci tambahan ketebalan. Baja temper yang digunakan dalam pekerjaan pesawat memiliki kekuatan tarik ultimat dari 125.000 hingga 200.000 psi.

Secara umum, laju pendinginan dari suhu temper tidak berpengaruh pada struktur yang dihasilkan; oleh karena itu, baja biasanya didinginkan di udara diam setelah dikeluarkan dari tungku

• Annealing

  Annealing dari baja menghasilkan logam ulet berbutir halus, lunak, tanpa tekanan internal atau tekanan. Dalam keadaan annealing, baja memiliki kekuatan terendah. Secara umum, annealing adalah kebalikan dari pengerasan. Annealing dari baja dilakukan dengan memanaskan logam hingga tepat di atas titik kritis atas, berendam pada suhu itu, dan pendinginan sangat lambat di dalam tungku. Waktu perendaman adalah sekitar 1 jam per inci ketebalan material. Untuk menghasilkan kelembutan maksimum dalam baja, logam harus didinginkan dengan sangat lambat. Pendinginan lambat diperoleh dengan mematikan panas dan membiarkan tungku dan logam menjadi dingin bersama hingga 900 ° F atau lebih rendah, kemudian mengeluarkan logam dari tungku dan mendinginkannya di udara diam. Metode lain adalah dengan mengubur baja yang dipanaskan dalam abu, pasir, atau zat lain yang tidak menghantarkan panas dengan mudah.

• Normalizing (Normalisasi)

Normalisasi baja menghilangkan tekanan internal yang diatur oleh perlakuan panas, pengelasan, pengecoran, pembentukan, atau pemesinan. Stres, jika tidak dikendalikan, akan menyebabkan kegagalan.

Karena sifat fisik yang lebih baik, baja pesawat terbang sering digunakan dalam keadaan normal, tetapi jarang, jika pernah, dalam keadaan annealing.

 Salah satu kegunaan normalisasi yang paling penting dalam pekerjaan pesawat adalah di bagian yang dilas. Pengelasan menyebabkan regangan diatur pada material yang berdekatan. Selain itu, lasan itu sendiri adalah struktur cor yang berlawanan dengan struktur tempa dari sisa material. Kedua jenis struktur ini memiliki ukuran butiran yang berbeda, dan untuk menghaluskan butiran serta menghilangkan tekanan internal, semua bagian yang dilas harus dinormalisasi setelah fabrikasi.

Normalisasi dilakukan dengan memanaskan baja di atas titik kritis atas dan pendinginan di udara diam. Pendinginan yang lebih cepat diperoleh dengan pendinginan udara, dibandingkan dengan pendinginan tungku, menghasilkan bahan yang lebih keras dan lebih kuat daripada yang diperoleh dengan annealing. Temperatur normalisasi yang disarankan untuk berbagai jenis baja pesawat.

• Case Hardening (Pengerasan case)

  Casehardening menghasilkan permukaan atau kasing yang keras dan tahan terhadap inti yang kuat dan tangguh. Casehardening sangat ideal untuk bagian yang membutuhkan permukaan yang tahan kehausan dan, pada saat yang sama, harus cukup kuat secara internal untuk menahan beban yang diterapkan. Baja yang paling cocok untuk casehardening adalah baja karbon rendah dan paduan rendah. Jika baja karbon tinggi casehardened, kekerasan menembus inti dan menyebabkan kerapuhan. Dalam kasus pengerasan, permukaan logam diubah secara kimia dengan memasukkan kandungan karbida atau nitrida yang tinggi. Inti tidak terpengaruh secara kimia.

 Ketika dipanaskan, permukaan merespons pengerasan sementara inti menguat. Bentuk umum dari casehardening adalah carburizing, cyaniding, dan nitriding. Karena sianida tidak digunakan dalam pekerjaan pesawat, hanya karburasi dan nitridasi yang dibahas dalam bagian ini.

• Carburizing (Karburisasi)

Karburisasi adalah proses pengerasan case di mana karbon ditambahkan ke permukaan baja karbon rendah. Jadi, baja karburasi memiliki permukaan karbon tinggi dan interior karbon rendah. Ketika baja karburasi diolah dengan panas, kasingnya dikeraskan sementara intinya tetap lunak dan kuat.

 Metode umum karburisasi disebut “pak karburasi.” Ketika karburisasi dilakukan dengan metode ini, bagian baja dikemas dalam wadah dengan arang atau bahan lain yang kaya karbon. Wadah tersebut kemudian ditutup dengan tanah liat api, ditempatkan di dalam tungku, dipanaskan hingga sekitar 1.700 ° F, dan direndam suhu itu selama beberapa jam. Ketika suhu meningkat, gas karbon monoksida terbentuk di dalam wadah dan, karena tidak dapat lepas, bergabung dengan besi gamma di permukaan baja. Kedalaman penetrasi karbon tergantung pada lamanya periode perendaman. Misalnya, ketika baja karbon direndam selama 8 jam, karbon menembus hingga kedalaman sekitar 0,062 inci.

Dalam metode karburisasi lain, yang disebut “carburizing gas,” bahan yang kaya akan karbon dimasukkan ke dalam atmosfer tungku. Atmosfer karburisasi dihasilkan oleh penggunaan berbagai gas atau oleh pembakaran minyak, kayu, atau bahan lainnya. Ketika bagian baja dipanaskan di atmosfer ini, karbon monoksida bergabung dengan gamma iron untuk menghasilkan hasil yang sama seperti yang dijelaskan dalam proses karburisasi paket

Metode karburisasi ketiga adalah metode “karburisasi cair.” Dalam metode ini, baja ditempatkan dalam rendaman garam cair yang mengandung bahan kimia yang diperlukan untuk menghasilkan kasing yang sebanding dengan yang dihasilkan dari karburator paket atau gas.

Baja paduan dengan kadar karbon rendah serta baja karbon rendah dapat dikarburasi oleh salah satu dari ketiga proses tersebut. Namun, beberapa paduan, seperti nikel, cenderung menghambat penyerapan karbon. Akibatnya, waktu yang diperlukan untuk menghasilkan ketebalan selubung bervariasi dengan komposisi logam.

• Nitriding (Nitridasi)

Nitridasi tidak seperti proses pengerasan case lainnya dalam hal itu, sebelum nitridasi, bagian tersebut diberi perlakuan panas untuk menghasilkan sifat fisik yang pasti. Dengan demikian, bagian mengeras dan marah sebelum menjadi nitrid. Sebagian besar baja dapat dinitridisasi, tetapi diperlukan paduan khusus untuk hasil terbaik. Paduan khusus ini mengandung aluminium sebagai salah satu elemen paduan dan disebut “nitralloys.”

Dalam nitridasi, bagian tersebut ditempatkan dalam tungku nitridasi khusus dan dipanaskan hingga suhu sekitar 1.000 ° F. Dengan bagian pada suhu ini, gas amonia diedarkan dalam ruang tungku yang dibangun khusus. Suhu tinggi memecahkan gas amonia menjadi nitrogen dan hidrogen. Amonia yang tidak pecah terperangkap dalam perangkap air di bawah daerah dua gas lainnya. Nitrogen bereaksi dengan besi untuk membentuk nitrida. Besi nitrida didispersikan dalam partikel-partikel kecil di permukaan dan bekerja ke dalam. Kedalaman penetrasi tergantung pada lama perawatan. Dalam nitridasi, periode perendaman selama 72 jam sering diperlukan untuk menghasilkan ketebalan selubung yang diinginkan.

 Nitridasi dapat dilakukan dengan distorsi minimum, karena suhu rendah di mana bagian-bagiannya dikeraskan dan karena tidak diperlukan pendinginan setelah terpapar dengan gas amonia..