Perlakuan Panas Logam: 4 Metode Umum

1. Perkenalan

Perlakuan panas terhadap logam merupakan inti dari metalurgi modern, memungkinkan para insinyur untuk menyesuaikan sifat logam secara tepat dengan permintaan aplikasi.

Dari pandai besi jaman dahulu yang mencelupkan besi panas membara ke dalam air, ke tungku vakum yang dikendalikan komputer saat ini, disiplin ini telah matang menjadi ilmu yang ketat.

Lebih-lebih lagi, sebagai ruang angkasa, industri otomotif dan energi mendorong material hingga batas kemampuannya, menguasai siklus termal tidak pernah menjadi hal yang lebih penting.

Dalam artikel ini, kami fokus pada empat proses perlakuan panas yang paling banyak diterapkan—anil, menormalkan, pendinginan, dan tempering—menunjukkan bagaimana setiap metode mengubah struktur mikro, meningkatkan kinerja, dan memperpanjang umur komponen.

2. Dasar-dasar Perlakuan Panas Logam

Pada intinya, perlakuan panas pada logam memanfaatkan transformasi fasa dan kinetika difusi yang terjadi ketika paduan dipanaskan di atas atau didinginkan di bawah suhu kritis.

Dalam baja, Misalnya, Austenite (γ-besi) formulir di atas 723 ° C., sementara ferit (a-besi) dan sementit (Fe₃c) mendominasi di bawah ambang batas tersebut.

Insinyur berkonsultasi Transformasi Waktu-Suhu (T-T-T) diagram untuk memprediksi produk isotermal seperti perlit atau bainit,

Dan Transformasi Pendinginan Berkelanjutan (C-C-T) kurva untuk merancang laju pendinginan yang menghasilkan martensit.

Ada empat mekanisme yang menentukan hasilnya:

1. Difusi: Pada suhu tinggi (500–1200 ° C.), atom bermigrasi untuk membentuk atau melarutkan fase.
2. Nukleasi: Partikel fase baru muncul pada batas butir, inklusi atau dislokasi.
3. Pertumbuhan: Setelah berinti, partikel-partikel ini mengkonsumsi fase induk.
4. Rekristalisasi: Di bawah tekanan, bentuk butiran bebas regangan baru, menyempurnakan struktur mikro.

Lebih-lebih lagi, keberhasilan bergantung pada pengendalian ketat empat variabel: suhu, tahan waktu, suasana (udara, lembam, kosong, mengurangi) Dan laju pendinginan.

Bahkan penyimpangan ±10 °C atau perbedaan waktu perendaman beberapa menit dapat mengubah struktur mikro akhir dari perlit keras menjadi martensit rapuh..

3. Anil

Anil mengubah logam yang mengeras atau dikerjakan dingin menjadi lunak, Dukes, dan material yang stabil secara dimensi.

Dengan memanaskan dan mendinginkan secara hati-hati, ahli metalurgi menghilangkan tekanan internal, menghomogenisasi struktur mikro, dan menyiapkan komponen untuk pembentukan atau pemesinan hilir.

Proses anil

1. Pemanas: Untuk baja karbon rendah (≤ 0.25 % C), panaskan secara merata 700–750 ° C.. Sebaliknya, paduan aluminium menerima anil rekristalisasi di 400–600 °C, tergantung pada sistem paduannya.
2. Perendaman: Pertahankan suhu selama 1–2 jam dalam tungku dengan atmosfer terkendali (inert atau berkurang) untuk mencegah oksidasi atau dekarburisasi.
3. Pendinginan: Dinginkan dengan kecepatan sekitar 30–50 °C/jam di dalam tungku.
   Pendinginan yang lambat mendorong pengerasan karbida pada baja dan mencegah gradien termal yang dapat menimbulkan kembali tekanan.

Lebih-lebih lagi, saat spheroidisasi baja karbon tinggi (0.60–1.00 % C), teknisi bertahan di 700–750 ° C. selama 10–20 jam, lalu dinginkan dengan kecepatan kurang dari 10 °C/jam.

Siklus yang diperpanjang ini mengubah perlit pipih menjadi bintil karbida bulat, mengurangi kekerasan menjadi 200–250 HV.

Manfaat Annealing

• Daktilitas yang Ditingkatkan: Baja karbon rendah yang dianil biasanya mencapai perpanjangan di atas 30 %,
  dibandingkan dengan 15-20 % dalam bahan as-roll, memungkinkan stamping yang rumit dan gambar yang dalam tanpa patah.
• Menghilangkan Stres Sisa: Tekanan internal turun hingga 80 %, yang secara dramatis mengurangi distorsi selama pemesinan atau pengelasan berikutnya.
• Keseragaman Mikrostruktur: Ukuran butir disempurnakan atau distabilkan pada tingkat ASTM 5–7 (≈ 10–25 mikron), menghasilkan sifat mekanik yang konsisten dan toleransi dimensi yang ketat (± 0.05 mm).
• Peningkatan Kemampuan Mesin: Menurunkan kekerasan dari ~260 HV menjadi ~200 HV akan memperpanjang umur alat pemotong sebesar 20–30 % dan mengurangi cacat permukaan akhir.

Lebih-lebih lagi, baja berbentuk bulat menunjukkan sifat mampu bentuk yang tinggi—karbida bulat bertindak sebagai reservoir pelumas selama pembentukan, sekaligus menyederhanakan pembentukan chip dalam operasi pembubutan CNC.

Aplikasi anil

• Otomotif Industri: Blanko panel bodi tiba dalam keadaan anil untuk memungkinkan operasi deep-draw yang membentuk bentuk tiga dimensi kompleks tanpa retak.
• Aerospace Komponen: Paduan berbasis nikel dan titanium menjalani anil rekristalisasi untuk mengembalikan keuletan setelah pengerjaan dingin, memastikan kinerja yang andal di bagian yang sensitif terhadap kelelahan.
• Stok Batang Kelas Pemesinan: Batang baja dan aluminium menerima anil penuh untuk mengoptimalkan penyelesaian permukaan dan meminimalkan keausan pahat dalam penggilingan dan pengeboran berkecepatan tinggi.
• Konduktor Listrik: Tembaga dan kabel kuningan menjalani anil untuk memaksimalkan konduktivitas listrik dan mencegah pengerasan kerja selama penggulungan atau pemasangan.

4. Menormalkan

Normalisasi memurnikan struktur butir dan menghomogenisasi struktur mikro lebih agresif dibandingkan anil, menghasilkan kombinasi kekuatan yang seimbang, kekerasan, dan stabilitas dimensi.

Proses Normalisasi

1. Pemanas: Panaskan baja karbon sedang (0.25–0,60% berat C) ke 30–50 °C di atas suhu kritis atas—biasanya 880–950 °C—untuk memastikan austenitisasi penuh.
2. Perendaman: Tahan untuk 15–30 menit dalam tungku yang dikontrol atmosfer (seringkali gas endotermik atau vakum) untuk melarutkan karbida dan menyamakan segregasi kimia.
3. Pendinginan: Biarkan bagian tersebut menjadi dingin dengan suhu sekitar 20-50 °C/menit (masih udara atau kipas angin). Tarif yang lebih cepat ini menghasilkan denda, campuran seragam ferit dan perlit tanpa membentuk martensit.

Manfaat Normalisasi

• Penyempurnaan Gandum: Baja yang dinormalisasi biasanya mencapai ukuran butir ASTM 6–7 (≈ 10–20 mikron), dibandingkan dengan 8–9 (≈ 20–40 mikron) dalam baja anil. Akibatnya, Ketangguhan Charpy V-notch meningkat 5–10J pada suhu kamar.
• Keseimbangan Kekuatan-Ketangguhan: Kekuatan hasil meningkat sebesar 10–20% lebih dari padanan anil—seringkali mencapai 400–500MPa—sambil menjaga tingkat keuletan di sekitarnya 10–15%.
• Akurasi dimensi: Kontrol ketat terhadap pendinginan mengurangi lengkungan dan tegangan sisa, memungkinkan toleransi serendah ± 0.1 mm pada fitur mesin.
• Peningkatan Kemampuan Mesin: Struktur mikro yang seragam meminimalkan titik-titik keras, memperpanjang masa pakai alat dengan 15–25% dalam operasi pengeboran dan penggilingan.

Penerapan Normalisasi

• Komponen struktural: Flensa balok-I dan billet tempa dinormalisasi untuk memastikan sifat mekanik yang konsisten di seluruh penampang besar, penting untuk konstruksi jembatan dan bangunan.
• casting: Besi abu-abu dan tuang besi ulet menerima normalisasi untuk mengurangi segregasi kimia, meningkatkan machinability dan umur lelah pada rumah pompa dan badan katup.
• Tabung dan Pipa Mulus: Pabrikan menormalkan nilai pipa saluran (API 5L X52–X70) untuk menghilangkan banding, meningkatkan ketahanan keruntuhan dan integritas las.

5. Pendinginan

Memadamkan kunci dengan keras, struktur mikro martensitik dengan mendinginkan baja austenitisasi dengan cepat.

Proses ini memberikan kekuatan dan ketahanan aus yang luar biasa, dan ini berfungsi sebagai dasar bagi banyak paduan berkinerja tinggi.

Proses Pendinginan

Pertama, teknisi memanaskan benda kerja ke wilayah austenit—biasanya di antara keduanya 800 ° C dan 900 ° C. untuk baja karbon sedang (0.3–0.6 % C),

dan rendam selama 15–30 menit untuk memastikan suhu seragam dan pembubaran penuh karbida. Berikutnya, mereka memasukkan logam panas ke dalam media pendinginan yang dipilih:

• Air: Tingkat pendinginan bisa mencapai 500 ° C/s, menghasilkan kekerasan martensit hingga 650 HV, tetapi tingkat keparahan air sering kali mencapai 0,5–1,0 % distorsi.
• Minyak: Tingkat lebih lambat 200 ° C/s menghasilkan kekerasan dekat 600 HV sambil membatasi distorsi ke bawah 0.2 %.
• Solusi Polimer: Dengan mengatur konsentrasi, insinyur mencapai tingkat pendinginan menengah (200–400 °C/detik), menyeimbangkan kekerasan (600–630 HV) dan kontrol dimensi.

Penting, mereka memilih media quench berdasarkan ketebalan bagian: bagian tipis (< 10 mm) mentolerir pendinginan air yang agresif,

sedangkan komponen tebal (> 25 mm) memerlukan pendinginan minyak atau polimer untuk meminimalkan gradien termal dan keretakan.

Manfaat Pendinginan

Lebih-lebih lagi, pendinginan menawarkan beberapa keuntungan utama:

• Kekerasan Maksimum & Kekuatan: Martensit yang dipadamkan secara rutin tercapai 600–700 HV, menerjemahkan ke kekuatan tarik di atas 900 MPa.
• Waktu Siklus Cepat: Transformasi penuh selesai dalam hitungan detik hingga menit, memungkinkan throughput tinggi dalam tungku batch atau continuous-quench.
• Keserbagunaan: Quenching berlaku untuk spektrum baja yang luas—mulai dari kualitas konstruksi paduan rendah (4140, 4340) untuk baja perkakas berkecepatan tinggi (M2, T15)- -
  membangun yang keras, dasar tahan aus untuk tempering atau perawatan permukaan.

Penerapan Pendinginan

Akhirnya, pendinginan terbukti sangat diperlukan dalam industri yang menuntut kekuatan dan ketahanan aus yang unggul:

• Otomotif & Aerospace: Poros engkol, batang penghubung dan komponen roda pendaratan mengalami pendinginan untuk menahan beban siklik dan benturan.
• Pembuatan perkakas: Alat pemotong, bor dan pukulan quench-harden untuk mempertahankan tepi tajam dan menahan keausan abrasif.
• Mesin berat: Roda gigi, kopling dan bilah geser berfungsi untuk masa pakai yang lama di bawah tekanan kontak yang tinggi.

6. Tempering

Tempering mengikuti quenching untuk mengubah getas, martensit dengan kekerasan tinggi menjadi lebih keras, struktur mikro yang lebih ulet.

Dengan hati-hati memilih suhu dan waktu, ahli metalurgi menyesuaikan keseimbangan kekuatan-ketangguhan dengan kebutuhan servis yang tepat.

Proses Tempering

1. Suhu Panaskan Kembali: Khas, teknisi memanaskan baja yang dipadamkan 150–650 ° C., memilih kisaran yang lebih rendah (150–350 °C) untuk kehilangan ketangguhan minimal atau kisaran yang lebih tinggi (400–650 ° C.) untuk memaksimalkan keuletan.
2. Waktu Rendam: Mereka menahan bagian tersebut pada suhu target 1–2 jam, memastikan transformasi seragam di seluruh bagian hingga 50 tebal mm.
3. Tempering Ganda: Untuk mengurangi sisa austenit dan menstabilkan kekerasan, banyak toko melakukan dua siklus tempering berturut-turut, sering dengan a 50 kenaikan °C antar siklus.

Selama temper, martensit terurai menjadi ferit dan karbida transisi halus (ε-karbida pada suhu rendah, sementit pada tingkat tinggi), dan tegangan sisa turun secara signifikan.

Manfaat Tempering

• Pengurangan Kekerasan Terkendali: Setiap 50 ° C. peningkatan suhu temper biasanya menurunkan kekerasan sebesar 50–75 HV,
  memungkinkan para insinyur untuk menyesuaikan kekerasan 700 HV (AS-OMENCHED) turun ke 300 HV atau di bawah.
• Peningkatan Ketangguhan: Ketangguhan dampak dapat meningkat 10–20J pada –20 °C saat temper pada 500 °C versus 200 ° C., sangat mengurangi risiko patah getas.
• Menghilangkan stres: Tempering memotong tegangan sisa sebesar 40–60%, mengurangi distorsi dan retak selama servis atau pemesinan sekunder.
• Daktilitas yang Ditingkatkan: Baja tempered sering kali mencapai elongasi 10–20%, dibandingkan dengan <5% dalam martensit yang tidak ditempa, meningkatkan kelayakan tabrakan dan umur kelelahan.

Penerapan Tempering

• Baja Struktural Kekuatan Tinggi: 4140 paduan, dipadamkan lalu ditempa 600 ° C., mencapai 950 MPa kekuatan tarik dengan 12% perpanjangan—ideal untuk poros penggerak dan gandar.
• Baja Perkakas: baja A2, dipadamkan dengan udara lalu ditempa ganda 550 ° C., memegang 58–60 HRC kekerasan sambil menjaga stabilitas dimensi di bawah suhu pemotongan.
• Komponen Tahan Aus: Dikeraskan dan ditempa 4340 hasil 52 HRC dengan ketangguhan yang luar biasa, melayani roda gigi dan roller tugas berat.

7. Kesimpulan

Dengan memanfaatkan anil, menormalkan, pendinginan dan temper, ahli metalurgi membentuk struktur mikro—mulai dari lunak, ferit ulet hingga martensit ultra-keras—untuk memenuhi target kinerja yang tepat.

Lebih-lebih lagi, menggabungkan metode-metode ini secara berurutan memungkinkan fleksibilitas yang tak tertandingi: desainer dapat mencapai trade-off yang kompleks antara kekuatan, kekerasan, ketahanan aus dan stabilitas dimensi.

Sebagai kontrol digital, tungku vakum dan kemajuan pemrosesan termal yang cepat, perlakuan panas pada logam akan terus mendorong inovasi di bidang otomotif, Aerospace, sektor energi dan perkakas.

Akhirnya, menguasai empat proses utama ini akan membekali para insinyur untuk mendorong logam—dan penerapannya—jauh melampaui batas yang ada saat ini.

Jika Anda membutuhkan kualitas tinggi layanan perlakuan panas, INI adalah pilihan sempurna untuk kebutuhan manufaktur Anda.

Hubungi kami sekarang!

 

FAQ

Yang membedakan annealing dengan normalisasi?

Annealing berfokus pada pelunakan dan menghilangkan stres secara perlahan, pendinginan tungku, yang menghasilkan kasar, butiran seragam. Sebaliknya, normalisasi menggunakan pendinginan udara untuk memperhalus ukuran butir dan meningkatkan kekuatan dan ketangguhan.

Bagaimana cara memilih antara air, minyak, dan quenchant polimer?

Air memberikan pendinginan tercepat (≈ 500 ° C/s) dan kekerasan tertinggi (hingga 650 HV) tapi berisiko distorsi.
Minyak mendingin lebih lambat (≈ 200 ° C/s), mengurangi lengkungan dengan mengorbankan kekerasan yang sedikit lebih rendah (≈ 600 HV).
Larutan polimer memungkinkan Anda mencapai kecepatan pendinginan menengah, menyeimbangkan kekerasan dan kontrol dimensi.

Mengapa melakukan temper ganda?

Temperatur ganda (dua penahanan berurutan pada suhu yang sedikit berbeda) menghilangkan sisa austenit, menstabilkan kekerasan, dan selanjutnya mengurangi stres,
penting untuk baja perkakas dan komponen dengan persyaratan toleransi yang ketat.

Struktur mikro apa yang dihasilkan dari setiap proses?

Anil: Ferit kasar ditambah karbida spheroidized (pada baja C tinggi).
Menormalkan: Ferit halus dan perlit.
Pendinginan: Jenuh, martensit seperti jarum.
Tempering: Martensit yang ditempa (ferit ditambah karbida halus) dengan berkurangnya kepadatan dislokasi.

Bagaimana atmosfer perlakuan panas mempengaruhi hasil?

Atmosfer inert atau reduksi mencegah oksidasi dan dekarburisasi.

Sebaliknya, tungku terbuka berisiko terbentuknya kerak dan hilangnya karbon di permukaan, yang dapat menurunkan sifat mekanik.

Dapatkah paduan nonferrous memperoleh manfaat dari metode ini?

Ya. Paduan aluminium memperoleh keuletan dan menghilangkan pengerasan kerja melalui anil rekristalisasi (400–600 °C).

Paduan titanium sering kali mengalami perlakuan larutan dan penuaan—varian dari pendinginan & temper—untuk mencapai kekuatan tinggi dan ketahanan mulur.

Toleransi apa yang harus saya harapkan setelah normalisasi dan anil?

Menormalkan bagian dapat menahan toleransi ±0,1 mm; bagian yang dianil, ketika didinginkan secara merata di dalam tungku, mempertahankan akurasi ±0,05 mm. Kedua metode ini meminimalkan tegangan sisa yang menyebabkan lengkungan.

Bagaimana cara mengurangi distorsi selama quench & melunakkan?

Pilih media pendinginan yang lebih lembut untuk bagian yang tebal.
Gunakan agitasi berjangka waktu untuk mendorong pendinginan yang seragam.
Terapkan temper terkontrol segera setelah quench untuk menghilangkan tekanan yang disebabkan oleh quench.

Proses mana yang menawarkan peningkatan umur kelelahan terbaik?

Martensit temper biasanya memberikan kinerja kelelahan terbaik.

Setelah pendinginan, temper pada suhu 500–600 °C untuk mengoptimalkan ketangguhan, dan Anda akan melihat peningkatan umur kelelahan sebesar 20–30% pada baja struktural umum.

Bagaimana kontrol digital meningkatkan perlakuan panas pada logam?

Pengontrol tungku tingkat lanjut melacak suhu hingga ±1 °C, sesuaikan waktu rendam secara otomatis, dan mencatat siklus termal.

Pendekatan berbasis data ini meningkatkan kemampuan pengulangan, menurunkan tingkat scrap, dan memastikan bahwa setiap bagian memenuhi spesifikasi mekanisnya.