Lecture12-13.Heat Treatment of Steel

METALLURGY I

(RM-1420) Dosen: Fahmi Mubarok, ST., MSc.

Pendahuluan

Heat Treatment

Hardenability

Tempering

Age Hardening

LECTURE XII-XIII

LECTURE XII-XIII

Fahmi Mubarok

Pendahuluan



_{Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia suatu}

paduan, tetapi juga teragntung pada strukturmikronya.



_{Suatu paduan dengan komposisi kimia yang sama dapat memiliki}

strukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya akan berbeda.



_{Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang dialami,}

terutama proses laku-panas yang diterima selama proses pengerjaan.



_{Proses laku-panas adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan}

pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap

logam/paduan dalam keadaan padat, sebagai suatu upaya untuk

memperoleh sifat-sifat tertentu.



_{Proses laku-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai}

dengan pemanasan sampai ke temperatur tertentu, lalu diikuti dengan

penahanan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukan

Fahmi Mubarok

Heat Treatment

Heat treatment

Dekat Keseimbangan

Near-equilibrium

Tidak seimbang

Non-equilibrium

Tujuan Umum • Melunakkan • Menghaluskan butir

• Menghilangkan tegangan dalam • Memperbaiki machine ability

Macam Proses:

Full Annealing (annealing) Stress relief Annealing Process annealing

Tujuan Umum

Mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi

Macam proces: Hardening Martempering Austempering Surface hardening • Carburizing • Nitriding

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Heat Treatment

• Full annealing (annealing)

– Proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yang kasar (coarse pearlite), tetapi lunak dengan pemanasan sampai temperature austenitisasi dan

didinginkan dengan dapur.

– Tujuan  memperbaiki ukuran butir, melunakkan material sehingga

keuletannya naik.

– Diterapkan pada baja yang mengalami deformasi plastis atau proces maching/forming

• Normalizing

– Process perlakuan panas yang menghasilkan perlite halus, pendinginan dengan udara, lebih keras dan kuat dari hasil anneal.

• Spheroidizing

– Process perlakuan panas untuk menghasilkan struktur carbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks ferrite

– Akan memeperbaiki kemampuan di machining pada baja paduan %C tinggi – Methods:

Fahmi Mubarok

Heat Treatment

• Process Annealing

– Proses perlakuan panas untuk melunakkan dan menaikkan kembali keuletan benda kerja agar dapat dideformasi lebih lanjut.

– Low %C steel 1 hr @ 600-650°C (no austenizing) – Recrystallizes cold worked ferrite

– Y.S and UTS drastically reduced

• Stress relief Annealing

– Process perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa atau tegangan dalam akibat proses sebelumnya.

Fahmi Mubarok

Normalizing and Full Annealing

Struktur mikro

Reason for full annealing

• Full annealed (1oC/min) _{• Normalized (10 oC/min)} Full annealed - ~1o_C/min

Fahmi Mubarok

Spherodizing

• 24 hrs @ temp just under A1

- Carbides will spherodize if held for long time <723o_C

- Softens and puts steel in free machining condition

• Sometimes buy steel in spherodized condition for good dimensioning on machining and then heat treat later to increase its strength

Fahmi Mubarok

Process Anneal

• 1 hr @ 600-650o_C

• Recrystallizes cold worked ferrite

• Yield Strength and UTS drastically reduced

• Sometimes used to selectively treat localized cold worked areas

• Used in production of steel wire, nails etc.

• Up to 678oC with times up to 24 hrs; (use thermal blankets)

• Done to relieve residual or internal stresses

– @ high temperature dislocations rearrange to relieve stresses (easier mobility @high Temp -> lower Y.S)

– After cooling residual stress is reduced

• Less chance of fatigue, stress corrosion, etc. Stress relief

Fahmi Mubarok Full Annealing, Normalizing , Process Anneal and Spheroidize

Fahmi Mubarok

Hardening

Hardening/ Pengerasan

• Proses pelakuan panas untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan aus atau

ketangguhan dengan kombinasi kekerasan

• Kekerasan sangat tergantung dari:

– Temperatur pemanasan (Austenitizing Temperature)

– Lama pada temperatur tersebut (Holding Time)

– Laju pendinginan (Cooling Rate)

– Komposisi kimia (%C and Alloying)

– Kondisi Permukaan (Surface Condition)

– Ukuran dan berat benda kerja (Size and Mass)

•

Kekerasan maksimum didapatkan dari pembentukan fase martensite atau

atau fase karbida pada struktur mikro baja

Fahmi Mubarok

Austenitizing Temperature

• Pemanasan pada temperatur austenitisasi:

– 25-50

o

_{C diatas temperatur A3 untuk baja hypoeutectoid}

– 25-50

o

C diatas temperatur A1 untuk baja hypereutectoid

• Homogenity austenite, dilakukan dengan memberikan holding time pada

temperature austenitisasi

• Laju pendinginan

– Brine (air + 10 % garam dapur)

– Air

– Salt bath

– Larutan minyak dalam air

– Udara

• Komposisi Kimia

• Kondisi permukaan

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Hardenability

• Kekerasan baja sangat ditentukan oleh

jumlah relatif martersite didalam

strukturmikro dan juga ditentukan oleh

kekerasan martensite

• Hardenability adalah kemampuan baja

untuk dikeraskan dengan membentuk

martensite dengan proses heat-treatment

• Metode Pengujian hardenability

– Jominy End Quench Test

– Grossman

Fahmi Mubarok

Parameter yang berpengaruh terhadap hardenability

1. The chemical composition (carbon + other elements)

-

increasing wt.%C increases hardenability

- of the common alloying elements, only Co is known to decrease

hardenability

2. The austenite grain size at the instant of quenching

- the larger the grain, the better (due to reduction in pearlite

nucleation sites).



depend on heating rate, holding time and cooling

rate

But, beware of growing the austenite grain!

3. The shape, size (thickness) and geometry of the part being quenched;

4. The quenchant used

Fahmi Mubarok

Procedure of Jominy Test

1. Prepare specimen with 1 inch round and 4 inch long 2. Pre-heat the furnace to about 925 °C.

3. Place the Jominy specimen in the furnace and soak for one hour.

4. Turn the water on at the Jominy sink. Adjust the free water column to about ½ inch. 5. Remove the Jominy specimen from the furnace and place it in the fixture. Swivel

the baffle out of position so that the water impinges on the bottom of the specimen without wetting the sides of the specimen. Leave water to run for about 15 minutes. 6. Remove the Jominy specimen from the fixture and grind a smooth flat on the side

of the specimen.

7. Mark points on the ground surface at an interval of 1/16 in. up to 2 in. distance from the quenched end.

8. Take readings at an interval of 1/16 in. by measuring the Rockwell C hardness at each point marked in the previous step.

9. Plot the data for Rockwell Hardness versus Distance from quenched end as shown in Page 21

Fahmi Mubarok

Jominy Test

A standard simple test adopted by the ASTM and the SAE

- ASTM Method A255

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Jominy Test

Fahmi Mubarok

Grossman Test

Hardenability suatu baja diukur oleh diamater suatu baja yang

strukturmikro tepat di intinya adalah 50 % martensite setelah

dilakukan proses hardening dengan pendinginan tertentu.

Baja berbentuk silinder (panjang min 5xD) dengan variasi diameter

dilakukan pengerasan dengan media pendingin tertentu.

Hasil pengersan diuji metallography dan kekerasan, diameter baja

tersebut yang intinya tepat 50 % martensite dianyatakan sebagai

diameter kritis (D

₀

), pada suatu laju pendinginan tertentu

Fahmi Mubarok

Grossman Test

Karena harga Do masih tergantung dengan laju pendinginan

tertentu maka dirumuskan Harga diameter baja tersebut (50%

martensite) dengan pendinginan Ideal (H=tak Hingga) yang disebut

sebagai diameter ideal (Di)

Fahmi Mubarok

Grossman Test

Fahmi Mubarok

Grossman Test

(a) Radial hardness

for two alloys

quenched in

agitated water.

(b) Radial hardness

for different

diameters of

SAE4140 steel

quenched in

agitated water.

Fahmi Mubarok

Tempering: Austempering and Martempering

• Hasil quench hardening -> menghasilkan produk yang keras tetapi getas • Menghasilkan tegangan sisa

• Keuletan dan ketangguhan turun

Martempering (Marquenching)

1. Austenitize the steel at the appropriate temperature 2. Quench to a temperature just above the M_s

(usually, into an oil or molten salt bath) 3. Hold in the quenchant to obtain uniform

temperature throughout the steel

4. Cool at a moderate rate through the martensite transformation region.

Mechanical properties of 1095 steel heat-treated by martempering and conventional quenching

Fahmi Mubarok

Martempering

Fahmi Mubarok

Temper Martensite

Microstrukture Transformation

Fahmi Mubarok

Microstructure Temper Martensite

Pengaruh kadar karbon pada kekerasan

Fahmi Mubarok

Austempering

• An isothermal heat treatment designed to produce bainite in plain-carbon steels

• Purposes:

o improves strength and toughness o decreases cracking and distortion o but takes a long time to complete • Steps:

1. Austenitize the steel at the appropriate temperature

2. Quench to a temperature just above the Ms

3. Hold isothermally in the quenching media until graphite →bainite transformation is complete

4. Cool to room temperature in air

Mechanical properties of 1095 steel heat-treated by austempering and conventional quenching.

Fahmi Mubarok

Austempering

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Fahmi Mubarok

Surface Hardening

Harden surface layers (0.1mm – 5mm)

- To improve wear resistance

- To improve resistance to high contact stresses

- To improve fracture toughness

- To improve fatigue resistance

Heat:

• Induction

• Flame

• Laser

• Light

Case Hardening:

• Carburizing

• Cyaniding

• Carbonitriding

• Nitriding

Components usually surface-hardened

Fahmi Mubarok

METALLURGY I

(RM-1420) Dosen: Fahmi Mubarok, ST., MSc. Metallurgy Laboratory

LECTURE XIV

Surface Hardening

-Methods

-Applications