MODUL 11 ANILING 2
(PROSES-PROSES ANILING BAJA)
Segmen 1 sd 7
Program Studi Teknik Metallurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.
Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.
MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas
➢ Aniling baja sering dilakukan terutama untuk baja lembaran tipis (strip) yang telah mengalami pekerjaan pengerolan dingin (cold rolling), meskipun secara umum berlaku untuk semua logam yang telah mengalami pengerjaan dingin.
➢ Tujuan utama dari aniling ini adalah untuk mendapatkan struktur yang lunak untuk memudahkan proses pembentukan selanjutnya.
➢ Namun demikian seringkali pula terhadap baja yang mengalami pekerjaan di fasilitas pengerolan panas (hot strip mill), terutama pekerjaan pengerolan panas konvensional, juga mengalami aniling baja dengan cara mendinginkan baja dari temperatur kestabilan austenit ke temperatur kamar secara terbuka, yaitu yang sering disebut dengan normalizing rolling.
Siklus Termal Aniling
A3 / Acm
A1
Ms
γ
γ
α+γ
Perlit α Perlit
Taustenisasi
Normilizing Isothermal Full annealing annealing
Waktu Temperatur
Beberapa jenis aniling baja yang penting:
1. Full anealing 2. Normalizing
3. Isothermal annealing 4. Homogenize annealing
(homogenisasi).
5. Stress-relief annealing.
6. Spherodized annealing.
7. Process Annealing
8. Recrystallization annealing.
Siklus Termal Aniling Baja
Struktur seperti ini dikenal dengan kembaran atau twins dan umumnya terjadi dalam paduan logam yang telah mengalami deformasi plastis bukan produk hasil pengecoran.
Kembaran aniling
(a) (b) (c)
Skematika pertumbuhan kembaran aniling di dalam sebuah butiran yang tumbuh (grain growth), terhadap waktu tumbuh dari kiri (a) ke kanan (b) dan berakhir di (c).
Kembaran Aniling (Annealing Twins)
Beberapa struktur mikro logam atau paduan logam dengan struktur kristal FCC yang dianil menunjukkan adanya butiran-
butiran dengan batas butiran yang sangat lurus dan paralel yang berakhir pada batas butiran utamanya.
Van der Voort 2012
➢ Ketika sebuah butiran terbentuk dengan antaramuka (111) dengan urutan seperti di atas membentuk sebuah butiran di mana bidang (111) sebagai batasa butiran yang memiliki
koherensi dengan butiran induknya, namun bila terjadi perubahan penumpukan atom-atom dengan urutan penumpukan yang berbeda, misalnya …ABCABCABCBACBAC… maka akan
terbentuk kembaran.
Kembaran Aniling (Annealing Twins)
➢ Karena kembaran ini dihasilkan dari proses aniling maka struktur butiran kembar ini dikenal dengan kembaran aniling (annealing twins), mirip dengan kembaran deformasi atau pita deformasi (deformation bands) .
➢ Kembaran aniling ini terbentuk dari penumpukan yang salah dari bidang tumpuk padat {111}.
➢ Dalam kristal FCC susunan tumpuk padatnya adalah ...ABCABCABCA…
A3 / Acm
A1
Ms
γ
γ
α+γ
Perlit α Perlit
Taustenisasi
Normilizing Isothermal Full annealing annealing
Waktu Temperatur
Beberapa jenis aniling baja yang penting:
1. Full anealing 2. Normalizing
3. Isothermal annealing 4. Process Annealing
5. Recrystallization annealing.
6. Spherodized annealing.
7. Stress-relief annealing.
8. Homogenize annealing (homogenisasi).
Aniling Baja
Siklus termal (thermal cycling) beberapa aniling Baja hipoeutektik
Chegg
➢ Full anealing adalah perlakuan panas baja yang bertujuan untuk melunakkan, menghilangkan
tegangan sisa dan sekaligus
mendapatkan struktur mikro yang homogen.
➢ Struktur mikro yang diinginkan adalah ferit berukuran besar dan perlit kasar sehingga bajanya
relatif lunak.
.
➢ Dalam perlakuan panas ini baja yang telah mengalami deformasi dingin dipanaskan sedikit (kira-kira 40oC) diatas Ac3 untuk baja hipoeutektoid atau diatas Ac1 untuk baja hipereutektoid.
Full Annealing
➢ Austenisasinya dilakukan pada temperatur yang relatif tinggi untuk menghasilkan austenit berukuran besar serta melarutkan partikel karbida-karbida yang ada di dalam baja
➢ Pendinginan dari temperatur ini dilakukan secara perlahan agar transformasi dari austenit menjadi ferit berlangsung pada temperatur dekat A1.
➢ Pendinginan baja dari temperatur aniling dilakukan dengan kecepatan pendinginan yang lambat untuk mendapatkan struktur perlit.
➢ Untuk menghasilkan pendinginan yang lambat ini dapat dilakukan dengan pendinginan di dalam tanur, yaitu dengan mematikan tanur sementara baja tetap berada di dalam tanur hingga mencapai temperatur rendah (mendekati tempratur kamar).
➢ Struktur mikro akhir dari baja adalah ferit + perlit untuk baja hipoeutektoid, struktur perlit untuk baja eutektoid dan struktur perlit + sementit untuk baja hipereutektoid yang telah berkurang dalam hal kerapatan dislokasi dan tegangan sisanya.
Full Annealing
Full Annealing
❑ Siklus termal perubahan struktur mikro dalam full annealing baja karbon medium.
❑ Tujuan full annealing baja untuk
melunakkan, menghomogenkan dan menghilangkan tegangan sisa.
❑ Pendinginan baja di dalam tanur
menyebabkan pembentukan perlit yang kasar.
Selang temperatur full Annealing
(c)
Kurva pendinginan di dalam tanur ke temperatur kamar
Waktu (detik) 1 10 10
2
10
3
10
4
10
5
T(oC)
300 400 500 600 700 800
α + γ A (austenit)
(γ)
Ms
Mf
P (pearlite) 900
Pemanasana selama 1 jam/inci dimensi terbesar T(oC)
Pendinginan di dalam tanur
Waktu α α + γ
α + Fe3C
γ + Fe3C 910 γ
720
Fe T (oC)
%C Ac3
Ac1
Acc m
γ γ γ
(a) (b)
➢ Pada dasarnya tujuan utama normalizing mirip spheroidizing, yaitu memperbaiki
kemampumesinan (machinability) tetapi tidak melalui pembentukan sementit yang bulat
melainkan melalui pembentukan perlit lebih halus (fine pearlite) dibandingkan perlit hasil full
annealing (coarse pearlite).
➢ Perlakuan panas ini melibatkan pemanasan
austenisasi pada kira-kira 50oC di atas garis Ac3 dan Acm (selama 1 jam/inch, lebih dari 2 jam)
dilanjutkan dengan pendinginan udara terbuka.
Normalizing
(c) Kurva pendinginan di udara
Waktu (detik) 1 10 10
2
10
3
10
4
10
5
T(oC)
300 400 500 600 700 800
α + γ A (austenit)
(γ)
Ms
Mf
P (pearlite) 900
Pemanasana selama 1 jam/inci dimensi terbesar T(oC)
Pendinginan udara di luar tanur
Waktu α
α + γ
α + Fe3C
γ + Fe3C 910 γ
720
Fe T (oC)
%C Ac3
Ac1
Acc m
γ γ γ
(a) (b)
➢ Perlakuan panas baja normalizing sering diterapkan untuk operasi tahap akhir dalam produksi baja lembaran dan produk memanjang berupa pipa.
➢ Selain itu, normalizing juga diterapkan terhadap material baja sebelum dikenakan pekerjaan penarikan dingin (cold drawing) terhadap pipa yang dilas.
➢ Dengan perlakuan panas normalizing maka akan diperoleh struktur mikro dengan sifat penarikan dingin yang lebih baik dibandingkan bila tidak dinormalizing.
➢ Baja-baja karbon rendah (low-carbon steel) umumnya tidak memerlukan normalizing.
Normalizing
1 2
3
4
Fe 0,5 %C 2,0
+ Fe3C A3
A1
E
E T (oC)
910
720 810 780
P
A: austenit F: ferit P: perlit
F F
850oC 780oC
720oC 25oC
Baja hipo-eutectoid
Baja eutectoid
Baja hiper-eutectoid
Mekanisme pembentukan perlit
Dalam baja eutektoid
180 160 140 120 100 80 60 40 20
0 0 0,5 1,0 1,5
Kandungan karbon (% berat C) Kuat Tarik (UTS)
dan kuat luluh (YS) (x1000 psi)) Elongasi (EL, %)
UTS Normalizing
UTS full annealing
YS full annealing YS normalizing
EL full annealing EL normalizing
Perbandingan full annealing dan normalizing
baja karbon
Quora.com
➢ Komponen yang dicor (cast product) dari baja karbon medium yang dinormalizing, struktur mikronya akan lebih homogen.
➢ Hal tersebut karena temperatur normalizing lebih tinggi dibandingkan full annealing, sehingga homogenitas fasa austenite-nya lebih baik, dan dengan demikian ukuran dan distribusi fasa ferit dan perlit yang dihasilkan lebih seragam.
➢ Namun demikian, untuk komponen tebal yang di full annealing pelunakannya lebih seragam di semua bagian komponen karena semua bagian mengalami pendinginan yang lebih terkontrol (kecepatan pendinginan di semua bagian lebih seragam/sama) dibandingkan normalizing
➢ Dalam normalizing, bagian yang tipis mendingin lebih cepat sehingga lebih keras dibandingkan yang lebih tebal.
Catatan perbandingan full annealing dan normalizing baja karbon
Aniling Isotermal (Isothermal Annealing)
➢ Baja-baja kekuatan tinggi paduan rendah dengan kandungan karbon kurang dari 0,3%
banyak digunakan untuk komponen transmisi otomotif seperti roda gigi.
➢ Untuk pekerjaan permesinan, seperti
pembubutan, diperlukan struktur mikro ferit dan perlit yang relatif kasar karena baja relatif lunak (machinability-nya baik).
➢ Diperlukan pengaturan struktur mikro melalui perlakuan panas.
➢ Struktur mikro ferit dan perlit yang relatif besar dapat diperoleh dari perlakuan full aniling.
➢ Tetapi karena full aniling memerlukan waktu pendinginan yang lama hingga mencapai temperatur kamar, maka aniling isotermal dapat diterapkan sehingga menghemat banyak waktu.
Waktu (detik)
1 10 102 103 104 105 T(oC)
300 400 500 600 700 800
α + γ A (austenit) (γ)
Ms
Mf
P (pearlite) 900
T(oC)
Pendinginan di dalam tanur
Waktu α α +
γ
α + Fe3C
γ + Fe3C 910 γ
720
Fe
oC
%C Ac3
Ac1
Accm
γ γ γ
Van-der Voort
Aniling Isotermal (Isothermal Annealing)
Tansformasi fasa selama isothermal annealing:
➢ Pemanasan pada temperature di atas A3
mengubah baja yang sebelumnya berstruktur ferit + perlit menjadi austenite.
➢ Pendinginan ke temperatur tertentu di bawah A1 di atas Ms dengan cepat ke dalam lelehan garam akan menahan fasa austenite tetapi menjadi lewat jenuh.
➢ Menahannya pada temperature ini dalam waktu tertentu menghasilkan transformasi dari austenite menjadi ferit hingga fraksi tertentu sesuai dengan komposisi kimia karbonnya.
➢ Sisa austenite kemudian tertransform menjadi perlit.
Ferit primer + perlit
Waktu (detik)
1 10 102 103 104 105 T(oC)
300 400 500 600 700 800
α + γ A (austenit) (γ)
Ms
Mf
P (pearlite) 900
Coarse pearlite
Fine pearlite
Isothermal pada temperature yang semakin rendah menghasilkan perlit
yang semakin halus.
Waktu (detik)
1 10 102 103 104 105 T(oC)
300 400 500 600 700 800
α + γ A (austenit) (γ)
Ms
Mf
P (pearlite) 900
Coarse pearlite
Fine pearlite
Bila terlalu lama ditahan didalam tfurnace
Isothermal pada temperature yang sama tetapi lebih lama menghasilkan perlit
yang semakin kasar.
Homogenize Annealing (Homogenisasi)
• Baja yang dibentuk melalui pengecoran umumnya mengalami segregasi.
• Segregasi:
- makro (macrosegregation) :
komposisi kimia dibagian pinggir benda cor berbeda dengan yang di bagian tengah.
- mikro (microsegregation) :
komposisi kimia dibagian pinggir butiran berbeda dengan di bagian tengah butiran.
Bhargava, 2017
• Untuk mendapatkan komposisi kimia yang relatif lebih homogen di dalam baja (terutama baja dalam bentuk ingot) hasil proses pengecoran.
• Pemanasan pada T=1100oC, sedikit dibawah temperatur solidusnya.
Tasan 2016
Selang temperatur homogenizing annealing
➢ Untuk menghindari terjadinya retakan terutama untuk yang berdimensi tipis, pemanasan dilakukan secara lambat.
➢ Pemanasan pada temperatur homogenisasi dilakukan relatif lama untuk memungkinkan jarak difusi yang jauh dari atom-atom yang tersegregasi
➢ Kepatan pendinginanya relatif lambat, umumnya dilakukan melalui pendinginan udara.
Aniling Penghilangan Tegangan (Stress Relieve Annealing)
➢ Tegangan sisa yang tersimpan di dalam logam baja yang telah mengalami pengerjaan dingin dapat dihilangkan (dikurangi) dengan cara
memanaskannya pada temperatur antara 500 –650oC.
➢ Khusus untuk baja karbon dan baja paduan rendah temperatur anealing ini berkisar antara 550 – 650oC, sedangkan untuk baja kecepatan tinggi (high speed steels) berkisar antara 600 – 750oC.
➢ Temperatur ini masih di bawah temperatur rekristalisasi dari masing-masing bajanya.
➢ Contoh praktek penerapan perlakuan panas penghilangan tegangan sisa yaitu setelah pekerjaan pengelasan, pengecoran dan pengerjaan deformasi plastis yang berat seperti penekukan plat agar tidak mudah terserang korosi.
➢ Dalam pengelasan hasil las akan memberikan distribusi tegangan sisa (residual stress) yang berbeda antara di bagian lasan dan di bagian logamnya (base metal), dimana di bagian lasan atau kampuh memiliki tegangan sisa tarik sedangkan di daerah logam sekitar kampuh memiliki tegangan sisa tekan.
➢ Untuk menyeragamkan perbedaan tegangan mendekati nol di semua daerah lasan dan logam maka perlu dilakukan perlakuan panas ini, yang di dalam praktek pengelasan sering dikenal dengan post weld heat treatment.
Aniling Penghilangan Tegangan (Stress Relieve Annealing)
➢ Dalam perlakuan panas ini yang berperan adalah proses pemulihan atau recovery bukannya rekristalisasi. Dalam hal ini pengurangan tegangan sisa dalam bentuk energi dalam terjadi dengan pengaturan dislokasi, bukan penghilangan dislokasi.
➢ Oleh sebab itu, setelah perlakukan panas ini struktur mikro yang teramati di bawah mikroskop optik tidak menunjukkan perubahan yang berarti, kecuali tentu saja bila pengamatan dilakukan di bawah mikroskop elektron dengan pembesaran jauh lebih besar sehingga dapat diketahui perubahan struktur mikronya.
➢ Dengan demikian, dalam praktek ini tujuan utamanya adalah menghilangkan tegangan sisa bukan merubah struktur mikro dan sifat mekanis.
Aniling Penghilangan Tegangan (Stress Relieve Annealing)
➢ Untuk baja karbon relatif tinggi, yaitu yang kandungan karbonnya lebih
besar dari 0,3%, kandungan karbida dalam bentuk plat di dalam perlit yang relatif banyak membuat baja sangat keras sehingga sulit untuk dibubut.
➢ Bila sementit dapat dibentuk membola (spheroid) maka kekerasannya atau mampumesinnya akan meningkat.
Spheroidized Annealing (Spheroidizing)
➢ Struktur spheroidized adalah struktur mikro baja dengan sementit yang memiliki morfologi membulat (sphere), bukan dalam bentuk plat seperti yang ada dalam perlit.
➢ Dengan struktur mikro sementit berbentuk bulat ini akan dihasilkan baja dengan kemuluran atau keuletan (ductility) yang lebih besar sehingga mampu mesin (machinability) meningkat.
T(oC)
Pendinginan udara
Waktu α α +
γ
α + Fe3C
γ + Fe3C
910 γ
720
Fe
oC
%C
Ac3
Ac1 Acc
m
. . . . . . . .
Perlit (Fe3C+α)
Sementit (Fe3C) Ferit (α)
Fe3C
Speroidisasi
❑ Struktur mikro spheroidized
merupakan struktur mikro baja dimana sementite (Fe3C) berada dalam
morfologi membulat bukan dalam bentuk plat.
❑ Plat sementit akan berubah menjadi membulat bila dipanaskan pada temperatur di bawah A1, yang membuat baja menjadi lebih lunak (ductile).
Lebih getas Lebih lunak
Perubahan struktur mikro spheroidize annealing untuk baja eutektoid dan
siklus thermalnya
Spheroidized Annealing (Spheroidizing)
The extent of spheroidization at 700 °C (1290 °F) for 200 h for the 1040 steel starting from a
ferrite-pearlite microstructure etched in 4% picral. 1000×
Beberapa moda speroidisasi sementit
Reed-Hill
Reed-Hill
Spheroidized Annealing (Spheroidizing)
Struktur mikro baja perlitik yang dianil pada temperatr 700oC selama
a) 0 jam (kondisi awal) b) 50 jam
c) 100 jam d) 400 jam
Czarski 2015
Spheroidized Annealing (Spheroidizing)
➢ Apabila stress relief annealing berhubungan dengan pemulihan, maka dalam process annealing lebih berhubungan dengan rekristalisasi.
➢ Proses perlakuan panas ini umumnya diterapkan untuk perlakuan antara bagi produk baja yang mengalami pengerjaan manufaktur dalam keadaan dingin, yang bertujuan untuk
melunakkan kembali baja yang telah mengalami pengerjaan dingin agar baja tersebut dapat dimanufaktur lebih lanjut.
Process Annealing
➢ Penerapannya sebagai contoh adalah untuk produk baja berbentuk plat atau kawat hasil pengerjaan dingin.
➢ Perlakuan panas ini dapat pula diterapkan terhadap baja paduan dan baja karbon tinggi yang telah mengalami pengerjaan panas dengan tujuan agar dapat dicegah terjadinya peretakan atau untuk pelunakan kembali.
➢ Temperatur perlakuan panas ini berkisar antara 550 sampai dengan 700oC dengana waktu penahanan bervariasi dari 1 jam sampai dengan 2 jam.
➢ Pemanasan dan pendinginan biasanya dilakukan secara perlahan untuk menghindari retakan, terutama bagi baja yang berdimensi besar atau tebal.
Process Annealing
➢ Bila procss annealing diterapkan di antara 2 proses pengerjaan dingin, maka dalam recrystallization annealing diterapkan pada akhir proses, yaitu setelah pengerjaan dingin.
➢ Perlakuan ini akan menghasilkan baja dengan bentuk yang telah berubah (menjadi plat), tetapi sifatnya telah kembali seperti sifat semula sebelum pengerjaan dingin (tidak getas).
Recrystallization Annealing
Selang temperatur pemanasan:
10 – 15oC di atas temperatur rekristalisasi
0,5-1 jam T(oC)
Waktu α
α + γ
α + Fe3C
γ + Fe3C 910 γ
720
Fe
oC
%C
Ac3
Ac1
Accm
Kristal /butiran baru
Siklus termal dan perubahan struktur mikro dalam
recrystallized annealing
❑ Recrystallization annealing diterapkan pada akhir proses, yaitu setelah
seluruh pengerjaan dingin selesai.
❑ Hasil perlakuan ini akan diperoleh baja dengan bentuk yang telah berubah (menjadi plat), tetapi sifatnya telah kembali (tidak getas).
Recrystallization Annealing
Aniling terhadap cold-rolled coil baja secara konvensional dilakukan serentak untuk beberapa coil secara batch (batch annealing) di dalam sebuah tanur yang dikenal dengan bell-type furnace.
Dalam perkembangannya aniling secara menerus (continuous annealing) lebih banyak digunakan.
Dalam jenis aniling ini cod-rolled coil di-uncoil dan disambung (menggunakan las) dengan
lembaran dari coil lainnya untuk dimasukkan secara menerus ke dalam tanur dan digulung kembali pada ujung akhir setelah keluar dari tanur.
Tenova Inc.
Aniling Untuk Cold-Rolled Coil Baja
Danieli
Batch Annealing Continuous Annealing
Torpodo car
Continuous annealing
Batch annealing
Tipikal diagram alir integrated steel plant
Nippon Steel
Batch Annealing
Tumpukan coil baja lembaran tipis hasil pengerjaan dingin
yaitu cold rolling yang dipanaskan di dalam tanur tertutup dengan aliran gas agar baja tidak teroksidasi.
Hood type annealing furnace
Sinha
PMX Industry
Fukushima 1983
Continuous Annealing
➢ Electrical steel seperti lamination steel, silicon electrical steel, silicon
steel, relay steel, transformer steel, adalah baja yang
dibuat khusus untuk menghasilkan sifat
kemagnetan tertentu yang digunakan untuk kebutuhan peralatan kelistrikan.
➢ Electrical steel biasanya dibuat dalam lembaran tipis yang dirol dingin (cold rolled) dengan ketebalan kurang dari 2mm.
❑ Panjang lembaran tipis (strip) dapat mencapai 2000 m, dengan kecepatan 200-700 m/menit.
❑ Semakin tipis semakin cepat (1000 m/menit untuk tebal 0,15 mm)
Contoh Pemakaian Baja Lembaran Tipis Yang perlu di-Aniling
Nippon Steel
