Pelunakan baja – metode, suhu, struktur mikro, dan aplikasinya

Pelunakan baja Proses ini mencakup perlakuan panas yang mengurangi kekerasan material, meningkatkan plastisitasnya, atau mencapai struktur mikro yang lebih menguntungkan untuk pemrosesan lebih lanjut. Pelunakan terutama digunakan sebelum pemesinan, pembentukan plastik, dan proses perlakuan panas selanjutnya, seperti pengerasan.
Proses ini sangat penting untuk baja karbon tinggi, baja paduan, dan baja perkakas, yang kekerasannya yang tinggi atau kandungan karbida yang tidak menguntungkan dapat mempersulit proses pembubutan, penggilingan, pengeboran, atau operasi pemesinan lainnya. Pelunakan juga dapat digunakan pada material yang dikeraskan dengan pengerjaan dingin, di mana diperlukan untuk menghilangkan efek pengerjaan dingin dan mengembalikan kemampuan material untuk mengalami deformasi lebih lanjut.
Tidak ada satu metode universal untuk melunakkan baja. Tergantung pada jenis material, kandungan karbon, unsur paduan, struktur awal, dan efek yang diinginkan, berbagai metode digunakan, termasuk anil penuh, anil isotermal, anil sferoidisasi, dan anil rekristalisasi.

Apa itu pelunakan baja?

Pelunakan memanfaatkan hubungan antara sifat mekanik baja dan mikrostrukturnya. Proses pemanasan, anil, dan pendinginan yang dipilih dengan tepat dapat mengubah ukuran dan bentuk komponen struktural, distribusi karbida, keadaan pengerasan material, dan tingkat tegangan sisa.
Tergantung pada proses yang digunakan, hal-hal berikut dapat terjadi: transformasi austenit menjadi ferit dan perlit, sferoidisasi sementit atau karbida lainnya, rekristalisasi material yang mengalami pengerasan regangan, dan pengurangan kepadatan dislokasi.
Efeknya biasanya berupa penurunan kekerasan material dan ketahanan terhadap pemrosesan lebih lanjut, serta peningkatan keuletan. Namun, mekanisme pastinya bergantung pada metode yang digunakan, sehingga istilah "pelunakan" tidak boleh disamakan dengan satu siklus termal spesifik saja.

Mengapa baja menjadi lunak?

Material yang dihasilkan setelah proses penggulungan, penempaan, penarikan, pengerasan, atau proses teknologi lainnya tidak selalu memiliki sifat yang diperlukan untuk operasi produksi selanjutnya. Kekerasan yang berlebihan meningkatkan keausan alat dan gaya pemotongan, sementara pengerasan regangan yang berlebihan dapat membatasi kemampuan untuk melakukan penempaan, pembengkokan, atau penarikan lebih lanjut.
Tujuan utama dari pelunakan baja adalah:

• mengurangi kekerasan material,
• peningkatan kemampuan pemesinan pada jenis baja yang sesuai,
• meningkatkan plastisitas dan kemampuan untuk dibentuk lebih lanjut,
• menghilangkan atau membatasi efek pengerasan deformasi,
• memperoleh bentuk sementit atau karbida yang menguntungkan,
• persiapan baja untuk pengerasan dan perlakuan panas lebih lanjut,
• Homogenisasi struktur mikro sebelum tahapan produksi selanjutnya.

Metode pelunakan baja

Pemilihan metode pelunakan terutama bergantung pada jenis baja dan efek teknologi yang diinginkan. Baja karbon tinggi yang ditujukan untuk pengerasan membutuhkan proses yang berbeda dibandingkan dengan lembaran logam karbon rendah yang dikeraskan secara tinggi selama penggulungan dingin.

1. Pemanasan penuh

Pemanasan penuh Proses ini melibatkan pemanasan baja hingga kisaran suhu yang memastikan austenitisasi yang tepat, memanaskan material, lalu mendinginkannya secara perlahan, biasanya bersamaan dengan tungku.
Untuk baja hipoeutektoid, suhu proses dipilih di atas suhu kritis Ac3. Suhu, waktu perendaman, dan laju pendinginan yang tepat bergantung pada jenis baja dan dimensi komponen.
Pendinginan lambat memungkinkan diperolehnya struktur ferit-perlit yang relatif lunak. Dibandingkan dengan normalisasi baja Proses pendinginan jauh lebih lambat, sehingga struktur dan sifat mekanik yang dihasilkan berbeda.
Penggunaan umum: baja struktural dan jenis baja lainnya yang memerlukan pengurangan kekerasan, peningkatan plastisitas, atau persiapan untuk pemrosesan lebih lanjut.

2. Annealing isotermal

Pemanasan anil isotermal Memanfaatkan transformasi austenit yang terkontrol pada suhu konstan. Setelah austenitisasi, baja didinginkan hingga suhu transformasi yang sesuai dan kemudian ditahan pada suhu tersebut hingga struktur mikro yang diinginkan tercapai.
Berbeda dengan proses anil klasik yang melibatkan pendinginan sangat lambat dan terus menerus, transformasi ini berlangsung di bawah kondisi isotermal yang terkontrol. Hal ini memungkinkan struktur yang lebih seragam dan, pada baja tertentu, waktu proses yang lebih singkat.
Metode ini digunakan, antara lain, pada beberapa baja paduan dan baja perkakas di mana pendinginan lambat selama proses anil tradisional akan memakan waktu lama.
Memengaruhi: memperoleh struktur mikro dan sifat yang terkontrol sehingga memungkinkan pemrosesan mekanis atau termal lebih lanjut.

3. Pemanasan bola – pembentukan bola

Pemanasan bola, juga disebut pembulatanHal ini sangat penting, khususnya untuk baja karbon tinggi, baja bantalan, dan baja perkakas. Tujuannya adalah untuk mengubah morfologi sementit dan karbida lainnya agar menghasilkan partikel yang lebih bulat dan berbentuk bola yang tersusun dalam matriks feritik, bukan susunan berlapis atau seperti jaring.
Sferoidisasi dapat dilakukan menggunakan berbagai siklus termal, termasuk pemanasan berkepanjangan di dekat suhu Ac1 atau siklus melalui rentang suhu tertentu. Parameter tersebut bergantung pada komposisi kimia dan struktur awal spesies tertentu.
Mengubah bentuk dan susunan karbida dapat secara signifikan mengurangi kekerasan baja karbon tinggi dan meningkatkan kemampuan pengerjaannya. Struktur yang disiapkan dengan baik juga memberikan kondisi awal yang menguntungkan sebelum pengerasan selanjutnya.
Penggunaan umum: baja perkakas, baja bantalan, dan baja karbon tinggi lainnya yang ditujukan untuk pemrosesan mekanis dan pengerasan lebih lanjut.

4. Annealing rekristalisasi

Pemanasan rekristalisasi Alat ini terutama digunakan untuk material yang dikeraskan selama pembentukan dingin, misalnya penggulungan, penarikan, atau pencetakan.
Selama deformasi dingin, kerapatan dislokasi meningkat, material mengeras, dan kekerasan serta kekuatannya meningkat, sementara keuletannya menurun. Setelah tingkat pengerjaan dingin yang tinggi tercapai, pembentukan lebih lanjut mungkin menjadi sulit.
Proses anil rekristalisasi menciptakan butiran baru, bebas dari pengaruh pengerasan regangan sebelumnya. Hal ini menyebabkan penurunan kekerasan dan kekuatan akibat pengerasan regangan, serta pemulihan keuletan.
Penggunaan umum: lembaran, strip, kawat, dan produk setengah jadi lainnya yang mengalami pengerjaan dingin intensif.

Perbandingan metode pelunakan baja

Metode Mekanisme dasar Efek utama Aplikasi tipikal Annealing penuh Austenitisasi dan transformasi lambat selama pendinginan Pengurangan kekerasan dan struktur yang lebih lunak Baja struktural dan produk setengah jadi sebelum pemrosesan lebih lanjut Annealing isotermal Transformasi austenit pada suhu konstan yang terkontrol Mikrostruktur seragam dan sifat terkontrol Paduan terpilih dan baja perkakas Annealing bola/sferoidisasi Perubahan morfologi sementit dan karbida Pengurangan kekerasan dan peningkatan kemampuan pemesinan Baja karbon tinggi, bantalan, dan perkakas Annealing rekristalisasi Pembentukan butiran baru setelah pengerasan kerja sebelumnya Penghilangan efek pengerasan dan pemulihan daktilitas Lembaran, strip, dan kawat yang dikerjakan dingin

Perbandingan metode pelunakan baja

Bagaimana perubahan mikrostruktur selama proses pelunakan?

Perubahan mikrostruktur bergantung pada jenis anil. Oleh karena itu, tidak mungkin untuk mengidentifikasi satu karakteristik struktur tunggal untuk semua proses pelunakan.
Tergantung pada teknologi yang digunakan, hal-hal berikut mungkin terjadi:

• pembentukan struktur feritik-perlitik selama pendinginan lambat setelah austenitisasi,
• Transformasi austenit terkontrol selama anil isotermal,
• Sferoidisasi sementit dan karbida lainnya dalam baja karbon tinggi dan baja paduan,
• pemulihan dan rekristalisasi struktur setelah pengerjaan plastik dingin sebelumnya,
• mengurangi kepadatan dislokasi dan efek pengerasan regangan.

Pemanasan dengan pembentukan bola (spheroidizing annealing) – mengapa hal ini penting untuk baja perkakas?

Pada baja perkakas dan baja karbon tinggi lainnya, kekerasan saja bukanlah satu-satunya parameter yang menentukan kesesuaian untuk pengerjaan mesin. Bentuk, ukuran, dan distribusi karbida juga sangat penting.
Struktur dengan karbida yang terdistribusi secara tepat dan hampir berbentuk bola dapat mempermudah pemesinan dan memberikan kondisi awal yang sesuai untuk proses austenitisasi dan pengerasan selanjutnya. Oleh karena itu, baja perkakas sering dipasok dalam kondisi lunak dan telah dianil.
Kekerasan sebenarnya setelah proses anil harus ditentukan untuk jenis baja tertentu. Rentang HB atau HV tunggal tidak boleh diadopsi untuk semua baja perkakas.

Pelunakan baja dan kemampuan pemesinan

Salah satu alasan terpenting untuk menerapkan pelunakan adalah untuk mempersiapkan material untuk pembubutan, penggilingan, pengeboran, penempaan, atau operasi pemesinan lainnya. Mengurangi kekerasan yang berlebihan dapat mengurangi tegangan pada mata pisau dan keausan alat.
Namun, hubungan antara kekerasan dan kemampuan pemesinan tidak linier. Material dengan kekerasan terendah tidak selalu mudah untuk diproses dengan mesin. Baja yang sangat lunak dan ulet dapat mengalami masalah dengan pembentukan serpihan, penumpukan material pada tepi, dan hasil akhir permukaan.
Oleh karena itu, proses yang tepat dipilih bukan hanya untuk mencapai kekerasan serendah mungkin, tetapi yang terpenting untuk mendapatkan struktur mikro yang sesuai untuk material spesifik dan teknologi produksi selanjutnya.

Pelunakan dan kandungan karbon dalam baja

Kandungan karbon memiliki dampak signifikan pada pemilihan metode pelunakan. Pada baja karbon rendah, menghilangkan efek pengerasan akibat pengerjaan dingin dapat menjadi sangat penting. Pada baja karbon menengah, pemilihan proses bergantung, antara lain, pada perlakuan mekanis dan termal selanjutnya.
Pada baja karbon tinggi, morfologi sementit dan karbida lainnya menjadi semakin penting. Oleh karena itu, proses yang mengarah pada sferoidisasi karbida sering digunakan pada baja perkakas, bantalan, dan pegas.

Pelunakan baja karbon

Untuk baja karbon, pilihan perlakuan bergantung pada kandungan karbon dan kondisi akhir yang diinginkan. Misalnya, baja C45 mungkin memerlukan perlakuan yang berbeda dibandingkan baja pegas atau baja perkakas berkadar karbon tinggi.
Pada baja dengan kandungan karbon yang lebih tinggi, perlakuan anil sferoidisasi dapat digunakan sebelum pemesinan dan pengerasan selanjutnya. Memperoleh bentuk sementit yang tepat mempermudah pemrosesan lebih lanjut dan mempersiapkan struktur untuk siklus termal berikutnya.

Pelunakan baja paduan

Unsur paduan dapat secara signifikan memengaruhi suhu transformasi, kemampuan pengerasan, jenis karbida yang terbentuk, dan laju proses difusi. Oleh karena itu, parameter yang sesuai untuk baja karbon biasa tidak boleh secara otomatis diterapkan pada baja kromium, kromium-molibdenum, nikel, atau baja paduan tinggi.
Pada baja paduan, pengendalian suhu, waktu, dan laju pendinginan sangat penting. Untuk baja perkakas, parameter anil lunak biasanya ditentukan secara individual untuk setiap jenis baja.

Pelunakan baja tahan karat

Jika berbicara tentang baja tahan karat, istilah "pelunakan" memerlukan kehati-hatian lebih. Baja austenitik, feritik, martensitik, dan dupleks memiliki struktur mikro yang berbeda dan memerlukan perlakuan panas yang berbeda.
Sebagai contoh, baja tahan karat austenitik dapat mengeras secara signifikan selama pengerjaan dingin. Mengembalikan keuletannya membutuhkan perlakuan panas yang dipilih dengan cermat dan sesuai untuk jenis baja tersebut. Oleh karena itu, rentang suhu tunggal dan universal untuk "melunakkan baja tahan karat" tidak boleh digunakan.

Pengaruh waktu dan suhu terhadap pelunakan baja

Suhu dan waktu memiliki hubungan yang erat. Suhu yang terlalu rendah mungkin tidak menyebabkan perubahan mikrostruktur yang dibutuhkan, sedangkan suhu yang terlalu tinggi atau pemanasan yang terlalu lama dapat menyebabkan pertumbuhan butir yang tidak diinginkan atau perubahan struktural lainnya.
Parameter proses harus mencakup:

• mutu dan komposisi kimia baja,
• suhu material kritis,
• struktur keluaran,
• tingkat penguatan sebelumnya,
• dimensi dan geometri elemen,
• jenis tungku dan metode pemanasan,
• Mikrostruktur akhir yang diharapkan,
• jenis perlakuan mekanis atau panas lebih lanjut.

Pengaruh laju pendinginan

Laju pendinginan adalah salah satu parameter yang menentukan struktur akhir baja. Proses anil penuh klasik menggunakan pendinginan lambat untuk memungkinkan terjadinya transformasi yang mengarah pada struktur yang lebih lunak.
Pada proses anil isotermal, material yang telah diaustenisasi dibawa ke suhu tertentu di mana transformasi terkontrol terjadi. Sebaliknya, pada proses anil rekristalisasi, metode pendinginan memiliki makna yang berbeda, karena tujuan utama proses ini adalah untuk menghilangkan efek pengerasan kerja sebelumnya, bukan untuk mentransformasi austenit.
Oleh karena itu, satu nilai laju pendinginan tidak boleh digunakan sebagai nilai yang tepat untuk semua proses pelunakan.

Suasana selama proses anil lunak

Selama proses anil, bukan hanya suhu dan waktu yang penting, tetapi juga atmosfer tungku. Suhu tinggi dapat menyebabkan oksidasi permukaan, pembentukan kerak, dan, dalam kondisi tertentu, perubahan komposisi kimia lapisan permukaan.
Tergantung pada persyaratan teknologi, tungku yang beroperasi dalam atmosfer udara, atmosfer pelindung, atau vakum digunakan. Atmosfer pelindung atau vakum dapat sangat penting untuk komponen presisi dan baja paduan, di mana pengurangan oksidasi dan kualitas permukaan yang tinggi diperlukan.

Penerapan pelunakan baja dalam industri

Produksi alat

Baja perkakas sering kali diberi perlakuan mekanis sebelum pengerasan akhir. Perlakuan anil lunak, khususnya sferoidisasi, menghasilkan struktur yang memudahkan penggilingan, pembubutan, pengeboran, dan operasi lain yang dilakukan sebelum perlakuan panas akhir.

Produksi bantalan

Pada baja bantalan berkadar karbon tinggi, penting untuk mencapai bentuk dan distribusi karbida yang sesuai sebelum pengerasan. Oleh karena itu, proses anil sferoidisasi merupakan langkah penting dalam persiapan material.

Produksi lembaran, strip, dan kawat

Material yang mengalami proses penggulungan dingin atau penarikan secara bertahap akan mengeras. Proses anil rekristalisasi mengembalikan keuletan yang sesuai dan memungkinkan proses pembentukan berlanjut.

Industri mesin

Pelunakan dapat digunakan saat mempersiapkan produk setengah jadi untuk poros, gandar, roda gigi, komponen transmisi, cetakan, dan bagian lain yang memerlukan pemesinan intensif sebelum perlakuan panas akhir.

Pelunakan dan penghilangan tegangan

Pelunakan tidak boleh disamakan dengan pelunakan penghilang teganganTujuan utama dari penghilangan tegangan adalah untuk mengurangi tegangan sisa sekaligus meminimalkan perubahan pada struktur mikro dasar material.
Selama proses pelunakan, tujuan utamanya adalah untuk mengubah kekerasan, plastisitas, atau struktur mikro sedemikian rupa sehingga mempermudah operasi teknologi selanjutnya.

Pelunakan dan normalisasi

Menormalisasi baja Proses ini melibatkan austenisasi dan pendinginan udara selanjutnya. Pada banyak baja karbon, hal ini menghasilkan struktur yang lebih halus serta kekerasan dan kekuatan yang lebih besar dibandingkan dengan anil lambat.
Jika tujuan utamanya adalah membuat baja perkakas karbon tinggi semudah mungkin untuk dikerjakan, proses anil sferoidisasi mungkin lebih tepat. Namun, jika penghalusan butir dan homogenitas struktur diperlukan setelah penempaan atau penggulungan, normalisasi mungkin merupakan proses yang tepat.

Pelunakan dan pengerasan

Melunakkan dan pengerasan baja Mereka mengejar tujuan yang pada dasarnya berbeda. Pengerasan menghasilkan struktur dengan kekerasan tinggi, sedangkan pelunakan digunakan untuk mengurangi kekerasan atau mendapatkan struktur yang menguntungkan untuk pemrosesan lebih lanjut.
Namun, proses-proses ini sering terjadi dalam satu rangkaian teknologi. Baja perkakas mungkin pertama-tama dianil lunak, kemudian diproses secara mekanis, dan baru kemudian dikeraskan dan diampuni.

Manfaat terpenting dari pelunakan baja

• mengurangi kekerasan yang berlebihan,
• meningkatkan kemampuan pemesinan pada tingkatan yang sesuai,
• meningkatkan plastisitas material,
• pemulihan plastisitas setelah pengerjaan dingin,
• memperoleh morfologi karbida yang sesuai,
• persiapan baja perkakas dan baja karbon tinggi untuk pengerasan,
• kemungkinan untuk melakukan tahapan pembentukan dan pemrosesan mekanis selanjutnya.

Keterbatasan proses

• Parameter harus dipilih untuk jenis baja tertentu,
• Suhu yang terlalu tinggi dapat menyebabkan pertumbuhan biji-bijian yang tidak menguntungkan.
• Pendinginan yang tidak tepat dapat mengakibatkan mikrostruktur yang tidak tepat,
• Proses pembentukan bola mungkin memerlukan waktu pemanasan yang lama,
• Tidak semua metode pelunakan cocok untuk setiap jenis baja,
• Dalam kasus baja paduan tinggi, jenis dan stabilitas karbida yang ada serta transformasi spesifik untuk tingkatan tertentu harus diperhitungkan.

Pelunakan baja bukanlah proses tunggal dengan parameter universal, melainkan serangkaian perlakuan panas yang dipilih berdasarkan komposisi kimia, struktur mikro awal, dan tujuan penggunaan material. Pemanasan penuh, pemanasan isotermal, pemanasan sferoidisasi, dan pemanasan rekristalisasi menggunakan mekanisme yang berbeda, tetapi tujuan umum mereka adalah untuk mencapai kondisi material yang lebih menguntungkan untuk operasi teknologi selanjutnya.

Untuk baja karbon tinggi dan baja perkakas, anil sferoidisasi sangat penting, karena memungkinkan perubahan morfologi karbida dan mempersiapkan material untuk pemesinan dan pengerasan selanjutnya. Pada material yang diperkuat dengan pengerjaan dingin, rekristalisasi sangat penting, menghilangkan efek pengerjaan dingin dan mengembalikan keuletan.
Suhu, waktu perendaman, dan metode pendinginan harus selalu ditentukan untuk jenis baja tertentu. Hal ini memungkinkan tercapainya struktur mikro yang dibutuhkan tanpa pertumbuhan butir yang tidak terkontrol, transformasi yang tidak diinginkan, atau penurunan sifat material.

Metode perlakuan panas dan termokimia pada baja

Pelunakan hanyalah salah satu kelompok proses yang digunakan untuk memodifikasi struktur mikro dan sifat baja. Tergantung pada efek yang diinginkan, normalisasi, penghilangan tegangan, pengerasan, penemperan, dan proses termokimia seperti karburisasi dan nitridasi juga digunakan.

Metode perlakuan panas baja

• Menormalisasi baja – penghalusan butiran dan penyatuan mikrostruktur.
• Pelepasan tegangan – pengurangan tegangan sisa.
• Pelunakan baja – mengurangi kekerasan dan meningkatkan kerentanan terhadap pemrosesan lebih lanjut.
• Pemanasan penuh – austenitisasi dan pendinginan lambat.
• Pemanasan anil isotermal – transformasi dilakukan sambil dipertahankan pada suhu yang dipilih dengan tepat.
• Pemanasan bola – pembentukan bola – perubahan morfologi sementit atau karbida lainnya.
• Pemanasan rekristalisasi – menghilangkan efek penghancuran dan mengembalikan plastisitas.
• Pemanasan homogenisasi – mengurangi segregasi dan menghomogenkan komposisi material.
• Pengerasan dan perlakuan panas – membentuk struktur mikro dan sifat-sifatnya melalui pengerasan dan penemperan.
• Baja temper – Modifikasi terkontrol terhadap sifat-sifat baja setelah pengerasan.
• Pengerasan induksi – pemanasan induksi permukaan dan pendinginan cepat.
• Pengerasan api – Pengerasan permukaan setelah pemanasan lokal dengan api.
• Kejenuhan berlebih – memperoleh larutan padat lewat jenuh melalui siklus termal yang sesuai.
• Penuaan – pemisahan fase terkontrol yang mengarah pada penguatan material.

Metode perlakuan termokimia pada baja

• Nitridasi baja – Pengayaan difusi lapisan permukaan dengan nitrogen.
• Baja karburisasi – Pengayaan permukaan dengan karbon melalui difusi.
• Karbonitriding – pengayaan lapisan permukaan secara simultan dengan karbon dan nitrogen.
• Nitrokarburisasi / nitrokarburisasi – pengayaan lapisan tersebut terutama dengan nitrogen dan karbon.
• Pengeboran – saturasi difusi permukaan dengan boron.
• Pelapisan krom difusi – pengayaan lapisan dengan kromium melalui difusi.
• Aluminisasi difusi – pengayaan difusi lapisan dalam aluminium.