Pendinginan: Proses Perlakuan Panas Kritis untuk Penjagaan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Quenching adalah proses perlakuan panas di mana logam didinginkan dengan cepat dari suhu tinggi, biasanya di atas suhu transformasi kritisnya, untuk mencapai sifat mikrostruktur dan mekanik tertentu. Proses pendinginan yang terkontrol ini mencegah transformasi fase normal yang akan terjadi selama pendinginan lambat, menghasilkan mikrostruktur metastabil dengan kekerasan dan kekuatan yang ditingkatkan.

Quenching merupakan salah satu proses yang paling mendasar dan banyak digunakan dalam perlakuan panas baja, berfungsi sebagai dasar untuk mengembangkan komponen baja berkekuatan tinggi. Proses ini memanfaatkan sifat transformasi fase yang bergantung pada waktu dalam baja, secara efektif "membekukan" mikrostruktur suhu tinggi atau memaksa pembentukan fase non-ekuilibrium.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, quenching menempati posisi kritis antara produksi baja primer dan sifat produk akhir, memungkinkan metalurgis untuk memanipulasi mikrostruktur dan dengan demikian menyesuaikan sifat mekanik untuk aplikasi tertentu. Ini merupakan bagian penting dari urutan perlakuan panas yang mungkin termasuk tempering selanjutnya untuk menyeimbangkan kekerasan dengan ketangguhan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, quenching mencegah transformasi austenit (struktur kristal kubus pusat muka) menjadi ferit dan perlit yang dikendalikan oleh difusi dengan mengurangi mobilitas atom secara cepat. Sebaliknya, transformasi tanpa difusi terjadi, menghasilkan pembentukan martensit, larutan padat jenuh karbon dalam besi dengan struktur tetragonal pusat tubuh.

Transformasi martensitik adalah proses geser di mana atom bergerak secara kooperatif dan hampir seketika, kurang dari jarak antaratom. Atom karbon terjebak di posisi interstisial dalam kisi besi, menyebabkan distorsi kisi yang secara signifikan meningkatkan kekerasan dan kekuatan.

Selama quenching, laju pendinginan harus melebihi laju pendinginan kritis yang spesifik untuk komposisi baja untuk menghindari pembentukan fase yang lebih lunak seperti perlit atau bainit. Laju pendinginan kritis ini bervariasi dengan kandungan paduan, dengan kandungan karbon dan paduan yang lebih tinggi umumnya mengurangi laju pendinginan yang diperlukan untuk pembentukan martensit.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk memahami quenching tertangkap dalam diagram Waktu-Suhu-Transformasi (TTT) dan Transformasi Pendinginan Berkelanjutan (CCT). Diagram ini memetakan hubungan antara laju pendinginan, suhu, waktu, dan mikrostruktur yang dihasilkan.

Pemahaman ilmiah tentang quenching berkembang secara signifikan pada awal abad ke-20, dengan pekerjaan perintis oleh Edgar C. Bain yang mengembangkan diagram TTT pertama pada tahun 1930-an. Diagram ini, kadang-kadang disebut "diagram transformasi isotermal" atau "kurva S," merevolusi perlakuan panas dengan memberikan representasi visual dari transformasi fase.

Pendekatan modern menggabungkan model komputasi yang memprediksi evolusi mikrostruktur selama quenching, termasuk analisis elemen hingga untuk memperhitungkan gradien termal dan perkembangan stres residual. Model-model ini mengintegrasikan basis data termodinamika dengan model kinetik untuk mensimulasikan transformasi fase di bawah kondisi non-ekuilibrium.

Dasar Ilmu Material

Quenching secara langsung mempengaruhi struktur kristal baja, mengubah austenit kubus pusat muka menjadi martensit tetragonal pusat tubuh. Transformasi ini menciptakan distorsi kisi yang signifikan dan memperkenalkan kepadatan dislokasi yang tinggi, berkontribusi pada peningkatan kekerasan.

Batas butir memainkan peran penting dalam quenching karena mereka mempengaruhi kemampuan pengerasan dan distorsi. Ukuran butir austenit yang lebih halus umumnya meningkatkan ketangguhan setelah quenching tetapi dapat sedikit mengurangi kemampuan pengerasan karena batas butir dapat berfungsi sebagai situs nukleasi untuk transformasi non-martensitik.

Proses quenching menggambarkan prinsip dasar ilmu material bahwa kondisi pemrosesan menentukan mikrostruktur, yang pada gilirannya menentukan sifat. Dengan mengontrol laju pendinginan, metalurgis dapat memanipulasi transformasi yang bergantung pada difusi dan tanpa difusi untuk mencapai sifat mekanik yang diinginkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Uji akhir Jominy, yang mengukur kemampuan pengerasan, dapat dinyatakan secara matematis sebagai:

$$H_d = H_0 \cdot e^{-kd}$$

Di mana $H_d$ adalah kekerasan pada jarak $d$ dari ujung yang dikuenching, $H_0$ adalah kekerasan maksimum di ujung yang dikuenching, dan $k$ adalah konstanta spesifik material yang terkait dengan kemampuan pengerasan.

Formula Perhitungan Terkait

Laju pendinginan kritis untuk pembentukan martensit dapat diperkirakan menggunakan:

$$V_{cr} = \frac{T_s - T_f}{t_c}$$

Di mana $V_{cr}$ adalah laju pendinginan kritis, $T_s$ adalah suhu transformasi awal, $T_f$ adalah suhu transformasi akhir, dan $t_c$ adalah waktu kritis untuk menghindari transformasi yang dikendalikan oleh difusi.

Faktor keparahan quench Grossmann (koefisien H) mengukur efektivitas media pendingin:

$$H = \frac{h}{2k}$$

Di mana $h$ adalah koefisien transfer panas di antarmuka logam-media pendingin dan $k$ adalah konduktivitas termal logam. Nilai H yang lebih tinggi menunjukkan quenching yang lebih parah.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini umumnya berlaku untuk komposisi baja dalam rentang standar (0,1-1,0% karbon) dan suhu quenching konvensional (800-900°C untuk baja karbon). Mereka mengasumsikan komposisi austenit awal dan ukuran butir yang seragam.

Formula ini memiliki batasan ketika diterapkan pada geometri kompleks di mana laju pendinginan bervariasi secara signifikan di seluruh komponen. Mereka juga tidak memperhitungkan stres internal atau potensi retak selama quenching yang parah.

Kebanyakan model quenching mengasumsikan kontak sempurna antara permukaan logam dan media pendingin, yang mungkin tidak mencerminkan kondisi dunia nyata di mana film uap dapat terbentuk, terutama dengan media pendingin cair.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A255: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kemampuan Pengerasan Baja - mencakup prosedur uji akhir Jominy untuk mengevaluasi kemampuan pengerasan.

ISO 642: Baja - Uji kemampuan pengerasan dengan quenching akhir (uji Jominy) - menyediakan standar internasional untuk pengujian kemampuan pengerasan.

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - umum digunakan untuk mengukur profil kekerasan setelah quenching.

SAE J406: Metode Menentukan Kemampuan Pengerasan Baja - standar industri otomotif untuk pengujian kemampuan pengerasan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Perangkat uji akhir Jominy terdiri dari pemegang spesimen dan sistem jet air yang menciptakan gradien pendinginan terkontrol sepanjang spesimen uji yang distandarisasi. Perangkat ini mengukur kemampuan pengerasan dengan menetapkan laju pendinginan yang bervariasi sepanjang panjang spesimen.

Pengukur kekerasan (Rockwell, Vickers, atau Brinell) mengukur ketahanan terhadap penekanan di berbagai titik pada spesimen yang dikuenching. Pengukuran ini mengkuantifikasi efektivitas proses quenching.

Dilatometer mengukur perubahan dimensi selama pemanasan dan pendinginan, memungkinkan penentuan suhu transformasi dan kinetika yang tepat selama quenching. Dilatometer canggih dapat mensimulasikan kondisi quenching industri dengan laju pendinginan yang terkontrol.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji Jominy standar adalah batang silindris sepanjang 100 mm dan diameter 25 mm dengan flensa radius 3 mm di salah satu ujung. Spesimen harus memiliki komposisi dan mikrostruktur yang seragam sebelum pengujian.

Persiapan permukaan memerlukan pemesinan yang hati-hati untuk memastikan akurasi dimensi dan penyelesaian permukaan yang memungkinkan