Perlakuan panas logam adalah metode proses di mana benda kerja logam ditempatkan dalam media tertentu dan dipanaskan hingga suhu yang sesuai, lalu dipertahankan pada suhu tersebut selama jangka waktu tertentu, lalu didinginkan pada kecepatan yang berbeda.
Perlakuan panas logam merupakan salah satu proses penting dalam manufaktur mekanik. Dibandingkan dengan teknologi pemrosesan lainnya, perlakuan panas umumnya tidak mengubah bentuk dan komposisi kimia keseluruhan benda kerja, melainkan mengubah struktur mikro di dalam benda kerja atau komposisi kimia pada permukaan benda kerja untuk memberikan atau meningkatkan kinerja benda kerja. Karakteristiknya adalah meningkatkan kualitas intrinsik benda kerja, yang umumnya tidak terlihat oleh mata telanjang.
Agar benda kerja logam memiliki sifat mekanik, sifat fisik, dan sifat kimia yang dibutuhkan, selain pemilihan material yang wajar dan berbagai proses pembentukan, proses perlakuan panas sering kali sangat diperlukan. Baja merupakan material yang paling banyak digunakan dalam industri permesinan. Struktur mikro baja bersifat kompleks dan dapat dikontrol dengan perlakuan panas, sehingga perlakuan panas baja merupakan kandungan utama perlakuan panas logam. Selain itu, aluminium, tembaga, magnesium, titanium, dll. dan paduannya juga dapat mengubah sifat mekanik, fisik, dan kimianya melalui perlakuan panas untuk memperoleh kinerja yang berbeda.
Dalam proses dari Zaman Batu ke Zaman Perunggu dan Zaman Besi, peran perlakuan panas secara bertahap telah diakui oleh manusia. Sejak 770-222 SM, orang-orang Tiongkok telah menemukan dalam praktik produksi bahwa sifat-sifat tembaga dan besi akan berubah karena pengaruh suhu dan deformasi tekanan. Perlakuan pelunakan besi cor putih merupakan proses penting untuk membuat peralatan pertanian.
Pada abad keenam SM, senjata baja mulai diadopsi secara bertahap. Untuk meningkatkan kekerasan baja, proses pendinginan pun berkembang pesat. Dua pedang dan tombak yang ditemukan di Yanxiadu, Kabupaten Yi, Provinsi Hebei, Tiongkok, memiliki struktur mikro martensit, yang menunjukkan bahwa kedua pedang tersebut telah mengalami pendinginan.
Dengan berkembangnya teknologi pendinginan, orang-orang secara bertahap menemukan pengaruh pendingin pada kualitas pendinginan. Pu Yuan, seorang Shu pada periode Tiga Kerajaan, pernah membuat 3,000 pisau untuk Zhuge Liang di Xiagu, Provinsi Shaanxi. Dikatakan bahwa ia mengirim orang ke Chengdu untuk mendapatkan air untuk pendinginan. Ini menunjukkan bahwa Tiongkok memperhatikan kapasitas pendinginan kualitas air yang berbeda pada zaman kuno, dan juga memperhatikan kapasitas pendinginan minyak dan urin. Pedang yang digali di makam Raja Jing dari Zhongshan selama Dinasti Han Barat (206 SM-24 M) di Tiongkok memiliki kandungan karbon sebesar 0.15-0.4% di bagian inti, sedangkan kandungan karbon di permukaan lebih dari 0,6%, yang menunjukkan bahwa teknologi karburisasi telah diterapkan. Namun, sebagai rahasia "keahlian" pribadi pada waktu itu, hal itu tidak mau diwariskan, sehingga perkembangannya sangat lambat.
Pada tahun 1863, ahli metalologi dan geologi Inggris menunjukkan enam struktur metalografi baja yang berbeda di bawah mikroskop, membuktikan bahwa ketika baja dipanaskan dan didinginkan, struktur internal akan berubah, dan fase pada suhu tinggi dalam baja akan berubah menjadi fase yang lebih keras ketika didinginkan dengan cepat. Teori alotropi besi yang ditetapkan oleh Osmond dari Prancis dan diagram fase besi-karbon yang pertama kali dirumuskan oleh Austin dari Inggris meletakkan dasar teoritis untuk teknologi perlakuan panas modern. Pada saat yang sama, orang-orang juga mempelajari metode perlindungan logam selama proses pemanasan perlakuan panas logam untuk menghindari oksidasi dan dekarburisasi logam selama pemanasan.
Dari tahun 1850 hingga 1880, terdapat serangkaian paten untuk penerapan berbagai gas (seperti hidrogen, gas batu bara, karbon monoksida, dll.) untuk pemanasan pelindung. Dari tahun 1889 hingga 1890, British Lake memperoleh paten untuk perlakuan panas terang pada berbagai logam.
Sejak abad ke-20, perkembangan fisika logam dan transplantasi serta penerapan teknologi baru lainnya telah membuat proses perlakuan panas logam lebih berkembang. Kemajuan yang signifikan adalah penerapan tungku putar untuk karburisasi gas dalam produksi industri dari tahun 1901 hingga 1925; munculnya potensiometer titik embun pada tahun 1930-an membuat potensi karbon atmosfer tungku dapat dikontrol, dan kemudian penggunaan instrumen inframerah karbon dioksida, probe oksigen, dll. untuk lebih mengendalikan potensi karbon atmosfer tungku dipelajari; pada tahun 1960-an, teknologi perlakuan panas menggunakan peran medan plasma untuk mengembangkan proses nitridasi ion dan karburisasi; penerapan teknologi sinar laser dan elektron telah memungkinkan logam untuk memperoleh metode perlakuan panas permukaan dan perlakuan panas kimia baru.
2. Proses perlakuan panas logam
Proses perlakuan panas umumnya mencakup tiga proses: pemanasan, isolasi, dan pendinginan, dan terkadang hanya dua proses: pemanasan dan pendinginan. Proses-proses ini saling terkait dan tidak dapat diganggu gugat.
Pemanasan merupakan salah satu langkah penting dalam perlakuan panas. Ada banyak metode pemanasan untuk perlakuan panas logam. Metode yang paling awal menggunakan arang dan batu bara sebagai sumber panas, kemudian bahan bakar cair dan gas digunakan. Penggunaan listrik membuat pemanasan mudah dikendalikan dan ramah lingkungan. Sumber panas ini dapat digunakan untuk pemanasan langsung, atau tidak langsung melalui garam atau logam cair, atau bahkan partikel yang mengapung.
Saat logam dipanaskan, benda kerja akan terpapar udara, dan oksidasi serta dekarburisasi sering terjadi (yaitu, kandungan karbon pada permukaan komponen baja berkurang), yang memiliki efek yang sangat buruk pada sifat permukaan komponen setelah perlakuan panas. Oleh karena itu, logam biasanya harus dipanaskan dalam atmosfer terkendali atau atmosfer pelindung, dalam garam cair dan dalam ruang hampa, dan juga dapat dilindungi dan dipanaskan dengan metode pelapisan atau pengemasan.
Suhu pemanasan merupakan salah satu parameter proses yang penting dalam proses perlakuan panas. Pemilihan dan pengendalian suhu pemanasan merupakan isu utama untuk memastikan kualitas perlakuan panas. Suhu pemanasan bervariasi tergantung pada bahan logam yang diolah dan tujuan perlakuan panas, tetapi umumnya dipanaskan di atas suhu perubahan fasa untuk memperoleh struktur yang dibutuhkan. Selain itu, transformasi memerlukan waktu tertentu. Oleh karena itu, ketika permukaan benda kerja logam mencapai suhu pemanasan yang dibutuhkan, benda tersebut harus dipertahankan pada suhu ini selama jangka waktu tertentu agar suhu internal dan eksternal konsisten dan transformasi mikrostruktur selesai. Periode waktu ini disebut waktu penahanan. Ketika pemanasan kepadatan energi tinggi dan perlakuan panas permukaan digunakan, kecepatan pemanasan sangat cepat, dan umumnya tidak ada waktu penahanan atau waktu penahanan sangat singkat, sedangkan waktu penahanan perlakuan panas kimia seringkali lebih lama.
Pendinginan juga merupakan langkah yang sangat diperlukan dalam proses perlakuan panas. Metode pendinginan bervariasi tergantung pada prosesnya, terutama untuk mengendalikan kecepatan pendinginan. Umumnya, annealing memiliki kecepatan pendinginan paling lambat, normalisasi memiliki kecepatan pendinginan yang lebih cepat, dan quenching memiliki kecepatan pendinginan yang lebih cepat lagi. Namun, ada persyaratan yang berbeda untuk berbagai jenis baja. Misalnya, baja yang dikeraskan dengan udara dapat dikeraskan pada kecepatan pendinginan yang sama dengan normalisasi.
Proses perlakuan panas logam secara garis besar dapat dibagi menjadi perlakuan panas menyeluruh, perlakuan panas permukaan, perlakuan panas lokal, dan perlakuan panas kimia. Berdasarkan media pemanas, suhu pemanasan, dan metode pendinginan yang berbeda, setiap kategori utama dapat dibagi menjadi beberapa proses perlakuan panas yang berbeda. Logam yang sama dapat memperoleh struktur yang berbeda dan dengan demikian memiliki sifat yang berbeda dengan menggunakan proses perlakuan panas yang berbeda. Baja merupakan logam yang paling banyak digunakan dalam industri, dan struktur mikronya juga merupakan yang paling rumit, sehingga terdapat banyak jenis proses perlakuan panas baja.
Perlakuan panas menyeluruh adalah proses perlakuan panas logam yang memanaskan benda kerja secara menyeluruh dan kemudian mendinginkannya pada tingkat yang sesuai untuk mengubah sifat mekanisnya secara menyeluruh. Ada empat proses dasar untuk perlakuan panas menyeluruh baja: annealing, normalizing, quenching, dan tempering.
Anil adalah memanaskan benda kerja hingga suhu yang sesuai, menggunakan waktu penahanan yang berbeda sesuai dengan material dan ukuran benda kerja, lalu mendinginkannya secara perlahan. Tujuannya adalah agar struktur internal logam mencapai atau mendekati keadaan setimbang, memperoleh kinerja proses dan kinerja penggunaan yang baik, atau menyiapkan struktur untuk pendinginan lebih lanjut. Normalisasi adalah memanaskan benda kerja hingga suhu yang sesuai lalu mendinginkannya di udara. Efek normalisasi mirip dengan anil, tetapi struktur yang diperoleh lebih halus. Ini sering digunakan untuk meningkatkan kinerja pemotongan material, dan terkadang digunakan sebagai perlakuan panas akhir untuk beberapa bagian dengan persyaratan rendah.
Pendinginan adalah memanaskan dan menjaga benda kerja tetap hangat, lalu mendinginkannya dengan cepat dalam media pendinginan seperti air, minyak atau garam anorganik lainnya, larutan organik berair, dll. Setelah pendinginan, baja menjadi keras, tetapi juga getas. Untuk mengurangi kerapuhan bagian baja, bagian baja yang didinginkan dijaga tetap hangat untuk waktu yang lama pada suhu yang sesuai di atas suhu ruangan dan di bawah 710 derajat, lalu didinginkan. Proses ini disebut tempering. Anil, normalisasi, pendinginan, dan tempering adalah "empat api" dalam keseluruhan perlakuan panas. Di antara semuanya, pendinginan dan tempering terkait erat dan sering digunakan dalam kombinasi. Keduanya sangat diperlukan.
"Empat api" telah berevolusi menjadi berbagai proses perlakuan panas dengan suhu pemanasan dan metode pendinginan yang berbeda. Untuk memperoleh kekuatan dan ketangguhan tertentu, proses menggabungkan pendinginan dan tempering suhu tinggi disebut pendinginan dan tempering. Setelah beberapa paduan didinginkan untuk membentuk larutan padat jenuh, mereka disimpan pada suhu kamar atau suhu yang sedikit lebih tinggi untuk waktu yang lama untuk meningkatkan kekerasan, kekuatan, atau sifat listrik dan magnetik dari paduan tersebut. Proses perlakuan panas seperti itu disebut perlakuan penuaan. Metode menggabungkan deformasi pemrosesan tekanan dengan perlakuan panas secara efektif dan erat untuk membuat benda kerja memperoleh kombinasi kekuatan dan ketangguhan yang baik disebut perlakuan panas deformasi; perlakuan panas dalam atmosfer tekanan negatif atau vakum disebut perlakuan panas vakum, yang tidak hanya dapat mencegah benda kerja dari oksidasi dan dekarburisasi, menjaga permukaan benda kerja tetap halus setelah perlakuan, dan meningkatkan kinerja benda kerja, tetapi juga melewati infiltran untuk perlakuan panas kimia.
Perlakuan panas permukaan merupakan suatu proses perlakuan panas logam yang hanya memanaskan permukaan benda kerja untuk mengubah sifat mekanik permukaannya. Agar dapat memanaskan hanya permukaan benda kerja tanpa terlalu banyak panas yang disalurkan ke bagian dalam benda kerja, maka sumber panas yang digunakan harus memiliki kerapatan energi yang tinggi, yaitu memberikan sejumlah besar energi panas per satuan luas benda kerja, sehingga permukaan atau bagian lokal benda kerja dapat mencapai suhu tinggi dalam waktu singkat atau seketika. Metode utama perlakuan panas permukaan adalah perlakuan panas laser, pendinginan api, dan perlakuan panas pemanasan induksi. Sumber panas yang umum digunakan meliputi api seperti oksiasetilena atau oksipropana, arus induksi, laser, dan berkas elektron.
Perlakuan panas kimia adalah proses perlakuan panas logam yang mengubah komposisi kimia, organisasi, dan sifat permukaan benda kerja. Perbedaan antara perlakuan panas kimia dan perlakuan panas permukaan adalah bahwa perlakuan panas permukaan mengubah komposisi kimia permukaan benda kerja. Perlakuan panas kimia adalah memanaskan benda kerja dalam media (gas, cair, padat) yang mengandung karbon, nitrogen, atau elemen paduan lainnya, dan menjaganya tetap hangat untuk waktu yang lama, sehingga permukaan benda kerja dapat diinfiltrasi dengan elemen-elemen seperti karbon, nitrogen, boron, dan kromium. Setelah elemen-elemen diinfiltrasi, proses perlakuan panas lainnya seperti pendinginan dan temper terkadang diperlukan. Metode utama perlakuan panas kimia adalah karburisasi, nitriding, metalisasi, dan infiltrasi komposit.
Perlakuan panas merupakan salah satu proses penting dalam proses pembuatan komponen mekanis, perkakas, dan cetakan. Secara umum, perlakuan panas dapat menjamin dan meningkatkan berbagai sifat benda kerja, seperti ketahanan aus dan ketahanan korosi. Perlakuan panas juga dapat meningkatkan organisasi dan kondisi tegangan benda kerja untuk memfasilitasi berbagai pemrosesan dingin dan panas.
Misalnya, besi cor putih dapat diperoleh melalui anil jangka panjang untuk memperoleh besi cor lunak dan meningkatkan plastisitas; roda gigi dapat digunakan dengan proses perlakuan panas yang benar. Masa pakainya dapat berlipat ganda atau puluhan kali lebih lama daripada roda gigi yang belum mengalami perlakuan panas; selain itu, baja karbon murah memiliki beberapa sifat baja paduan yang mahal dengan menyusupkan elemen paduan tertentu, yang dapat menggantikan beberapa baja tahan panas dan baja tahan karat; hampir semua perkakas dan cetakan perlu mengalami perlakuan panas sebelum dapat digunakan.
3. Klasifikasi Baja
Baja merupakan paduan dengan besi dan karbon sebagai komponen utamanya, dan kandungan karbonnya umumnya kurang dari 2,11%. Baja merupakan material logam yang sangat penting dalam konstruksi ekonomi. Baja dibagi menjadi dua kategori menurut komposisi kimianya: baja karbon (disingkat baja karbon) dan baja paduan. Baja karbon merupakan paduan yang diperoleh dengan melebur besi kasar. Selain besi dan karbon sebagai komponen utamanya, baja karbon juga mengandung sejumlah kecil pengotor seperti mangan, silikon, sulfur, dan fosfor. Baja karbon memiliki sifat mekanik tertentu, kinerja proses yang baik, dan harga yang murah. Oleh karena itu, baja karbon telah banyak digunakan. Namun, dengan pesatnya perkembangan industri modern dan ilmu pengetahuan serta teknologi, kinerja baja karbon tidak lagi dapat sepenuhnya memenuhi kebutuhan, sehingga orang telah mengembangkan berbagai baja paduan. Baja paduan merupakan paduan multi-elemen yang diperoleh dengan sengaja menambahkan elemen tertentu (disebut elemen paduan) ke baja karbon. Dibandingkan dengan baja karbon, kinerja baja paduan telah ditingkatkan secara signifikan, sehingga penerapannya menjadi semakin luas.
