6.2 RAWATAN HABAPengenalan

Produk logam kejuruteraan dihasilkan dengan pelbagai cara antaranya kerja penyambungan , kerja pemotongan ,kerja tuangan dan kerja tekan. Dalam proses pembuatan, produk yang dihasilkan kadangkala mengalami tegasan dalaman. Tegasan ini perlu dihilangkan daripada struktur mikro logam untuk meningkatkan kualiti dan ketahanan produk yang memerlukan tahap kekerasan tertentu untuk memenuhi fungsinya. Ada yang memerlukan pengubahan sifat mekaniknya, seperti kemuluran dan ketempaan untuk meningkatkan proses pembuatan seterusnya.Justeru proses rawatan haba diperlukan pada sesetengah produk untuk melengkapkan produk tersebut dengan ciri-ciri kegunaannya.

Jenis-jenis proses rawatan haba yang boleh dilakukan ke atas keluli karbon ialah :-

i. Sepuh lindap ( annealing ).ii. Sepuh lazim atau penormalan ( normalising ).

iii. Pengerasan ( hardening ).iv. Pembajaan ( tempering ).v. Perubahan atau penjelmaan sesuhu (isothermal transformations) yang

dilakukan pada "suhu yang tetap" dalam masa yang diperuntukkan. Proses ini biasanya bagi keluli aloi.

Dalam proses rawatan haba terhadap keluli karbon biasa, beberapa pusingan haba di kenakan terhadap keluli tersebut iaitu :-

i. Dipanaskan secara perlahan-lahan sehingga suhu yang ditetapkan iaitu bergantung kepada kandungan karbon.

ii. kemudiannya direndamkan atau dibiarkan pada suhu itu dalam jangkamasa yang tertentu bergantung kepada saiz komponen yang dirawat-haba.

iii. disejukkan dalam media yang dikhaskan dengan kadar yang tertentu.

Langkah-langkah tersebut merupakan satu pusingan rawatan haba dan biasanya kadar penyejukanlah yang menentukan struktur muktamad dan sifat-sifat keluli yang dihasilkan dengan syarat pemanasan yang dilakukan adalah secara perlahan dan keluli itu telah mencapai keseimbangan struktur pada suhu yang ditetapkan dalam proses tersebut.

Proses Rawatan Haba

TakfifanRawatan haba ialah satu proses pemanasan logam ke suatu tahap suhu yang tertentu dan diikuti dengan proses penyejukan dengan kadar tertentu ini boleh ditunjukan melalui Gambarajah

Tujuan

Proses ini bertujuan untuk mengubah sifat mekanik logam seperti kekerasan, kekuatan dan sebagainya. Perubahan sifat mekanik ini adalah hasil daripada proses perubahan struktur mikro logam tersebut terutamanya keluli.

Berdasarkan Gambarajah didapati beberapa proses boleh dilakukan ke atas keluli karbon dan pros tersebut berkait rapat dengan suhu bagi menghasilkan sifat-sifat yang dikehendaki. Rawatan haba bagi menghasilkan keadaan struktur yang seimbang seperti Sepuh Lindap (Annealing) dan Sepuh Lazim (Normalising) boleh dilakukan. Manakala untuk menghasilkan keadaan struktur

Rajah Fasa Rawatan Haba Bagi Keluli

Pemanasan ke suhu tertenturendaman(soaking) secukup masa dan membiarkan perubahan berlakupenyejukan dengan kadar tertentu

yang tidak seimbang proses yang boleh dilakukan seperti Kuenc (Quenching)/Pengerasan dan Pembajaan (Tempering).

Sepuh Lindap (Annealing )

Takrifan Pemanasan keluli kepada suhu yang melebihi suhu kritikal atas dan diikuti dengan proses

penyejukan yang perlahan dalam ketuhar

.Sepuh lindap biasanya dilakukan ke atas kepingan logam atau komponen-komponen yang telah dikerja-sejuk, tempaan dan tuangan dan bertujuan:

1. melembutkan keluli dan memperbaikkan lagi kebolehmesinannya (machinebility).

2. menghapuskan tegasan dalaman yang dihasilkan dari rawatan terdahulu seperti gelekan (rolling), tempaan (forging) dan penyejukan yang tidak seragam.

3. menghaluskan bijian-bijian yang kasar.

Langkah pengendalian Sepuh Lindap terdiri dari:

S epuh Lindap Penuh (Full Annealing)

Tujuan proses ini ialah untuk menghapuskan keterikan yang dihasilkan dari proses tempaan dan tuangan, memperbaiki kebolehmesinan (machinability), melembut dan menghaluskan struktur hablurnya.

Sepuh lindap penuh melibatkan pemanasan dan rendaman (biasanya 2 jam) bergantung kepada tebal komponen dan diikuti dengan penyejukan yang amat perlahan. Proses penyejukan dilakukan dalam relau.

Untuk keluli yang mengandungi kurang daripada 0.83 %C, pemanasan suhu 25-50 oC di atas garis kritikal atas bagi keluli yang berkarbon tinggi ( > 0.83% C ), suhunya ialah 50 oC di atas garis kritikal bawah. Bentuk struktur mikro boleh dilihat pada Gambarajah

Sepuh Lindap Proses/Sub Kritikal Dilakukan ke atas keluli berkarbon rendah ( kurang daripada 0.83 %C ). Pemanasan

dilakukan pada suhu 650 - 700 oC selama beberapa jam untuk melembutkan keluli. Rawatan ini biasanya dilakukan ke atas aloi yang mengalami ketegasan-ketegasan teruk setelah dikerja-sejuk bagi mengembalikan kemulurannya supaya kerja-kerja sejuk yang selanjutnya dapat diteruskan. Bentuk struktur mikro pada Gambarajah 8.5.

Struktur Mikro 0.4% C . x 500 selepas Proses Sepuh Lindap Penuh

Struktur Mikro 0.15% karbon selepas Sepuh Lindap Sub Kritikal 400C

Sepuh Lindap Pengsferaan (Spheroidising)

Lebih kurang serupa dengan sepuh lindap penuh tetapi untuk keluli berkarbon tinggi ( > 0.83 %C ).

Pemanasan dijalankan pada suhu 650 -700oC. Sepuh lindap yang dipanjangkan masanya boleh menambahkan kemuluran dan

mengurangkan kekuatan disebabkan oleh perubahan bentuk sementit di dalam lapisan pearlit menjadi sfera (bola). Bentuk struktur mikro boleh dilihat pada Gambarajah 8.6.

Sepuh Lazim/Pernormalan (Normalising)

Hampir sama dengan proses sepuh lindap kecuali proses penyejukannya dilakukan di udara.

TujuanMenghasilkan hablur yang halus bagi memperbaiki sifat-sifat mekanikal seperti kemuluran dan keliatan.

Sepuh lazim sama seperti sepuh lindap penuh tetapi penyejukan dilakukan dalam udara yang tetap, dan pemanasannya pula dilakukan pada 50oC di atas garis kritikal atas untuk semua kandungan karbon.

Struktur Mikro 0.6% karbon selepas Sepuh Lindap Pengsferaan

Struktur dan sifat yang dihasilkan berubah-ubah menurut tebal logam yang dirawati. Maka adalah penting suhu dan masa dikawal/dihadkan untuk mengelakkan pertumbuhan hablur kerana hablur halus perlu diperolehi. Biasanya ini merupakan proses rawatan haba yang terakhir sebab selepas proses sepuh lazim, keluli yang diperolehi adalah lebih kuat dari sepuh lindap penuh disebabkan strukturnya yang lebih halus. Tegasan, kekuatan tegangan, titik alah dan nilai tenaga hentaman (impact) adalah lebih tinggi dari yang didapati melalui sepuh lindap penuh. Bentuk struktur mikro boleh dilihat pada Gambaraj

Kuenc (Lindap-Kejut) - Proses Pengerasan

Pengerasan Proses pemanasan sehingga suhu kritikal atas dan kemudian diikuti dengan proses penyejukan pada kadar yang pantas.

Dilakukan dalam Air garam, Air sejuk (paip), Larutan garam, Larutan air dan minyak Minyak, atau Udara Termampat mengikut keberkesanannya.

Apabila keluli ( < 0.83 %C ) dipanaskan 10 oC di atas titik kritikal atas dan di atas garis kritikal bawah bagi keluli (> 0.83 %C ), semua ferit akan berubah menjadi austenit sebelum dilindapkejutkan di dalam media kuenc.

Penerangan

Struktur Mikro 0.45% karbon selepas Sepuh Lazim/Penomalan

Apabila keluli mengalami proses penyejukan yang cepat, austenit tidak sempat berubah menjadi pearlit tetapi menghasilkan satu larutan pepejal celahan yang mempunyai kesisi 'body-centred-tetragonal' di mana atom-atom karbon terperangkap di dalamnya. Struktur yang terhasil ini dinamakan martensit. Oleh sebab kekisinya terterik dan diherot, strukturnya berbentuk seperti jarum. Ia mempunyai sifat mekanikal yang sangat keras dan rapuh. Sifat-sifat ini bergantung kepada kandungan karbon, suhu pemanasan, tempoh pemanasan, suhu permulaan penyejukan dan kadar penyejukan.

Untuk memastikan terhasilnya struktur martensit (untuk pengerasan) Gambarajah proses penyejukan (kuenc) terhadap keluli mestilah melebihi "kadar penyejukan kritikal". Kadar ini adalah kadar terendah sekali untuk mendapatkan satu struktur martensit keseluruhannya bila lindapkejutkan dijalankan. Jika sesuatu kadar yang lebih kecil daripada ini di gunakan dalam penyejukan, sedikit pearlit halus akan terbentuk.

Pertimbangan Proses Kuenc

Dalam praktik, faktor-faktor seperti kandungan, saiz dan bentuk sesuatu komponen menentukan kadar penyejukan yang sesuai. Bahagian-bahagian besar dan tebal menyejuk lebih perlahan daripada bahagian-bahagian yang kecil dan nipis, maka permukaan kulit komponen akan terhasil martensit tetapi terasnya mungkin jadi bainitik (struktur terhasil dengan kadar penyejukan sedikit rendah daripada menghasil martensit). Walaubagaimanapun, percampuran sedikit unsur aloi seperti Nikel, Kromium atau Mangan (Mn) boleh menambah ketebalan lapisan martensite yang dihasilkan pada kulit bendakerja.

Unsur-unsur aloi ini dapat menambah kedalaman kekerasan (depth of hardening). Kejadian ini merupakan satu ciri yang penting dalam pengerasan keluli aloi supaya ia dapat dilakukan dengan proses lindap-kejut (kuenc) yang kurang deras dan bertujuan untuk

Struktur Mikro 0.45% karbon selepas Sepuh Lazim/Penomalan

mengelakkan terjadinya retak-kuenc (Quench-cracks) dan juga bentuk herotan yang selalu ditemui dalam lindap-kejut dengan air sejuk. Rekabentuk juga mempengaruhi keadaan retak-kuenc. Perubahan mengejut dalam keratan, penjuru tajam, lurah, 'notches', dan lubang empatsegi boleh mendatangkan kecacatan retak-kuenc.

Untuk memperkecilkan lagi risiko herotan, bentuk selinder yang panjang harus dilindapkejut secara tegak. Keratan besar secara pinggiran dan keratan tebal mesti masuk ke dalam kukusan dahulu. Untuk mengelakkan pembentukan kecacatan `soft-spots' yang disebabkan oleh adanya gelembong wap, kukusan air itu harus dikacau dan digoncang.

Larutan Caustic Soda digunakan untuk mendapatkan kekerasan yang melampau. Bagi bentuk yang kompleks, kegunaan minyak sebagai media penyejukan akan memberi hasil/keputusan yang lebih baik. Minyak itu terdiri dari minyak galian, minyak haiwan dan minyak sayuran.

Di samping kadar peniskalaan haba (heat abstraction ), takat kilat (flash point),

kelikatan (viscoscity), dan kesetabilan minyak adalah penting juga dalam mempertimbangkan pemilihan dan penggunaan sesutu media (minyak) penyejukan. Takat kilat perlu diketahui untuk mencegah risiko kebakaran dan pencemaran minyak akibat pengoksidaan atau tindakbalas kimia.

Pembajaan (Tempering)

Tujuanuntuk melegakan keterikan dalaman yang terhasil dari pengerasan kuenc , sambil memperbaiki keliatan dan kemulurannya tetapi mengurangkan kekerasan dan kekuatannya.

Proses pemanasan dilakukan sehingga ke suhu pembajaan dan suhu dikekalkan

Pembajaan melibatkan pemanasan semula keluli ke suhu di bawah garisan kritikal bawah dan menyebabkan perubahan rupabentuk martensit yang terhasil selepas kuenc menjadi struktur yang lebih lembut tetapi liat. Lebih tinggi suhu pembajaan digunakan, lebih hampir struktur itu menjadi struktur pearlit yang stabil dan bahan itu menjadi lebih lembut dan liat.

dilakukan selepas sahaja selesai kuenc supaya tidak terjadi retak kuenc.

Struktur menjadi TROOSTITE yang bentuknya berpepasir (granular) - satu campuran ferit halus dan sementit berwarna hitam bila dipunarkan. Jika suhu pembajaan pada 400-600 oC, struktur SORBITE akan terhasil. Kedua-dua struktur ini sebenarnya serupa dalam bentuk asalnya dan hanya berbeza dari segi saiz bijianya, dan dikenali juga sebagai Martensit Terbaja (Tempered Martensite) seperti yang ditunjukan dalam Gambarajah 8.9.

Suhu pembajaan perlu dikawal rapi untuk mendapat hasil yang baik. Suhu pembajaan maksima (yang dibenarkan) tidak boleh melampaui garisan kritikal bawah bagi mengelakkan dari berlakunya mendakan sementit yang membawa kesan rapuh (embrittlement).

Suhu melebihi garisan kritikal bawah juga membenarkan pertumbuhan bijian menjadi bertambah kasar yang akan menjejaskan kekuatan. Suhu yang disyorkan :

Struktur Martensit Terbaja pada suhu 600C

Suhu pembajaan (oC) Penggunaan220 mata gergaji240 mata gerudi, mata kisar250 acuan, penebuk280 pahat

Pengerasan Permukaan (Surface Hardening)

Keliatan sesuatu bahan akan berkurangan bila bertambahnya kekerasan dan kekuatanya.

Terdapat banyak syarat-syarat servis di mana memerlukan satu bahan yang liat serta mempunyai kekerasan yang tinggi di permukaanya.Contoh: Komponen keluli seperti giar, aci dan sesondol.

Penyelesaian masalah dgn membentuk satu lapisan yang mempunyai kekerasan yang tinggi pada permukaan tetapi liat pada terasnya (di dalam). Proses pembentukan lapisan permukaan yang keras ini dikenali sebagai Pengerasan Permukaan dan ia boleh dilakukan dengan beberapa cara.

Pengerasan selongsong (case hardening)

Takrifanmerupakan salah satu cara yang digunakan untuk menghasilkan satu permukaan yang keras atas keluli yang mulur.

PeneranganProses ini menambahkan kandungan karbon ke dalam permukaan sesuatu keluli lembut, dan seterusnya menghasilkan dengan berkesan satu rencaman (composite) yang terdiri daripada keluli berkarbon rendah dengan kulit nipis yang berkarbon tinggi (dalamnya 0.5-0.7mm). Atom-atom karbon diresap ke dalam besi pada suhu melebihi 910oC. Ketebalan selongsong karbon yang dihasilkan adalah bergantung kepada masa dan suhu pengkarbonan. Bahagian-bahagian yang tidak dikeraskan disalut dengan kuprum atau abestos.

Dua cara utama digunakan;

a) penyusuk karbon bungkus (pack carburizing) b) penyusuk karbon gas (gas carburizing)

Dalam penyusuk karbon bungkus , komponen - komponen hendak dirawat akan dipanaskan ke suhu atas Garis Kritikal Atas dan bersentuh dengan bahan karbon seperti kayu, kayu arang, atau barium carbonate dalam bekas besi tuangan. Dalam penyusukkarbon gas, komponen-komponen dipanaskan ke suhu atas Garis Kritikal Atas dalam satu relau yang dipenuhi dengan methane atau gas-gas campuran hidrocarbon.

Rawatan Selepas Penyusukkarbon

Keluli yang telah melalui proses penyusuk-karbon tidaklah keras yang disangkakan. Apa yang terjadi hanyalah penambahan kandungan karbon pada bahagian luar (kulit) komponen tersebut dan pada bahagian dalamnya (teras) pula adalah seperti disepuh lindap penuh dengan struktur bijian yang kasar. Rawatan haba selanjutnya perlu dijalankan bagi mengeraskan kulit/selongsong dan seterusnya menghaluskan bijian supaya keliatan dan kekuatan yang sempurna diperolehi. Merujuk kepada rajah di atas, proses yang dijalankan ialah:

1. penghalusan (bijian) teras (core refining)2. pengerasan permukaan/kulit (case hardening)3. pembajaan permukaan (case tempering)

Katakan keluli yang mengandungi 0.1 %C telah mengalami proses penyusuk-karbon dan didapati pada kandungan karbon pada permukaan/kulit ialah 1% dan pada bahagian teras (dalam) ialah 0.3%.

Penghalusan Teras

Jika kandungan karbon pada terasnya kurang daripada 0.3%, suhu sepuh lindap yang sesuai ialah 8700C. Setelah memanaskan komponen itu pada suhu tadi, ianya dilindapkejutkan dengan air bagi memastikan struktur bijian yang halus diperolehi dengan itu keliatan yang sesuai dihasilkan. Suhu 870oC adalah sesuai untuk teras, tetapi tidak sesuai untuk kulit. (rujuk Gambarajah 8.3 )

Pengerasan Permukaan/Kulit

Kandungan karbon pada kulit adalah 1.0% maka suhu yang sesuai untuk proses pengerasan ialah 760oC. Komponen tadi dipanaskan semula ke suhu 760oC dan kemudiannya dilindapkejutkan. Suhu ini tidak sesuai bagi pertumbuhan hablur pada teras, tetapi pemanasan di antara 650-750oC hendaklah dipercepatkan dan rendaman pada suhu ini haruslah dielakkan.

Pembajaan Permukaan

Pembajaan permukaan dilakukan pada suhu 200oC untuk melegakan tegasan dalaman yang dihasilkan semasa melindapkejutkan komponen itu.

Penitridaan (Nitriding )

Tujuan untuk memberikan satu salutan yang keras dan boleh merintang kehausan kepada komponen yang dibuat daripada keluli aloi.

PeneranganNitrogen diresapkan ke dalam permukaan logam untuk membentuk nitrid. Kejadian ini dicapai dengan memanaskan komponen dalam atmosfera gas ammonia pada suhu 500 - 600 oC melebihi 40 jam. Pada suhu ini, ammonia akan berpecah dan atom nitrogen diresap dengan cepat ke dalam keluli. Permukaan yang tidak dikeraskan ditutup dengan saduran nikel. Proses ini tidak sesuai untuk keluli karbon biasa sebab nitrid besi yang dihasilkan adalah kurang stabil dan sangat rapuh. Keluli aloi yang biasa digunakan ialah keluli yang mengandungi kromium dan

aluminium. Nitrid yang dihasilkan adalah lebih stabil dan kuat daripada nitrid besi. Keluli aloi yang digunakan juga mengandungi sedikit molibdenum (Mo) bagi mempertingkatkan lagi keliatan pada teras komponen. Keluli yang selalu digunakan mengandungi peratus elemen aloi seperti 3% Cr, 0.5% Mo, dan 1.5% Cr, 1% Al, 0.25% Mo.Contoh-contoh komponen yang dinitridkan ialah blok acuan, aci pam, acuan percetakan, gandar dan gelendong brek (brake drum).

Antara kelebihan-kelebihanya ialah:

i. Retakan dan erotan dapat dihapuskan sebab tiada proses kuenc terlibat.

ii. Rintangan hakisan bertambah.iii. Kekerasan yang dihasil boleh dikekalkan sehingga suhu

500oC berbanding 220oC yang dikeraskan dengan cara pengerasan selongsong.

iv. Nilai kekerasan komponen dapat ditingkatkan sehingga 1100 HV.

v. Proses ini adalah sesuai untuk merawat bilangan komponen yang banyak supaya kos pemprosesan boleh diturunkan.

Kelemahan-kelemahannya ialah:

i) Kos kapital bagi loji adalah tinggi.ii) Keluli aloi yang diperlukan dalam proses ini mempunyai kos yang tinggi.iii) Proses ini mengambil masa yang lama dan memerlukan

kawalan yang rapi. Sebagai contoh, untuk ketebalan 0.2mm, rendaman pada suhu 500oC dijalankan selama 36 jam.