Teknik Pemanasan Logam untuk Pengecoran Ferro: Meningkatkan Kekuatan & Ketahanan

Quenching, tempering, normalizing, dan annealing baja

Pemanasan logam adalah langkah penting untuk menjamin properti mekanis cor baja. Melalui pencetakan, penurunan, shakeout, dan pembersihan, cor mengambil bentuk akhirnya—tetapi mungkin tidak cukup kuat atau elastis untuk penggunaan akhirnya. Dengan memanaskan dan mendinginkan logam dengan laju yang berbeda, pabrik cor dapat mengubah properti mekanisnya.

Tetapi bagaimana penerapan panas mengubah kekuatan atau fleksibilitas logam?

Kristalisasi dan properti logam

Saat logam cair pendingin, mereka membeku dalam struktur kristal. Di bawah mikroskop, struktur ini terlihat seperti kristal es yang terbentuk pada kabel dingin musim dingin. Setiap struktur tumbuh dari titik pusat hingga bertemu dengan struktur kristal lain. Struktur ini membentuk “butir” logam.

Sama seperti kondisi musim dingin yang berbeda menciptakan banyak pola es yang berbeda, suhu yang bervariasi mengubah kristal yang membentuk logam. Butir yang mereka ciptakan biasanya tidak terlihat tetapi terungkap saat logam diasam.

Bentuk dan hubungan butir dalam logam menentukan properti mekanisnya. Butir bulat dapat meluncur satu sama lain saat logam dipukul, membuat goresan daripada tetap kuat atau pecah. Butir datar dapat tumpuk bersama dan mendukung satu sama lain seperti bata di dinding; lebih kuat dari butir bulat, tetapi masih dapat digerakkan. Butir bersalah dan bersinterlock mungkin tidak memiliki fleksibilitas sama sekali. Pemanasan logam dapat mengubah kristalisasinya, yang mengubah butirnya, dan oleh karena itu properti logam.

Work-hardening metal

Gambar pande di pabriknya, memukul lembar logam yang menyala, segera dapat dikenali meskipun ini bukan pemandangan umum lagi. Namun, selama sebagian besar sejarah manusia, pande bekerja logam secara mekanis untuk membuatnya lebih kuat. Sekarang, alih-alih dikerjakan secara manual oleh pande besi, baja sering digiling untuk mengeras secara mekanis.

Menggambarkan struktur butir menjelaskan bagaimana work-hardening berfungsi. Butir bulat dalam logam terdeformasi, dan bentuk baru mereka memberikan kekuatan pada logam. Dalam cold-rolling, misalnya, butir bulat ditekan dan meregang untuk menjadi seperti batang. Batang-batang ini mendukung satu sama lain, seperti tongkat dalam ikatan. Pande atau pekerja logam dapat memukul, memutar, memanaskan, mendinginkan, dan meregang objek untuk mengubah bentuk butir. Jika butir tidak memiliki tempat untuk pergi saat dipukul, mereka membentuk matriks yang tidak dapat digerakkan dan tidak elastis yang meningkatkan kekerasan logam.

Namun, kekerasan ini dapat datang dengan biaya: kekuatan dapat membuat material rapuh. Butir yang tidak beraturan tidak mudah meluncur satu sama lain: mereka tersandung. Dampak yang cukup besar—sesuatu yang lebih besar dari kekuatan ikatan antara butir—akan memecah mereka.

Pemanasan logam

Pabrik cor mulai menciptakan properti mekanis baja yang diinginkan dengan memilih logam yang diketahui menghasilkan karakteristik tersebut. Namun, ada sangat sedikit kontrol atas kristalisasi logam saat cor mendingin. Karena kristalisasi menciptakan properti mekanis logam, logam mungkin tidak berperforma secara optimal kecuali jika diproses lebih lanjut. Pabrik cor dapat melakukan ini dengan memanaskan dan mendinginkan logam dengan cara yang terkontrol dan teratur.

Pemanasan logam adalah cara non-destructive untuk mengubah properti material. Ini terkadang merupakan proses sekunder dengan logam yang telah dikerjakan secara mekanis—tetapi adalah pilihan pertama pabrik cor, karena cor sudah dalam bentuk yang benar dan tidak dapat dikerjakan.

Kristalisasi hampir selalu dimulai dari permukaan luar dan bergerak ke dalam, dan—terutama dalam cor besar—ada selisih suhu yang besar antara cangkang cor dan pusatnya. Kristal tumbuh tidak beraturan, biasanya lebih tajam dan kurang lentur di dekat permukaan. Mereka seringkali lebih bulat dan oleh karena itu lebih lembut semakin dalam. Bentuk cor dan cacat atau inklusi dalam logam akan mempengaruhi laju pendinginan, yang mengarah pada zona dalam logam yang memiliki properti mekanis yang berbeda. Perbedaan ini dapat menyebabkan stres internal pada logam, yang dapat menyebabkan kelelahan logam atau kegagalan. Pemanasan logam memungkinkan pabrik cor untuk kembali ke dalam logam dan menyusun ulang kristal yang menyusunnya.

Soaking

Soaking adalah proses yang membentuk dasar untuk semua metode pemanasan logam. Pemanasan logam bergantung pada suhu “recrystallization” logam yang berada di bawah titik lelehnya. Selama recrystallization karbon dibuka untuk menyebar melalui logam, bergerak dari satu bentuk molekular ke bentuk lain tergantung pada panas, persentase karbon, dan waktu. Pergerakan karbon ini mengubah pola kristalisasi logam, dan oleh karena itu membawa properti material yang berbeda. Diagram fase besi-karbon menunjukkan pembentukan austenite, ferrite, pearlite, dan cementite butir pada waktu dan suhu yang berbeda dalam panas. Martensite, struktur butir lain yang ditemukan dalam baja yang dikeras, terbentuk dengan cold-shocking austenite.

Oleh karena itu, soaking adalah proses untuk membawa cor di atas titik recrystallization. Waktu “time at temperature” soaking yang ditentukan untuk pemanasan logam memungkinkan kristal dalam logam untuk mencair dan membentuk ulang. Melihat siklus fase besi-karbon dapat membantu pabrik cor mengetahui berapa lama menahan cor pada suhu untuk memungkinkan difusi karbon tertentu.

Di sebagian besar (tetapi tidak semua) bagian siklus fase besi-karbon, soaking cor atau logam yang dikerjakan akan membuatnya lebih lembut dan kurang rapuh. Saat butir dalam logam tumbuh lebih teratur, mereka lebih bulat dan dapat menyusun ulang saat dampak dengan meluncur satu sama lain. Juga, karena item mencapai suhu yang sama di seluruhnya, kristal biasanya lebih seragam daripada yang ada dalam cor yang baru dicurahkan.

Annealing

Annealing dimulai dengan soaking, dan kemudian dilanjutkan dengan membiarkan baja mendingin sangat perlahan dalam furnace. Pekerja pabrik cor mematikan furnace dan membiarkan penurunan suhu yang halus dan terkontrol. Ada konsistensi termal di seluruh objek baik saat pemanasan maupun pendinginan, yang berarti tidak ada stres internal: tidak ada “zona” logam dengan properti kristalisasi yang berbeda. Logam yang telah di-anneal umumnya sangat lentu, dengan increased ductility, tensile strength, dan elongation. Ukuran butir dengan logam yang di-anneal seringkali sangat besar karena kurva pendinginan yang sangat lambat.

Normalizing

Normalizing logam berarti memanaskannya hingga suhu recrystallization dengan soaking, dan kemudian mengeluarkannya dari furnace dan membiarkannya mendingin di atmosfer. Banyak properti logam yang di-anneal terlihat dalam logam yang dinormalisasi, tetapi karena tidak ada keseragaman pendinginan yang sama, butir cenderung sedikit lebih tidak teratur. Masih, selisih suhu yang jauh lebih kecil daripada yang ditemukan dalam logam membeku berarti produk yang dinormalisasi kurang rapuh.

Laju pendinginan yang ditemukan dalam normalizing menciptakan butir yang lebih kecil dalam logam daripada annealing, yang berarti secara umum, itu akan lebih kuat atau lebih keras daripada logam yang di-anneal.

Quenching

Bagaimana jika tingkat kekerasan yang sangat tinggi diinginkan? Saat membuat alat dan bagian mesin, melembutkan logam mungkin akan mengalahkan tujuannya.

Pemanasan logam dapat memungkinkan kekerasan ditentukan dan konsisten. Untuk menciptakan kekerasan pada baja, pabrik cor mengecor baja hingga austenite menjadi molekul utama dan kemudian melakukan quenching di minyak atau udara pendingin yang lebih dingin. Ketika austenite mengalami cold-shock, ia menciptakan struktur kristal yang sedikit tidak teratur yang disebut martensite. Material ini lebih keras karena distorsi karbon dalam setiap molekul martensite.

Karena quenching terjadi dari luar ke dalam, objek besar dapat mengalami tekanan dari kristalisasi cepat yang mengarah pada tekanan internal dalam logam. Gaya ini kadang-kadang dapat menyebabkan retakan jika quench terlalu ekstrem. Alasan ini, water-quenching tidak sangat umum untuk objek baja besar, karena menyebabkan penurunan suhu yang sangat cepat yang dapat menyebabkan retakan terbentuk. Minyak dan udara pendingin sedikit kurang intens.

Namun, tidak hanya baja yang dilakukan quenching untuk mengeras. Water quenching digunakan di pabrik cor. Logam non-baja mungkin tidak mengalami tekanan internal yang sama karena fase dan struktur molekulnya akan berbeda. Mangan dilakukan water quenching pada suhu yang jauh lebih tinggi dari baja, tanpa retakan. Namun, selisih suhu sangat besar sehingga quenching apa pun berhadapan dengan banyak energi yang dapat salah! Di bawah ini adalah ledakan yang disebabkan oleh inti pasir yang tersisa selama quenching cor baja mangan. Len Cranmore Reliance Foundry, kini Manajer Penjualan kami, tidak terluka dalam ledakan ini, tetapi harus memadamkan api kecil yang dimulai oleh pecahan pasir yang super panas.

Tempering

Menemukan campuran yang tepat antara kekerasan dan ductility juga dapat dicapai melalui proses yang disebut tempering. Tempering sering dilakukan pada baja yang telah di-quench untuk membuatnya kurang rapuh sambil mempertahankan sebagian kekerasan. Dalam tempering, logam dipanaskan ulang lagi, tetapi sekarang pada suhu yang lebih rendah daripada dalam annealing, normalizing, atau quenching.

Martensite bukan molekul yang stabil dalam panas—ia dicapai di bawah kejutan—jadi tempering berarti mendestabilkan martensite untuk membiarkannya mulai berubah menjadi cementite dan ferrite. Rentang suhu dan waktu dalam oven temper akan mempengaruhi seberapa banyak martensite yang diubah dan oleh karena itu seberapa lembut logam menjadi. Misalnya, pegas logam mungkin di-temper pada suhu yang lebih tinggi untuk increased elasticity dibandingkan alat yang di-temper pada suhu yang lebih rendah untuk mempertahankan kekerasan.

Tempering sering digunakan untuk mengurangi stres internal dalam material yang di-quench. Logam yang telah mengalami stres panas lain seperti welding atau blacksmithing dapat di-temper untuk membiarkan molekul di dalamnya untuk sedikit bersantai satu sama lain.

Variasi dalam pemanasan logam

Di pabrik cor, cor biasanya dipanaskan secara seragam. Namun, terkadang sebuah item dapat dipanaskan secara tidak teratur. Pedang baja yang di-temper umumnya di-temper secara bervariasi, sehingga bilahnya memiliki tepi yang keras sementara inti tetap elastis. Pegas terkadang melalui pemanasan diferensial, untuk mencocokkan fungsinya.

Seperti dengan sebagian besar pabrik cor, pemahaman tentang kimia logam berarti waktu, suhu, dan toleransi dapat ditentukan secara ilmiah. Namun, seiring waktu, pekerja pabrik cor mulai mengenal logam yang mereka kerjakan. Seperti ahli masakan yang mengetahui bahan mereka cukup baik untuk tidak memerlukan resep, pekerja pabrik cor yang ahli akan tahu kapan ada yang salah. Logam yang terlalu lama untuk menjadi merah, atau mendingin terlalu cepat, menceritakan cerita molekular pada mata yang berpengalaman—tanpa bantuan peralatan di laboratorium.

Previous Post: Shakeout and Cleaning Metal Casting Process Next Post: Inspection