Heat Treatment Annealing

Yang dimaksud dengan Annealing adalah sebuah proses perlakuan panas yang digunakan untuk meniadakan pengaruh dari cold work, dan juga berfungsi untuk membuat material menjadi lebih lunak dan meningkatkan ductility. Secara umum, proses annealing dibagi menjadi 3 tahap, antara lain.

1. Pemanasan ( peningkatan temperatur ) hingga temperatur yang diinginkan

2. Penahanan pada temperatur tersebut (Holding Process)

3. Pendinginan ( Penurunan temperatur ) biasanya menuju temperatur ruang.

Pada baja, annealing juga bertujuan untuk memperbaiki sifat mekanis dan juga menstabilkan dimensi. Ada banyak jenis – jenis  annealing yang mempunyai tujuan yang berbeda – beda sesuai dengan hasil yang diinginkan. Dibawah ini adalah jenis – jenis annealing :

• Normalizing : Merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih keras dan kuat dari hasil anneal. Secara teknis prosesnya hampir sama dengan annealing, yakni biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 50 Derajat Celcius diatas garis Acm). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan pada udara. Pendinginan ini lebih cepat daripada pendinginan pada annealing.
• Full annealing : Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki machinibility. Pada proses full annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A1). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat (biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat penyekat panas yang baik). Perlu diketahui bahwa selama pemanasan dibawah temperature kritis garis A1 maka belum terjadi perubahan struktur mikro. Perubahan baru mulai terjadi bila temperature pemanasan mencapai garis atau temperature A1 (butir-butir Kristal pearlite bertransformasi menjadi austenite yang halus). Pada baja hypoeutectoid bila pemanasan dilanjutkan ke temperature yang lebih tinggi maka butir kristalnya mulai bertransformasi menjadi sejumlah Kristal austenite yang halus, sedang butir Kristal austenite yang sudah ada (yang berasal dari pearlite) hampir tidak tumbuh. Perubahan ini selesai setelah menyentuh garis A3 (temperature kritis A3). Pada temperature ini butir kristal austenite masih halus sekali dan tidak homogen. Dengan menaikan temperature sedikit diatas temperature kritis A3 (garis A3) dan memberI waktu penahanan (holding time) seperlunya maka akan diperoleh austenite yang lebih homogen dengan butiran kristal yang juga masih halus sehingga bila nantinya didinginkan dengan lambat akan menghasilkan butir-butir Kristal ferrite dan pearlite yang halus. Baja yang dalam proses pengerjaannya mengalami pemanasan sampai temperature yang terlalu tinggi ataupun waktu tahan (holding time) terlalu lama biasanya butiran kristal austenitenya akan terlalu kasar dan bila didinginkan dengan lambat akan menghasilkan ferrit atau pearlite yang kasar sehingga sifat mekaniknya juga kurang baik (akan lebih getas). Untuk baja hypereutectoid, annealing merupakan persiapan untuk proses selanjutnya dan tidak merupakan proses akhir.
• Spheroidizing : Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan struktur carbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks ferrite. Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki machinibility pada baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja hypereutectoid yang dianneal itu mempunyai struktur yang terdiri dari pearlite yang terbungkus oleh jaringan cemented. Adanya jaringan cemented(cemented network) ini meyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibility rendah. Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus dihancurkan dengan proses spheroidizing. Spheroidizing ini dilaksanakan dengan melakukan pemanasan sampai disekitar temperature kritis A1 ( ~723ºC) bawah atau sedikit dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam waktu yang lama (sekitar 24 jam) baru kemudian didinginkan. Karena berada pada temperature yang tinggi dalam waktu yang lama maka cemented yang tadinya berbentuk plat atau lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere) yang disebut denganspheroidite yang tersebar dalam matriks ferrite.
• Stress-relief annealing : Merupakan proses perlakuan panas s/d dibawah temperatur kritis 550-650 ºC baja karbon dan paduan rendah, 600-750 ºC baja perkakas. Bertujuan untuk menghilangkan tegangan sisa akibat proses sebelumnya. Perlu diingat bahwa baja dengan kandungan karbon dibawah 0,3% C itu tidak bisa dikeraskan dengan membuat struktur mikronya berupa martensite. Nah, bagaimana caranya agar kekerasannya meningkat tetapi struktur mikronya tidak martensite? Ya, dapat dilakukan dengan pengerjaan dingin (cold working) tetapi perlu diingat bahwa efek dari cold working ini akan timbul yang namanya tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress relief Annealing.
• Recrystallisation annealing : Pemanasan s/d temperatur 600 ºC dibawah temperatur kritis. Bertujuan untuk membentuk butir poligon yang bebas tegangan dan mempunyai keuletan serta sifat konduktivitas baik. Dilakukan pada baja setelah deformasi pengerjaan dingin.
• Quench annealing : Dilakukan pada baja jenis austenitk yang di homogenising atau recrystallisation annealing dimana diikuti oleh pendinginan cepat untuk menghindari terbentukya endapan karbida terutama pada batas butir.

Dalam pengerjaan dingin maka akan terjadi perubahan sifat fisik maupun mekanik. Perubahan sifat mekanik misalnya peningkatan kekerasan, tegangan sisa dan kekuatan tarik/luluh dan penurunan elestisitas akibat pengerjaan dingin. Untuk itu logam perlu dipulihkan ke kondisi awal guna mendapatkan  sifat mekanik yang diinginkan dengan cara annealing.  Logam yang mengalami deformasi, mempunyai energi regangan yang tersimpan dalam kisi sehingga kondisinya tidak stabil secara  termodinamik dibandingkan dengan kondisi tanpa deformasi. Untuk menghilangkan  kondisi pengerjaan dingin dilakukan melalui 3 kombinasi proses yaitu pemulihan, rekristalisasi dan pertumbuhan butir.

Selama proses pemulihan terjadi  penurunan energi yang tersimpan dan tahanan listrik. Sedangkan kekuatan tarik/luluh, kekerasan  turun sedikit. Pada tahap pemulihan,   selama annealing akan tersusun kembali dislokasi guna mengurangi energi kisi dan batas butir tidak mengalami migrasi. Salah satu  proses  pemulihan terpenting adalah penyusunan kembali dislokasi sehingga terjadi penurunan energi regangan kisi yang disebut poligonisasi.

Proses rekristalisasi akan mengubah sifat struktur kisi yang terdeformasi diganti oleh kisi baru tanpa regangan melalui proses nukleasi dan pertumbuhan. Butir tumbuh dari inti yang terbentuk di matriks yang terdeformasi. Besarnya laju kristalisasi  tergantung jumlah deformasi sebelumnya, temperatur  annealing dan kemurnian bahan.

Pertumbuhan butir terjadi pada saat kristalisasi primer terhenti (kristal yang tumbuh telah ”menelan” semua bahan yang mengalami regangan. Pada saat annealing berlangsung, butir yang kecil menyusust dan yang lebih besar tumbuh. Keadaan ini diseut pertumbuhan butir

Hal ini berarti annealing mempengaruhi sifat mekanis dari baja. Dengan dilakukannya annealing itu menurunkan kekuatan tarik dari sebuah baja. Hal ini terjadi karena dengan adanya annealing maka terjadi penyusunan kembali dislokasi yang sebelumnya dislokasi tersusun secara tidak teratur dengan adanya penyusunan kembali dislokasi berarti membuat material tersebut menjadi kurang kuat. Selain itu, melalui annealing terjadi pertumbuhan butir yang terjadi dalam proses reksristalisasi. Seperti yang sudah dijelaskan bahwa pertumbuhan butir terjadi pada kristalisasi primer terhenti dimana kristal yang tumbuh telah menelan semua bahan yang mengalami regangan dan pada saat annealing butir yang kecil menyusut dan yang lebih besar tumbuh. Apabila butir menjadi lebih besar maka dislokasi semakin mudah bergerak karena tidak banyak yang menghalangi pergerakannya. Apabila dislokasi semakin mudah bergerak maka baja semakin tidak kuat dan kekuatan tariknya menjadi menurun. Hubungan ini juga dapat kita liat melalui persamaan Hall – Patch.

Berdasarkan persamaan diatas kita dapat melihat diameter ukuran butir berbanding terbalik dengan kekuatan tarik/luluh. Jadi, dengan annealing membuat kekuatan tarik baja karbon dan besi tuang menjadi menurun.

sumber : ardilesjeremia.blogspot.com, gregorius.blogdetik.com