Mengenal heat treatment dan cryogenic untuk memperkuat dan mengawetkan komponen balap


Disarankan oleh bro Nex, kali penulis akan mencoba membahas teknologi untuk meningkatkan kualitas komponen motor/mobil yang sering diterapkan di dunia balap. Teknologi tersebut adalah heat treatment dan cryogenic.

Proses heat treatment ada bermacam – macam. Sebuah komponen bisa mendapat beberapa macam heat treatment pada tahap pembuatannya. Komponen yang sudah pernah di heat treatment juga bisa perlu di heat treatment lagi bila komponen tersebut misalnya di bubut atau di las.

Berikut beberapa contoh proses heat treatment untuk baja:
Hardening/quenching (memperkeras) – ditujukan untuk memperkuat material dari baja dan membuatnya lebih tahan aus. Baja tersusun dari besi dan karbon. Pada saat terbuat, baja hanya bisa menyerap karbon secara terbatas dan sisanya akan berubah jadi graphite. Ketika baja dipanaskan, baja akan mengeras pada suhu sekitar 1,500° F tergantung pada campurannya dan akan mentransformasi struktur molekul. Transformasi akan terjadi pada titik leleh austenite, dimana pada tahap ini material akan meleleh dan mengalami penyerapan karbon sehingga menjadi satu padatan. Ketika karbon terserap, maka komponen harus didinginkan dengan segera (quenched) untuk bisa memperangkap struktur karbon pada bentuk barunya. Atom yang berusaha kembali ke posisi semula akan menjadi sifat keras dari baja. Ukuran partikel, pola struktur, kekerasan dan kekuatan dari logam akan tergantung pada kecepatan quenching. Makin cepat proses quenching maka ukuran partikel akan makin kecil dan membuat logam lebih keras. Bila hardness dan strength meningkat maka toughness dan ductility akan menurun, menjadi lebih rapuh. Biasanya komponen baja akan di quenched dengan oli atau air, tapi ada juga metode lain seperti dengan larutan garam dan lainnya.

Softening (memperlunak) – proses untuk mengurangi strength atau hardness dari material dan untuk menghilangkan residual stress, untuk bisa meningkatkan toughness, mengembalikan ductility, mengubah ukuran partikel atau mengubah sifat elektromagnet dari material.

Annealing – proses untuk membuat logam lebih lunak sekalian menghasilkan sifat material yang uniform / merata. Dilakukan dengan memanaskan logam sampai temperatur tertentu dan membiarkan material menjadi dingin secara perlahan hingga ke suhu ruangan. Struktur komponen akan lebih rileks dan membuat stress berkurang. Proses full annealing dilakukan dengan mendinginkan perlahan komponen di dalam oven.

Normalizing – proses ini juga memperlunak komponen logam namun berbeda dengan proses full anneal pada proses ini pendinginan dilakukan di udara dalam waktu beberapa jam sampai mencapai suhu ruangan, tanpa perlu dimasukkan di dalam oven. Namun hasil dari tidak sebagus full annealing, jadi sifat logam tidak terlalu uniform / merata namun lebih murah.

Tempering – proses untuk mengurangi rapuh dari baja yang sudah dikuatkan dan untuk menghilangkan internal strain yang disebabkan oleh pendinginan mendadak dari proses quenching bath. Tempering dilakukan pada temperature dibawah suhu transformasi dimana baja dipanaskan dengan berbagai cara dan didinginkan kembali.

 

Komponen dari aluminum membutuhkan perlakuan yang berbeda karena aluminium mudah terannealing, sehingga aluminium tidak boleh terkena panas yang terlalu lama karena bisa resiko melunak / lepas kekerasannya. Pengerasan aluminium punya beberapa tahap dimana T4 lebih lunak tapi punya ductility lebih, sementara T6 atau T7 lebih keras namun lebih rapuh. Proses heat treatment dilakukan dengan misalnya memakai larutan untuk bisa memberi sifat yang diinginkan.

 

Setelah komponen di heat treating, maka agar hasilnya bisa maksimal, komponen juga disarankan untuk diberi perlakuan cryogenic.
Engine Builder Magazine – Performance Connecting Rods

The strength and fatigue resistance of most metals can also be improved by “cryogenic” processing after the rods have been heat treated. Heat treating causes changes in the grain structure of steel that increases strength and hardness, but it can also leave residual stresses that may lead to fatigue failure later on. By freezing parts down to minus 300 degrees below zero in special equipment that uses liquid nitrogen, the residual stresses are relieved. The super cold temperatures also cause additional changes to occur in the metal that help the parts last longer and run cooler. That’s why cryogenic freezing is used on everything from engine parts to tool steels, aerospace hardware and even gun barrels.

Dikatakan bahwa kekuatan dan daya tahan terhadap fatigue (kelelahan) pada kebanyakan logam dapat ditingkatkan dengan proses cryogenic (pembekuan) setelah logam di heat treated (diberi panas). Heat treating menyebabkan perubahan pada stuktur partikel pada logam yang akan meningkatkan kekuatan dan kekerasan, namun juga dapat menyisakan residual stresses (tekanan sisa) yang dapat mengakibatkan terjadinya kerusakan akibat dari fatigue. Dengan membekukan komponen hingga 300 derajat (fahrenheit) pada peralatan yang memanfaatkan nitrogen cair, residual stresses akan dihilangkan. Temperatur yang super dingin juga menyebabkan perubahan tambahan pada logam yang bisa membuat komponen lebih awet dan berjalan lebih dingin. Oleh karena itu pendinginan cryogenic diterapkan pada banyak komponen seperti pada komponen mesin, peralatan baja, perangkat untuk luar angkasa dan bahkan moncong senjata.

 

Jadi proses heat treatment dan cryogenic treatment adalah merupakan dua proses yang saling melengkapi yang hasil akhirnya adalah kualitas dari komponen logam yang meningkat.

Dikatakan bahwa proses cryogenic tidak membuat logam lebih keras namun akan tetap jadi lebih tahan lama. Menurut Ryan Taylor, dari Cryogenics Institute of New England, ada tiga perubahan yang terjadi pada proses crygonic:
-1. Residual stress relief (menghilangkan tekanan yang tertinggal), bila suatu material masih mengalami residual stress (yang bisa dialami logam saat mengalami pencetakan, pemotongan, di las atau dibubut) setelah heat treating, maka proses cryogenic akan juga ikut membantu menghilangkan residual stress. Heat treating akan menghilangkan sebagian besar dari residual stress, namun bisa masih menyisakan hingga 10% residual stress. Proses cryogenic akan membantu menghilangkan residual stress yang tersisa.

-2. Uniformity of the crystalline or micrograin structure of the metal (penyamaan kristalisasi atau struktur partikel mikro pada logam), ketika sebongkah baja atau besi cetakan mengeras, mereka dipanaskan hingga atom besi dan atom karbok membentuk tipe kristal yang disebut austenite. Kristal ini punya bentuk struktur partikel relatif lunak dengan beberapa titik kelemahan. Proses cryogenic membuat austenite berubah menjadi molekul lebih tahan aus, namun lebih mudah pecah yang dinamakan martensite. Martensite mempunyai bentuk kristal lebih merata daripada austenite.

Proses heat treatment yang menggunakan suhu hingga 1,500°F akan mengurangi jumlah austenite dan menyisakan antara 10 hingga 15% austenite di logam. Akan ada ruang kosong dan ketidak sempurnaan di logam. Ketika logam mendapat perlakuan cryogenic, mereka akan berubah menjadi martensite, hingga menyisakan hanya 1% austenite. Ini akan membuat logam lebih kuat, lebih awet tanpa ketidaksempurnaan.

-3. Precipitation of Eta carbides (pembentukan eta carbides), pada logam yang mengalami proses cryogenic dijumpai juga pembentukan eta carbides yang juga bisa meningkatkan sifat anti aus.

 

Proses crygonic treatment dilakukan sebagai berikut: blok mesin, piston, crankshaft atau komponen lain ditempatkan dalam ruang cryogenic treatment. Ruang tersebut di isolasi dan temperatur kemudian diturunkan secara perlahan, satu derajat fahrenheit per menit, hingga suhu kemudian mencapai -320° F yang bisa dicapai dengan menggunakan nitrogen cair. Kondisi beku sangat dingin ini dipertahankan selama beberapa waktu lalu temperatur dinaikkan lagi secara hati hati dan perlahan. Material ada yang membutuhkan adanya siklus heat tempering sehingga untuk material tersebut temperature dinaikkan lebih tinggi lagi dan lalu dikembalikan ke suhu ruangan. Pada saat suhu komponen turun dan menjadi sama dengan suhu ruangan, maka struktur mikro yang diinginkan akan terbentuk. Siklus ini dilakukan berulang ulang sesuai kebutuhan.

Pada proses crygenic fungsi kontrol berperan sangat penting. Ruang cryogenic yang di kontrol komputer harus tetap tertutup selama siklus. Untuk bisa memberikan treatment cryogenic yang sempurna bisa diperlukan beberapa jam sampai beberapa hari, sehingga dipastikan komponen yang mendapat treatment akan lebih kuat dan strukturnya lebih stabil.

Menurut Dan Gathman dari Elgin Industries, proses cryogenic bisa membenahi kesalahan yang terjadi pada proses heat treating. Kunci yang penting dari proses hear treating adalah pada saat proses pendinginan. Beberapa baja kekuatan tinggi membutuhkan kontrol atmosfir yang sensitif selama proses. Bila misalkan setelan atmosfir terlalu banyak maka pengerasan komponen di suhu ruangan menjadi tidak sempurna.

 

Proses cryogenic dapat dilakukan bersamaan untuk banyak komponen sekaligus, walau misalkan bentuk atau ukurannya berbeda beda. Namun waktu treatment harus didasarkan pada komponen yang bagiannya paling tebal. Ini karena cryogenic treatment bukan hanya proses untuk permukaannya saja tapi harus keseluruhan. Bagian dalam pun harus mendapat treatment.

Efek dari cryoganic treatment pada komponen bervariasi, ring piston akan mengisolasi lebih baik bila dinding silinder mendapat treatment, yang hasilnya akan mengurangi blow by dan meningkatkan tenaga. Blok mesin jadi tidak gampang mulet atau berubah bentuk karena panas atau vibrasi. Per valve akan bertahan lebih lama. Crank dan camshaft akan lebih tahan terhadap lelah hantaman.

Dikatakan bahwa lebih dari 75% komponen mesin gagal karena fatigue. Bagi pembuat mesin atau pembalap, kegunaan dari treatment cryogenic yang diperpanjang ada tiga keuntungan: bertambahnya stabilitas bentuk, menghilangkan tekanan dan meningkatkan daya tahan terhadap aus.

Stress relieving atau penghilangan tekanan adalah cara untuk menstabilkan komponen logam. Sifat dari logam tidak berubah semacam yang terjadi pada proses full annealing atau normalizing. Stress relieving dilakukan dengan memanasi logam dengan suhu yang lebih rendah dari suhu untuk proses annealing atau normalizing. Stress relieving biasa dilakukan untuk komponen yang mengalami stressed (tekanan) saat pembuatan, seperti saat komponen di heat treatment atau di las. Proses pengelasan membuat panas yang terpusat menimbulkan stress / tekanan pada komponen lain. Bila ini tidak dihilangkan maka komponen bisa mulet atau melengkung pada proses selanjutnya.

Komponen bisa saja dibiarkan selama beberapa tahun dan akan stabil dengan sendirinya. Atau bisa juga dibantu dipercepat dengan metode getaran yang disebut dengan Meta-Lax. Proses Meta-lax dalam 30-60 menit itu setara dengan proses normal dalam 1-2 tahun. Setelah itu maka komponen mesin akan lebih stabil dan lebih tahan retak.

Proses meta-lax dilakukan pada frekuensi sub harmonic dari logam sehingga konsentrasi tekanan pada satu bagian akan tersebar dan terdistribusi lebih merata, membuat komponen mempunyai ductility 400% lebih baik dan nilai untuk impact lebih tinggi 75%

Material dapat mengeras atau berubah sifat sebagai hasil dari pengerjaan atau pembuatan. Heat treating adalah proses yang melibatkan pemanasan dan pendinginan yang terkontrol untuk bisa merubah sifat fisik dan mekanik tanpa merubah bentuk.

 

Tiap tiap komponen butuh perlakuaan heat treatment dan cryogenic yang berbeda beda, sesuai dengan kebutuhannya. Komponen yang harus keras butuh proses yang berbeda dengan komponen yang harus elastis. Berikut contoh contoh proses yang dilakukan pada komponen kendaraan:
HEAT TREATMENT OF AUTOMOTIVE COMPONENTS: CURRENT STATUS AND FUTURE TRENDS, Kiyoshi FUNATANI
surface-modification

Table 7
TYPES OF HEAT TREATMENT AND SURFACE HARDENING USED FOR PRODUCTION OF AUTOMOTIVE COMPONENTS.

Types of heat treatment Purpose Typical components
Annealing Softening, and removing residual stress for post processes Forged blanks for gearing and misc. parts
Isothermal annealing Transformation control hardness and micro-structure for machining. Machinability control
Normalizing Control microstructure and hardness for machining Reduce hardness for machining
Spheroidizing Control microstructure and hardness for cold forming Reduce hardness and microstructure for cold forming
Control roll and control cooling Control rolling and control cool for bake hardening and high strength steel sheets. Body panels and frame, Joint yorks, Crank shafts, con’s rods, Steel sheet panels.
Forge and direct cooling Forge and directly quench or control cool. Fasteners, Rods and Arms
Quench and temper Optimize hardness for strength and toughness Cast iron brackets, High carbon springs
Austemper Optimize microstructure and hardness via isothermal transformation Aluminum casting: (T/M & Dif.casings In. & Ex. Valves
Solution treatment and aging Optimize hardness and strength of Al and age hardening metallic materials. For fatigue and wear resistance, Gears and shafts, Same to above carbon steels
Case hardening: (Pack,Salt bath, Gas, Vacuum, Plasma)
Carburizing
Carbonitriding
For fatigue strength and wear resistance through diffusion of Carbon and or Nitrogen at the surface of components and quench for case hardening Corrosion and wear resistant of steel and Ti alloys
Oxidizing
Nitrocarb-oxidizing
Oxidize surface to improve corrosion, wear and scuff resistance. Steel Titanium Cam shafts, Drive shafts, steering knuckles
Induction hardening Heat up by inductive power and quench to get hard case locally. Thread area of shafts
Induction tempering Heat up by inductive power and slow cool to soften heated area Cam shafts, oil pump gears, valves,
Nitriding: (Salt, Gas, Vacuum, Plasma)
Nitro-carburizing
Oxy-nitro-carburizing
Diffuse Nitrogen, C and or O depending to impart wear and corrosion resistant nitride layer at surface and to get a deeper diffusion layer to improve fatigue strength Brake pad liner plates, A/T gears
Diffusion coating (Salt bath, Gas) Diffuse Cr to form chromium film, carbide and etc. Chain pin, stove pipes, Forming Dies
Remelt refining (Laser,TIG etc) Heat and melt surface and solidify quick to get fine crystal structure Cam nose and valve seat wall
Alloying (TIG, MIG, Laser, EB) Melt and mix with added powder materials to improve surface properties Cam profile, Valve seat of cylinder head and valves
Powder metallurgy Compact and sinter metallic powders to get desired composition and shape Engine sprockets, gears, T/M sliding hubs
Thermal spray coating (Plasma, TIG, MIG) Spray molten particle to get desired composition for wear resistance, etc Piston ring, Lifter periphery, Synchronizer ring
Post treatment processes: Coat forming quench Improve surface properties Form protective film during quenching Fasteners, V.S. retainer
Cryogenic treatment Deep cooling to end transformation Dies, Gears
Shot peening (0.8~1.4 C steel or cast iron shot) Spray particles to clean or increase residual stress and fatigue strength Leaf and coil Springs
Hard, double peening Spray hard large and small particles to increase residual stress for higher fatigue strength. T/M and differential gears
Fine particle peening (Fine particles) Spray fine particles to clean, remove thin surface layer and to form shot dimples Piston skirts, Continuously Variable Transmission drums

Link terakhir juga menunjukkan bahwa teknologi heat treatment dan crygonic ini tidak terbatas hanya pada pemakaian balapan saja tapi juga sudah diterapkan pada kendaraan harian. Jadi bisa jadi komponen yang ada di motor kita pun sudah mendapat perlakuan heat treatment atau crygonenic, walau mungkin levelnya tidak seekstrem untuk pemakaian di dunia balap.

Proses juga bisa dilakukan dengan sederhana seperti misalnya untuk membuat pisau semakin kuat dan tajam seperti ditunjukkan video berikut ini:

Sumber:
Engine Builder Magazine – Mysterious Processes, Proven Results
Engine Builder Magazine – Heat Treating Processes

7 thoughts on “Mengenal heat treatment dan cryogenic untuk memperkuat dan mengawetkan komponen balap

    • Kalau dari kutipan diatas mendinginkan secara mendadak itu membebani logam, jadi lebih cepat retak. Tapi perlu diingat juga bahwa suhu mesin tidak pernah sampai menimbulkan “transformasi”. Jadi mestinya tidak masalah. Motor juga kan mestinya sering mengalami itu misalkan tiba tiba menerjang banjir.

      Suka

  1. Thanks gan, artikel yang saya minta sudah dimuat. Oh ya ada yang tahu militec1 ? Saya baca deskripsinya sama kayak fungsi heat treatment tapi cuma bertahan 25.000 km. Saya baca juga di forum seray*moto* oli mobil1 ada campuran 1% militec1. Maaf bukannya mau promosi tapi apa iya ada cairan yang fungsinya kaya heat treatment ?

    Suka

    • Sip. Sepertinya itu fungsinya lebih ke semacam aditif anti wear atau extreme protection yang fungsinya memang bikin pelapis di logam. aditif yang wajib ada di semua oli.

      kalau kebanyakan aditif semacam ini, efeknya mengganggu kerja pembersihan dan pelarutan.

      Suka

Bagaimana menurut bro?

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s