Panduan Suhu Penempaan: Kisaran Panas Optimal untuk Pengerjaan Logam

Kisaran Suhu Optimal untuk Logam Biasa

Suhu penempaan mewakili kisaran panas spesifik di mana logam menjadi cukup plastik untuk dibentuk tanpa retak dengan tetap menjaga integritas struktural. Untuk baja karbon, rentang penempaan yang ideal adalah 1095-1260°C (2000-2300°F) , sedangkan besi tempa bekerja paling baik 1040-1200°C (1900-2200°F) . Suhu ini memungkinkan struktur kristal logam untuk mengatur ulang di bawah kekuatan mekanis, memungkinkan pdanai besi dan pekerja logam untuk menciptakan bentuk yang diinginkan secara efisien.

Jendela penempaan sangat bervariasi berdasarkan kandungan karbon dan elemen paduannya. Baja karbon rendah (karbon 0,05-0,30%) tahan terhadap kisaran suhu yang lebih luas, sedangkan baja karbon tinggi (karbon 0,60-1,50%) memerlukan kontrol suhu yang lebih tepat untuk mencegah retaknya batas butir atau kerak yang berlebihan.

Indikator Suhu Warna dan Penilaian Visual

Pandai besi tradisional mengandalkan warna sebagai indikator suhu utama, sebuah teknik yang terbukti akurat ±25°C bila dilakukan oleh praktisi berpengalaman . Cahaya logam dihasilkan dari radiasi benda hitam, dengan panjang gelombang tertentu yang mendominasi pada temperatur berbeda. Metode ini tetap berguna bahkan di toko-toko modern yang dilengkapi dengan pirometer, yang berfungsi sebagai alat verifikasi instan.

Spektrum Warna dan Suhu yang Sesuai

• Merah Pudar (475-550°C / 885-1020°F): Hanya terlihat dalam kegelapan, tidak cocok untuk menempa sebagian besar baja
• Merah Darah (550-650°C / 1020-1200°F): Suhu minimum untuk anil, terlalu dingin untuk penempaan yang efisien
• Merah Ceri Tua (650-750°C / 1200-1380°F): Penempaan ringan mungkin dilakukan tetapi membutuhkan kekuatan yang signifikan
• Merah Ceri Sedang (750-815°C / 1380-1500°F): Baik untuk penyelesaian akhir pada baja karbon tinggi
• Ceri Merah (815-900°C / 1500-1650°F): Suhu penempaan umum yang sangat baik untuk sebagian besar baja karbon
• Merah Ceri Cerah (900-1000°C / 1650-1830°F): Optimal untuk operasi penempaan berat
• Oranye (1000-1100°C / 1830-2010°F): Suhu awal yang ideal untuk sebagian besar logam besi
• Oranye Muda hingga Kuning (1100-1200°C / 2010-2190°F): Suhu penempaan maksimum untuk baja karbon
• Kuning ke Putih (1200-1300°C / 2190-2370°F): Mendekati suhu pembakaran, risiko kerusakan gabah

Pencahayaan sekitar secara signifikan mempengaruhi persepsi warna. Sebuah bengkel dengan pencahayaan terkontrol pada 200-300 lux memberikan kondisi terbaik untuk penilaian suhu visual yang akurat. Sinar matahari langsung membuat warna di bawah oranye terang tidak terlihat, sehingga berpotensi menyebabkan penempaan dingin dan kerusakan material.

Metode dan Peralatan Pengendalian Suhu

Operasi penempaan modern menggunakan berbagai strategi kontrol suhu untuk memastikan konsistensi dan kualitas. Pilihan metode tergantung pada volume produksi, persyaratan presisi, dan spesifikasi material.

Pemilihan Peralatan Pemanas

Penempaan batu bara dan kokas tetap populer di toko-toko kecil, mampu menjangkau 1400°C (2550°F) di zona lokal , meskipun distribusi suhu mungkin tidak merata. Penempaan gas yang menggunakan propana atau gas alam menawarkan keseragaman suhu yang lebih baik, dengan desain burner modern yang mencapai konsistensi ±15°C di zona pemanasan 300mm. Sistem pemanas induksi memberikan kontrol paling presisi, memanaskan area tertentu hingga suhu yang tepat di dalamnya ±5°C di lingkungan produksi , dengan laju pemanasan hingga 1000°C per menit untuk komponen kecil.

Alat Ukur Suhu

• Termokopel Tipe K: Akurat dari 0-1260°C, waktu respons di bawah 1 detik, ideal untuk pemantauan berkelanjutan
• Pirometer Inframerah: Pengukuran non-kontak hingga 1600°C, memerlukan penyesuaian emisivitas (0,8-0,95 untuk baja teroksidasi)
• Kamera Pencitraan Termal: Tunjukkan distribusi suhu di seluruh benda kerja, deteksi titik dingin sebelum menempa
• Krayon Penunjuk Suhu: Meleleh pada suhu tertentu (kisaran 150-1400°C), berguna untuk verifikasi pemanasan awal

Untuk komponen luar angkasa atau otomotif yang penting, pirometer yang dikalibrasi dengan akurasi ±0,3%. bersifat wajib, dengan sertifikat kalibrasi yang dapat ditelusuri ke standar nasional yang diwajibkan setiap enam bulan.

Pengaruh Temperatur Penempaan yang Salah

Pengoperasian di luar kisaran suhu yang tepat akan menyebabkan kerusakan material secara langsung dan jangka panjang. Memahami konsekuensi ini membantu mencegah kesalahan yang merugikan dan pemborosan material.

Kerusakan Penempaan Dingin

Penempaan di bawah kisaran suhu yang disarankan akan menyebabkan logam mengalami pengerasan berlebihan dan berpotensi retak. Ketika baja karbon dikerjakan di bawah 800°C (1470°F) , transformasi austenit menjadi perlit telah dimulai, membuat material menjadi rapuh. Retakan permukaan muncul pertama kali, biasanya sedalam 0,5-2 mm, yang dapat menyebar ke seluruh penampang selama siklus pemanasan berikutnya. Pita geser internal berkembang, menciptakan konsentrator tegangan yang mengurangi umur kelelahan 40-60% dalam komponen jadi .

Terlalu Panas dan Terbakar

Melebihi batas suhu atas menyebabkan pertumbuhan butir dan penetrasi oksidasi. Pada suhu di atas 1250°C (2280°F) untuk baja karbon , butir austenit tumbuh secara eksponensial, dengan ukuran butir berlipat ganda setiap kenaikan 50°C. Struktur butiran kasar ini tidak dapat sepenuhnya dihaluskan melalui perlakuan panas berikutnya, sehingga mengurangi ketangguhan secara permanen. Pembakaran terjadi ketika logam mencapai suhu mendekati solidus, menyebabkan oksigen menembus batas butir. Tidak seperti panas berlebih, pembakaran tidak dapat diubah; bahan yang terkena dampak harus dibuang, yang menunjukkan kerugian total.

Pembentukan Skala dan Dekarburisasi

Pada suhu penempaan, besi teroksidasi dengan cepat, membentuk kerak dengan kecepatan sebesar 0,1-0,5 mm per jam pada 1150°C . Skala ini menunjukkan kehilangan material dan menimbulkan cacat permukaan. Yang lebih penting lagi, permukaan di bawahnya kehilangan karbon melalui dekarburisasi, sehingga menciptakan lapisan kulit lembut sedalam 0,5-3 mm yang mengganggu respons pengerasan. Atmosfer pelindung atau siklus pemanasan yang cepat meminimalkan efek ini, dengan pemanasan induksi mengurangi waktu pemaparan 75% dibandingkan dengan pemanasan tungku .

Manajemen Suhu Selama Operasi Penempaan

Penempaan yang berhasil memerlukan pemeliharaan benda kerja dalam rentang suhu optimal selama seluruh pengoperasian. Suhu turun dengan cepat selama penempaan, dan sebagian kecil hilang 50-100°C per menit ketika terkena udara sekitar dan kontak dengan cetakan atau landasan.

Perhitungan Kehilangan Panas dan Frekuensi Pemanasan Ulang

Batang bundar berdiameter 25mm pada suhu 1150°C kehilangan sekitar 150°C dalam 30 detik pertama paparan udara, dengan laju menurun seiring berkurangnya perbedaan suhu. Kontak mati mempercepat kehilangan panas; baja mati pada suhu kamar dapat diekstraksi 200-300°C dari permukaan benda kerja pada kontak pertama. Para pandai besi berpengalaman mengembangkan pemahaman intuitif mengenai frekuensi pemanasan ulang, namun penempaan produksi menggunakan jadwal berbasis perhitungan.

Untuk urutan penempaan tipikal pada baja karbon sedang, alur kerjanya berlangsung sebagai berikut:

1. Panaskan hingga 1150°C (ceri cerah hingga oranye)
2. Lakukan 3-5 pukulan keras saat suhu tetap di atas 1000°C
3. Lanjutkan menempa hingga logam mencapai 870°C (merah ceri sedang)
4. Kembali ke bengkel untuk dipanaskan kembali sebelum material turun di bawah 800°C
5. Ulangi siklus sampai bentuk yang diinginkan tercapai

Persyaratan Pemanasan Awal dan Perendaman

Tempa besar dan baja paduan tinggi memerlukan pemanasan awal yang terkontrol untuk mencegah kejutan termal. Sebuah penempaan membebani 50kg harus dipanaskan terlebih dahulu hingga 400-600°C sebelum terkena suhu penempaan penuh, dengan laju pemanasan dibatasi hingga 100-200°C per jam untuk tahap pertama. Waktu perendaman pada suhu penempaan memastikan keseragaman suhu di seluruh penampang, dihitung pada 1 menit per ketebalan 25mm untuk baja karbon, lebih panjang untuk baja paduan dengan konduktivitas termal lebih rendah.

Pertimbangan Khusus untuk Baja Paduan

Elemen paduan secara signifikan mengubah kisaran suhu dan perilaku penempaan. Setiap elemen mempengaruhi suhu transformasi fasa dan karakteristik kerja panas dengan cara tertentu.

Dampak Elemen Paduan Umum

Kromium (ada pada baja perkakas dan baja tahan karat) mempersempit rentang penempaan dan meningkatkan risiko retak permukaan. Baja dengan kromium 12-18% memerlukan suhu awal sebesar 1150-1200°C dan tidak boleh dikerjakan di bawah 925°C untuk menghindari pembentukan fase sigma. Nikel meningkatkan kemampuan kerja panas dengan memperluas jangkauan austenit, memungkinkan suhu penyelesaian lebih rendah sekitar 790°C tanpa risiko retak.

molibdenum and tungsten secara signifikan meningkatkan persyaratan suhu penempaan, dengan beberapa baja berkecepatan tinggi memerlukan suhu awal sebesar 1200-1260°C . Unsur-unsur ini juga memperlambat difusi sehingga memerlukan waktu perendaman yang lebih lama—hingga 2 menit per ketebalan 25mm . Vanadium membentuk karbida yang tahan terhadap pelarutan, menciptakan konsentrator tegangan lokal selama penempaan kecuali suhu melebihi 1150°C.

Parameter Penempaan Baja Tahan Karat

Baja tahan karat austenitik (seri 304, 316) menghadirkan tantangan unik karena konduktivitas termal yang rendah—kira-kira 40% dari baja karbon . Hal ini menciptakan gradien suhu yang signifikan, sehingga membutuhkan laju pemanasan yang lambat dan perendaman yang lama. Kisaran penempaan 1040-1200°C harus diperhatikan dengan ketat, karena bekerja pada kisaran 480-870°C akan mengendapkan kromium karbida, sehingga sangat mengurangi ketahanan terhadap korosi. Tidak seperti baja karbon, baja tahan karat memberikan indikator warna visual yang buruk karena karakteristik oksida permukaan, sehingga penggunaan pirometer menjadi penting.

Kontrol Suhu Pasca Penempaan

Fase pendinginan setelah penyelesaian penempaan sangat mempengaruhi struktur mikro dan sifat akhir. Pendinginan yang tidak tepat akan menimbulkan tegangan sisa, lengkungan, atau pengerasan yang tidak disengaja sehingga menyulitkan operasi pemesinan berikutnya.

Strategi Pendinginan Terkendali

Untuk sebagian besar penempaan baja karbon, pendinginan di udara tenang dari 650°C menghasilkan hasil yang memadai, menciptakan struktur normal yang cocok untuk pemesinan. Bentuk kompleks mendapat manfaat dari penguburan dalam bahan isolasi (vermikulit, kapur, atau abu kayu) untuk memperlambat pendinginan hingga kira-kira 50°C per jam , mengurangi gradien tegangan termal. Baja karbon tinggi (di atas 0,6% C) dan banyak baja paduan harus didinginkan secara perlahan untuk mencegah transformasi martensit, yang menyebabkan retak; tempa ini didinginkan dalam tungku dengan kecepatan terkendali 20-30°C per jam dari 870°C hingga 540°C.

Persyaratan Menghilangkan Stres

Tempa besar melebihi 100mm dalam dimensi apa pun mengakumulasi tegangan sisa yang signifikan selama pendinginan, apa pun metode pendinginannya. Perlakuan panas penghilang stres pada 580-650°C selama 1-2 jam per ketebalan 25mm mengurangi tekanan ini sebesar 80-90% , meningkatkan stabilitas dimensi selama pemesinan. Langkah perantara ini wajib untuk komponen presisi dalam aplikasi ruang angkasa dan pembangkit listrik, di mana toleransi distorsi diukur dalam seperseratus milimeter.

Pertimbangan Keamanan dan Lingkungan

Temperatur penempaan menimbulkan bahaya termal serius yang memerlukan protokol keselamatan komprehensif. Logam pada suhu 1150°C menghasilkan panas radiasi yang cukup untuk menyebabkannya luka bakar derajat dua pada jarak 1 meter dalam waktu 30 detik paparan terus menerus. Peralatan pelindung diri yang tepat mencakup celemek berbahan aluminium atau kulit yang tahan terhadap panas radiasi, pelindung wajah dengan filter peneduh 5-8, dan sarung tangan berinsulasi yang mampu menahan kontak singkat dengan permukaan 650°C.

Atmosfer bengkel menghasilkan karbon monoksida, sulfur dioksida, dan asap logam yang memerlukan ventilasi yang memadai. Operasi industri tetap berjalan 10-15 pergantian udara per jam di area bengkel, dengan kap penahan knalpot lokal diposisikan untuk mencegah peningkatan produk pembakaran. Pembentukan kerak menciptakan emisi partikulat; satu operasi penempaan pada billet 10kg dapat menghasilkan 100-200 gram kerak besi oksida , yang mengudara ketika copot dengan cara dipalu.

Efisiensi energi meningkat dengan manajemen suhu yang tepat. Bahan yang terlalu panas sebesar 100°C akan membuang-buang waktu 8-12% bahan bakar tambahan per siklus panas, sementara pemanasan ulang yang berlebihan karena perencanaan alur kerja yang buruk dapat melipatgandakan konsumsi energi. Penempaan gas modern mencapai efisiensi termal sebesar 25-35%, sementara sistem induksi mencapai 65-75%, menjadikan pemilihan peralatan sebagai faktor penting dalam biaya operasional dan dampak lingkungan.