Gambaran Menyeluruh Mengenai Rawatan Haba: Pengetahuan Utama dan Aplikasi

Rawatan haba merupakan proses pengeluaran asas dalam industri metalurgi, yang mengoptimumkan prestasi bahan untuk memenuhi pelbagai keperluan kejuruteraan. Artikel ini merumuskan pengetahuan teras mengenai rawatan haba, merangkumi teori-teori asas, parameter proses, hubungan struktur mikro-prestasi, aplikasi biasa, kawalan kecacatan, teknologi terkini, serta keselamatan dan perlindungan alam sekitar, berdasarkan kepakaran khusus industri.

1. Teori-teori Asas: Konsep Utama & Pengelasan

Pada asasnya, rawatan haba mengubah struktur mikro dalaman bahan logam melalui kitaran pemanasan, pengekalan, dan penyejukan, seterusnya menyesuaikan sifat-sifat seperti kekerasan, kekuatan, dan keliatan.

Rawatan haba keluli secara utama dikelaskan kepada tiga jenis:

Rawatan Haba Menyeluruh: Merangkumi empat proses asas iaitu penempaan, pengenormalan, pengejutan, dan pemperapi—yang mengubah struktur mikro keseluruhan benda kerja.

Rawatan Haba Permukaan: Memberi tumpuan kepada sifat permukaan tanpa mengubah komposisi asas (contohnya, pengejutan permukaan) atau mengubah kimia permukaan (contohnya, rawatan haba kimia seperti pengkarbonan, nitrida, dan karbonitrida).

Proses Khas: Seperti rawatan termomekanikal dan rawatan haba vakum, yang direka untuk keperluan prestasi tertentu.

Perbezaan utama terletak antara proses melunakkan (annealing) dan proses pengerasan (normalizing): melunakkan menggunakan penyejukan perlahan (penyejukan dalam relau atau abu) untuk mengurangkan kekerasan dan melegakan tekanan dalaman, manakala pengerasan menggunakan penyejukan udara untuk menghasilkan struktur mikro yang lebih halus dan seragam serta sedikit lebih kuat. Secara kritikalnya, pensuisan (quenching)—yang digunakan untuk menghasilkan struktur martensit yang keras—mesti diikuti dengan proses pemanasan semula (tempering) bagi mengurangkan rapuh dan menyeimbangkan kekerasan dengan kekuatan melalui pengurangan tekanan sisa (150–650°C).

2. Parameter Proses: Faktor-Faktor Kritikal untuk Kualiti

Rawatan haba yang berjaya bergantung kepada kawalan tepat tiga parameter utama:

2.1 Suhu-Suhu Kritikal (Ac₁, Ac₃, Acm)

Suhu-suhu ini membimbing kitaran pemanasan:

Ac₁: Suhu permulaan transformasi pearlite kepada austenit.

Ac₃: Suhu di mana ferrite sepenuhnya berubah menjadi austenit dalam keluli hipoeutektoid.

Acm: Suhu di mana simenit sekunder sepenuhnya larut dalam keluli hipereutektoid.

2.2 Suhu Pemanasan & Masa Penyimpanan

Suhu Pemanasan: Keluli hipoeutektoid dipanaskan ke 30–50°C di atas Ac₃ (austenit penuh), manakala keluli hiper eutektoid dipanaskan ke 30–50°C di atas Ac₁ (mengekalkan sedikit karbida untuk rintangan haus). Keluli aloi memerlukan suhu yang lebih tinggi atau masa penahanan yang lebih panjang disebabkan oleh penyebaran unsur aloi yang lebih perlahan.

Masa Penahanan: Dikira sebagai ketebalan berkesan benda kerja (mm) × pekali pemanasan (K)—K=1–1.5 untuk keluli karbon dan 1.5–2.5 untuk keluli aloi.

2.3 Kadar Penyejukan & Medium Pemadaman

Kadar penyejukan menentukan struktur mikro:

Penyejukan cepat (>kadar genting): Membentuk martensit.

Penyejukan sederhana: Menghasilkan bainit.

Penyejukan perlahan: Menghasilkan pearlit atau campuran ferit-semen kalsium.

Medium pemadaman yang ideal memberi keseimbangan antara "penyejukan cepat untuk mengelakkan pelunakan" dan "penyejukan perlahan untuk mengelakkan retak." Air/air garam sesuai untuk keperluan kekerasan tinggi (tetapi berisiko retak), manakala minyak/larutan polimer lebih digemari untuk bahagian berbentuk kompleks (mengurangkan ubah bentuk).

3. Struktur Mikro vs. Prestasi: Hubungan Utama

Sifat bahan ditentukan secara langsung oleh struktur mikro, dengan hubungan utama merangkumi:

3.1 Martensit

Keras tetapi rapuh, dengan struktur berbentuk seperti jarum atau kepingan. Kandungan karbon yang lebih tinggi meningkatkan kerapuhan, manakala austenit yang terbaki mengurangkan kekerasan tetapi meningkatkan ketahanan.

3.2 Struktur Mikro Yang Ditemper

Suhu tempering menentukan prestasi:

Suhu rendah (150–250°C): Martensit ditemper (58–62 HRC) untuk alat/acuan.

Suhu sederhana (350–500°C): Troosit ditemper (had kenyal tinggi) untuk spring.

Suhu tinggi (500–650°C): Sorbit ditemper (sifat mekanikal menyeluruh yang sangat baik) untuk aci/gear.

3.3 Fenomena Khas

Kekerasan Sekunder: Aloi (contohnya, keluli kelajuan tinggi) memperoleh semula kekerasannya semasa tempering pada suhu 500–600°C disebabkan oleh pemendakan karbida halus (VC, Mo₂C).

Kerapuhan Temper: Jenis I (250–400°C, tidak berbalik) dielakkan dengan penyejukan cepat; Jenis II (450–650°C, berbalik) ditekan dengan menambahkan W/Mo.

4. Aplikasi Tipikal: Proses Tersuai untuk Komponen Utama

Proses rawatan haba disesuaikan untuk memenuhi keperluan prestasi komponen dan bahan tertentu:

Bagi gear kenderaan yang diperbuat daripada aloi seperti 20CrMnTi, proses piawai ialah karburasi (920–950°C) diikuti oleh penyejukan minyak dan pemanasan lemah (180°C), yang mencapai kekerasan permukaan sebanyak 58–62 HRC sambil mengekalkan teras yang kuat.

Bagi keluli acuan seperti H13, alur kerja merangkumi lembutkan haba, mempergiatkan (1020–1050°C, penyejukan minyak), dan pemanasan ganda dua (560–680°C). Urutan ini mengurangkan tekanan dalaman dan melaraskan kekerasan kepada sekitar 54–56 HRC.

Keluli kelajuan tinggi seperti W18Cr4V memerlukan pencelupan suhu tinggi (1270–1280°C) untuk membentuk martensit dan karbida, diikuti dengan pemanasan tiga kali pada 560°C untuk menukar austenit terbaki kepada martensit, menghasilkan kekerasan 63–66 HRC dan rintangan haus yang sangat baik.

Besi liat boleh dirawat melalui austempering pada 300–400°C untuk memperoleh struktur mikro bainit dan austenit terbaki, memberi keseimbangan antara kekuatan dan ketangguhan.

Bagi keluli tahan karat austenitik jenis 18-8, rawatan larutan (1050–1100°C, penyejukan dengan air) adalah kritikal untuk mengelakkan kakisan intergranular. Selain itu, rawatan penstabilan (penambahan Ti atau Nb) membantu mengelakkan pemendakan karbida apabila bahan terdedah kepada suhu antara 450–850°C.

5. Kawalan Kecacatan: Pencegahan & Penanggulangan

Kecacatan rawatan haba yang biasa dan langkah penanggulangannya adalah seperti berikut:

Kebimbang Rengsa: Disebabkan oleh tekanan terma/organisasi atau proses yang tidak betul (contohnya, pemanasan cepat, penyejukan berlebihan). Langkah pencegahan termasuk pra-pemanasan, menggunakan pemanasan berperingkat atau penyejukan isotermal, dan memperkuatkan segera selepas penyejukan.

Penyimpangan: Boleh diperbetulkan melalui mampatan sejuk, pelurusan panas (pemanasan tempatan di atas suhu pemulihan), atau pelepasan tekanan bergetar. Rawatan awal seperti normalisasi atau pemuluran untuk menghilangkan tekanan tempaan juga meminimumkan penyimpangan.

Terbakar: Berlaku apabila suhu pemanasan melebihi garis solidus, menyebabkan peleburan sempadan butir dan rapuh. Kaedah pencegahan utama adalah memantau suhu dengan ketat (terutamanya untuk keluli aloi) dengan menggunakan termometer.

Penurunan Karbon: Berlaku akibat tindak balas antara permukaan kerja dan oksigen/CO₂ semasa pemanasan, yang mengurangkan kekerasan permukaan dan jangka hayat lesu. Ia boleh dikawal dengan menggunakan atmosfera pelindung (contohnya, nitrogen, argon) atau ketuhar mandian garam.

6. Teknologi Canggih: Pemacu Inovasi

Teknologi rawatan haba yang muncul sedang membentuk semula industri dengan meningkatkan prestasi dan kecekapan:

TMCP (Thermomechanical Control Process): Menggabungkan penggulingan terkawal dan penyejukan terkawal untuk menggantikan rawatan haba tradisional, memperhalus struktur butir dan membentuk bainit—digunakan secara meluas dalam pengeluaran keluli kapal.

Laser Quenching: Membolehkan pengerasan setempat dengan ketepatan sehingga 0.1mm (sesuai untuk permukaan gigi gear). Ia menggunakan penyejukan sendiri untuk proses quenching (tiada keperluan media), mengurangkan penyimpangan dan meningkatkan kekerasan sebanyak 10–15%.

QP (Quenching-Partitioning): Melibatkan pengekalan di bawah suhu Ms untuk membenarkan resapan karbon dari martensit ke austenit yang dikekalkan, menstabilkan yang terakhir dan meningkatkan ketangguhan. Proses ini adalah penting dalam pengeluaran keluli TRIP automotif generasi ketiga.

Rawatan Haba Keluli Nanobainitik: Austempering pada 200–300°C menghasilkan bainit pada skala nano dan austenit yang terkekalkan, mencapai kekuatan 2000MPa dengan ketangguhan yang lebih baik berbanding keluli martensitik tradisional.

7. Keselamatan & Perlindungan Alam Sekitar

Rawatan haba menyumbang kira-kira 30% daripada jumlah penggunaan tenaga dalam pembuatan mekanikal, menjadikan keselamatan dan keberlanjutan sebagai keutamaan kritikal:

Pengurangan Risiko Keselamatan: Protokol operasi ketat dilaksanakan untuk mencegah kecederaan akibat haba tinggi (daripada peralatan pemanas atau bahan kerja), pendedahan kepada gas beracun (contohnya, CN⁻, CO daripada relau mandian garam), kebakaran (daripada kebocoran minyak pemadam), dan kecederaan mekanikal (semasa mengangkat atau memegang).

Pengurangan Emisi: Langkah-langkah termasuk menggunakan relau vakum (untuk mengelakkan pembakaran pengoksidaan), menutup tangki pemadaman (mengurangkan penyebaran wap minyak), dan memasang peranti pembersihan gas ekzos (untuk penyerapan atau penguraian bahan berbahaya secara pemangkinan).

Rawatan Air Sisa: Air sisa yang mengandungi kromium memerlukan rawatan penurunan dan pemendakan, manakala air sisa yang mengandungi sianida memerlukan proses penawar racun. Air sisa komprehensif melalui rawatan biokimia untuk memenuhi piawaian pelupusan sebelum dilepaskan.

Kesimpulan

Rawatan haba adalah asas kepada kejuruteraan bahan, menghubungkan bahan mentah dengan komponen berprestasi tinggi. Penguasaan prinsip, parameter, dan inovasi rawatan ini adalah kritikal untuk meningkatkan kebolehpercayaan produk, mengurangkan kos, dan memajukan pengeluaran yang mampan dalam industri seperti automotif, kedirgantaraan, dan jentera.