MATERIAL PROSES TECNOLOGI
(SK4,SKS3,SKD11 Dan SKH3 )
Empat pilihan Material Die yang secara umum di pakai dalam proses “cold-forging” di mana dalam study pemeriksaan sekarang untuk mendapatkan hubungan antara tingkat kekerasan dan leafe time die atau tingkat keausan die. Material die pertama heat-treated melalui pengembangan proses untuk mendapatkan nilai yang berbeda dari hardnes/ tingkat kekerasan.
Pendahuluan
Dimana tingkat keuletan material adalah suatu level keuntungan yang perlu di pertahankan. Sifat-sifat material dalam material die di ketahui melalui tension( tingkat ketegangan) dan impact test ( akibat di lakukannya pengetesan). Melaui investigasi dan data exsperiment, hubungan antara sifat-sifat material dan tingkat kekerasan di ketahui dan di bentuk. Model teori yang di juga di usulkan dalam study yang sekarang ini untuk memprediksikan tingkat keausan die material atau tingkat left timenya.Mempertimbangkan sifat-sifat mekanik pada die materialdi peroleh melalui uji material / exsperiment, dan titik jenuh total ketegangan( fatigue total strain ) merupakan parameter. Sejak sifat-sifat material di nyatakan dalam istilah Hardnes/ tingkat kekerasan. Ini lebih memudahkan untuk seorang design engineer dei sebagai podoman sederhana untuk memprediksikan tingkat keausan/life-time of cold-forging die dengan memakai mode teoritical purpose.
1. Pengenalan..
1. Pengenalan..
Sejak dies digunakan dalam proses Cold-forging harus menjalani dampak parah dan beban kondisi, Proses ini lebih rentan terhadap fraktur tiba-tiba dari sebagian besar komponen mesin lainnya. Untuk mempertahankan pemakaian die dan tahan terhadap terhadap kegagalan stress, keuletan dan kekerasan die material adalah faktor penting dalam produksi die. Biasanya, material die harus keras untuk menahan perlakuan pada kondisi yang sngat parah, tetapi juga harus memiliki cukup keuletan untuk mencegah retak dan rapuh fraktur, yaitu dies dirancang untuk lebih tinggi tingkat kekerasan dan keuletan. Namun, die dengan tingkat kekerasan yang lebih tinggi dapat dikaitkan dengan ketidak uletan karena kurangnya perlakuan proses panas yang butuhkan. Secara umum, keuletan dies dapat diperoleh dengan proses heat-treatment yang tepat, tapi kekerasan dapat mempunyai banyak bervariasi. Oleh karena itu, proses heat-treatment yang menghasilkan tingkat yang lebih tinggi dari kekerasan untuk material die tanpa kehilangan keuletan adalah untuk dikembangkan untuk praktik aktual, sehingga desain die engineer dapat mengukur tingkat kekerasan material die untuk memperkirakan kualitas die, dengan asumsi bahwa keuletan material die baik untuk spesifikasi. Mengikuti konsep ini, pedoman sederhana yang mengaitkan life time die dengan kekerasan die akan berguna bagi engineer untuk desain die
Dalam studi sekarang, proses heat-treatment yang meningkatkan kekerasan tanpa mengorbankan ketangguhan telah di kembangkan. Perbedaan proses heat-treatment di lakukan untuk memilih material die termasuk SK4, SKS3, SKD11 dan SKH9, yang secara luas digunakan dalam industri Cold-forging, untuk mendapatkan keuletan yang cukup dan variasi dari nilai kekerasan. Heat-treated die material spesimen yang di persiapkan untuk digunakan dalam tes tensile/tarik dan stress tes untuk mendapatkan sifat mekanik dengan jarak lebar kekerasan. Untuk memprediksi life time die, model teoretis adalah juga diusulkan menggunakan kekerasan die sebagai parameter utama. Dalam hubungannya dengan keterbatasan elemen hasil simulasi dan sifat mekanik die materal Diperoleh dari percobaan, model teoretis dapat memprediksi life time die hingga tingkat tertentu.
2. Heat-treatment proses
2. Heat-treatment proses
Pekerjaan penelitiantingkat life-tame/keausan, dalam cold-forging die material, seperti SK4, SKS3, SKD11 dan SKH9, dengan berbagai variasi nilai tingkat kekerasan pada tingkat keuletan yng cukup .Komposisi bahan kimia dari setiap materal die tercantum dalam Tabel 1. Proses heat-treatment untuk material die selalu mengalami proses quencihing dan Tampering. Untuk proses proses pendinginan, ada tiga faktor penting, termasuk: suhu pemanas yang tepat untuk berbagai austenite; menjaga transformasi pearlite; dan transformasi martensite atau bainite yang menginduksi saat pengerasan.
Table 1
The chemical composition dari material (wt.%)
Material | C | Mn | Si | W | Cr | Mo | v | other |
SK4 SKS3 SKD11 SKH9 | 0.90±1.00 0.90±1.00 1.45±1.65 0.70±0.90 | ± 0.90±1.20 0.30±0.60 ± | ± <0.35 0.20±0.40 | ± 0.50±1.00 ± 6.00±7.00 | ± 0.50±1.00 11.0±13.0 3.80±4.40 | ± ± 0.70±1.10 4.00±6.00 | ± ± 0.70±1.00 1.80±2.30 | S < 0:003 |
Setelah proses quenching, tampering dilakukan untuk meningkatkan keuletan dan pengerasan material. Dalam studi sekarang, empat jenis die material pertama didinginkan dari suhu yang dipilih untuk memperoleh tingkat kekerasan yang berfariasi, ketika proses tempering yang dilakukan untuk meningkatkan keuletan dan untuk melepaskan tegangan yang tersisa dalam die material terlepas. Dua siklus tempering digunakan selama periode yang berbeda untuk die material. Dalam proses tempering yang pertama, austenite berubah menjadi martensite, sementara pembentukan suhu martensite pada kedua proses tempering secara substansial untuk meningkatkan keuletan material dan mempertahankan tingkat kekerasan. Syarat heat-treatment untuk masing-masing die material tercantum di dalam tabel 2,
Gambar 1 menunjukkan hubungan antara kekerasan dan suhu tempering untuk setiap material die yang Diperoleh dari hasil percobaan. Hal ini terlihat dalam gambar 1 di mana kekerasan menurun dari temperatur tempering tinggi ini di terapkan pada setiap die material. Perlu juga dicatat bahwa SK4 dan SKS3 berperilaku dengan kecenderungan yang sama, dan SKD11 dan SKH9 memiliki nilai kekerasan lebih tinggi dari di banding SK4 dan SKS3 ketika di panaskan pada temperatur yang sama. Nilai-nilai kekerasan untuk masing-masing die material diperoleh dalam berbagai studi sekarang ini dari HRc 35 untuk HRc 60.
Kondisi Heat-treatment untuk memilih die materials.
Material | Quenching | Tempering | ||
Temperature(8C) | Time (min) | Temperature (8C) | Time (min) | |
SK4 SKS3 SKD11 SKH9 | 800 810 1010 1165 | 20 20 50 3 | 150±500 250±500 150±680 550±720 | 30 30 30 30 |
Fig1. Hubungan antara harness dan suhu teperatus
3. Sifat-sifat material
Sejak kekerasan die material digunakan untuk memprediksi life-time/tingkat keausan die, sifat mekanik dari die material ditandai dengan tingkat kekerasan. Dalam studi sekarang, material die dengan berbagai nilai kekerasan yang disebutkan dalam bagian sebelumnya digunakan untuk mempersiapkan spesimen untuk ketegangan (tention) dan dampak tes (impact test) untuk mendapatkan hubungan antara sifat mekanik dan kekerasan. Sifat mekanik dari material die yang diperiksa dalam studi sekarang termasuk Young modulus, impact strength, elongasi, yield stres dan fraktur strength.
Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa modulus Young dari material die hampir independen terhadap kekerasan, Modulus Young SK4, SKS3, SKD11 dan SKH9 yang di hasilkan dari eksperimen untuk variasi nilai kekerasan adalah 198, 202, 208 dan 214 GPa, masing-masing. Hal ini dicatat bahwa Young modulus di antara empat jenis die material berbeda.
Tingkat kekuatan (impact strength) dari die material akan berkurang dengan meningkatnya nilai kekerasan sesuai dengan hasil eksperimen. Dalam hal ini untuk mempertahankan keuletan pada kekerasan material die dan mencegah terjadinya fraktur rapuh/kerapuhan/getas, Die material yang di keraskan (heat-treated) dengan tambahan siklus tempering setelah menjadi keras. Dalam studi sekarang, dua siklus proses pemanasan (tampering process) dilakukan guna mempertahankan keuletan material die setelah di dinginkan(quenched). Elogasi material die juga memiliki kecenderungan yang sama seperti kuat dampak seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen
Gambar 2 menunjukkan hubungan antara yield stres dan hardness untuk keempat material die yang dipilih seperti disebutkan di atas. Hal ini terlihat dalam Fig. 2 yang meningkatkan yield stres material die sebanding dengan tingkat kekerasan, dan hubungan dapat dirumuskan oleh fungsi linear, pada tabel Table 3. Adapun kekuatan fraktur material die, ini juga meningkat dengan meningkatkan nilai kekerasan, seperti ditampilkan di Fig. 3. Hubungan antara kekuatan fraktur dan kekerasan dapat di bentuk.
Fig 2. Hubungan hardness dan yield strength / Fig3. Hubungan hardness dan fracture strength
Table 3
Relationship between hardness (H) and yield strength (Y)
Material | Relationship (MPa) |
SK4 SKS3 SKD11 SKH9 | Yˆ 42:1H À 414:5 Yˆ 28:7H ‡ 296:1 Y ˆ 43:8H À 709:9 Yˆ 54:2H À 1188:6 |
diungkapkan oleh persamaan linear, hasil yang diberikan Tabel 4.
4 . Model teoretis prediksi tingkat jenuh die
Hal ini juga diketahui bahwa tingkat keausan die ditentukan oleh kondisi muatan yang terkandung dalam material die dan sifat-sifat material die.
Tabel 4
Hubungan antara kekerasan (H) dan fraktur kekuatan (F)
Material | Relationship (MPa) |
SK4 SKS3 SKD11 SKH9 | F ˆ 24:4H ‡ 702:9 F ˆ 21:2H ‡ 869 F ˆ 29:2H ‡ 436:3 F ˆ 23:3H ‡ 952:6 |
Seperti yang dinyatakan dalam bagian sebelumnya, sifat-sifat material yang Diperoleh dari percobaan dapat berhubungan dengan kekerasan die. Oleh karena itu, studi saat ini, model teoretis menganjurkan menggunakan tingkat kekerasan material die sebagai parameter untuk memprediksi life-time/tingkat keasusan dan untuk menentukan kekerasan die untuk mendapatkan die dengan tingkat life-time pemakaian yang di inginkan. Karena untuk heavy loading yang diterapkan untuk die yang digunakan dalam proses cold-forging, deformasi plastik dapat terjadi pada posisi konsentrasi stress. Life-time Die sangat cepat jika terjadi plastik deformasi, dan akibatnya, model life-time perlu di pertimbangkan kecilnya kemungkinan kegagalan dalam menentukan life time die material.
Di bawah kekuatan kendali tingkat keausan /life-time , keausan elastis dan plastik strain , masing-masing, dinyatakan sebagai [1±3]:
Dee sHf
ˆ …2Nf †B. ………………………………………………………………..1
2E
Dan
12 Dep ˆ eHf …2Nf †C ………………………………………………….2
di mana “Dee” dan “Dep” adalah keausan elastis dan plastik strain, masing-masing, “sHf” dan “eHf” koefisien tingkat keausan dan koefisien tingkat keuletan, masing-masing, “Nf” jumlah siklus keausan, “B” kekuatan keausan eksponen,”C” keausan eksponen keuletan, dan “e” young modulus. Dengan mempertimbangkan persamaan. (1) dan (2), maka tingkat keausan/life time bisa di nyatakan.
De Dee Dep sHf
ˆ‡ˆ …2Nf †B ‡ eHf …2Nf †C ………………………………………………3
222E
di mana “De” adalah total strain keausan /life-time. Terjadinya plastik deformasi pada die harus dihindari dengan mendesign die dengan tepat. Besarnya tegangan plastik ( magnitude of the plastic) pada kegagalan secara umum harus lebih kecil dari elastic strain. Oleh karena itu, total tingkat keausan tegangan/ strain terletak pada sekitar keausan elastic/ tingkat elastisitas. Bagai manapun ketika keausan tegangan plastik tidak kecil dibandingkan dengan keausan tegangan elastis , keausan elastic strain tidak bisa digunakan secara langsung untuk mewakili tegangan total. Akibatnya, keausan elastic strain harus diperbaiki melalui fungsi eksponensial dalam bentuk.
12 Deeˆ De…1 À eÀA=De † …………………………………………………4
di mana “A” adalah faktor koreksi yang ditentukan oleh eksperimen.
Mengingat persamaan. (1) dan (4):
sHf
De…1 À eÀA=De † ˆ …2Nf †B………………………………………….5
E
Eq(5) mewakili hubungan antara total keausan tegangan dan keausan pemakaian (fatigue life). Untuk sebagian besar kekerasan material die, fraktur strength “sf” sama dengan keausan kosfisien strength (fatigue strength coefficient) “sHf …sf ˆ sHf † [1]”. Oleh karena itu, tingkat keausan koefisien strength dapat digantikan oleh strength fraktur yang Diperoleh dari tes ketegangan (tention test). sejak strength fraktur Ramp sebanding dengan kekerasan, sebagaimana dinyatakan dalam bagian sebelumnya, koefisien kekuatan kelelahan (fatigue strength coefficient) dapat juga dinyatakan dalam pengertian pada die.
Fig. 4. Hubungan antara parameter b dan kekerasan.
  | kekerasan. Untuk menyederhanakan model teoritis yang diusulkan, faktor a diperkenalkan ke dalam equivalent (4), yang memodifikasi kelelahan elastis ketegangan ke ketegangan total kelelahan, diasumsikan konstan untuk bahan-bahan mati yang diselidiki. Mengingat data pengujian kelelahan, A ditemukan untuk menjadi sekitar 0,02 untuk bahan-bahan mati yang diselidiki dalam studi ini. Adapun b konstan yang diperkenalkan ke dalam persamaan 1, ini tergantung dari kekerasan bahan mati. Untuk bahan mati dengan nilai-nilai yang berbeda dari kekerasan, B juga berbeda, nilai yang ditentukan dari tes kelelahan. Hubungan antara b dan kekerasan bahan yang digambarkan dalam Fig. 4. dengan semua konstanta materi ditentukan, ketegangan total kelelahan adalah belum ditemukan sehingga mati kelelahan kehidupan dapat meramalkan menurut equivalent (5). Karena bentuk mati biasanya tidak biasa dan kondisi pemuatan kompleks, deformasi mati adalah dif ® kultus dapat ditemukan analitis. Dalam studi sekarang, metoda unsur simulasi dilakukan untuk menentukan strain kelelahan mati karena akan menjadi layanan. Prosedur rinci digambarkan di bagian berikut. |
Fig. 6. Finite element simulation of a cold-forging process. |
5. Predikasi kehidupan kelelahan dies
Pandangan dari equivalent (5), ketegangan total kelelahan dapat digunakan untuk memprediksi mati kelelahan hidup jika semua konstanta materi lain
sudah ditentukan dari hasil percobaan. Dalam rangka untuk memfasilitasi analisis, finite elemen simulasi dilakukan dalam studi sekarang untuk mendapatkan kelelahan total strain untuk set dipilih mati, seperti ditunjukkan pada gambar 5. Hal ini terlihat dalam gambar 5 bahwa geometri mati dirancang untuk menyertakan sudut tajam di mana deformasi plastik yang disebabkan oleh stres konsentrasi diperkirakan akan terjadi, mengakibatkan kegagalan rendah-siklus kelelahan mati. Semua empat mati bahan yang diperiksa dalam studi sekarang disimulasikan menggunakan konfigurasi mati sama, ditampilkan di Fig. 5, untuk mendapatkan kelelahan total ketegangan. Materi yang ditempa antara atas dan bawah mati adalah baja karbon rendah, dan deformasi diasumsikan kondisi pesawat-ketegangan. Metoda unsur program DEFORM dipekerjakan di masa kini studi untuk melakukan simulasi.Simulasi proses diilustrasikan pada gambar 6, dan ketegangan total kelelahan dihitung untuk setiap bahan mati. Substitusikan persamaan hasil simulasi ke equivalent (5), kelelahan diperkirakan hidup untuk setiap bahan mati dihitung dan layanan siklus yang tercantum dalam tabel 5
Table 5
Calculated fatigue life of the bottom die
Die material (50 HRc) | Fatigue strain (FEM) | Fracture stress (MPa) | B | Fatigue life (cycle) |
SK4 SKS3 SKD11 SKH9 | 0.0098 0.0115 0.0109 0.01176 | 1992.9 1929 1896.3 2117.6 | À0.1155 À0.1206 À0.1091 À0.1019 | 843 231 407 865 |
6. Concluding remarks
The fatigue life of cold-forging dies with various values of hardness were investigated in the present study. Four kinds
of die materials, SK4, SKS3, SKD11 and SKH9 were examined. The die materials were heat-treated by the pro- posed quenching and tempering processes to obtain various values of hardness, while the ductility was retained at a favorable level. The heat-treated die materials were then used to prepare the specimens for the tension and impact tests to construct the relationship between the die material properties and the die hardness.
A simple theoretical model was also proposed using the die hardness and the fatigue total strain as parameters to predict the die fatigue life. With the help of the finite element simulations, the fatigue total strain can be calculated and the die fatigue life is then predictable using the theoretical model. Since the die hardness is easily measurable, the proposed fatigue model is quite efficient in providing a convenient guideline for the estimation of the die quality
in any given cold-forging operation. However, the proposed fatigue model is yet to be validated by more experimental data.
Acknowledgements
The authors wish to thank the National Science Council of the Republic of China for its support under project #NSC87-2212-E002-043.
References
[1] American Society for Testing and Materials, Manual on Low Cycle
Fatigue Testing, ASTM STP, Vol. 465, Philadelphia, PA, 1969, pp. 1±
26.
[2] J.A. Bannantin, J.J. Comer, J.L. Handrock, Fundamentals of Metal
Fatigue Analysis, Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, 1990.
[3] B.I. Sandor, Fundamental of Cyclic Stress and Strain, The University
of Wisconsin Press, London, 1972.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar