Precipitation Hardening With Copper Sulfide in Cu Bearing Extra Low Carbon Steel Sheet

Precipitation Hardening with Copper Sulfide in Cu Bearing Extra Low Carbon Steel Sheet

M.Ekaditya Albar / 0806331683

Teknik Metalurgi dan Material UI 2008

Title :

Precipitation Hardening with Copper Sulfide in Cu Bearing Extra LowCarbon Steel Sheet

Authors :

S. I. KIM, K. G. CHIN, and J. B. YOON

Source :

ISIJ International, Vol.49 (2009), No.1, pp. 109-114

Received on May 23, 2008; accepted on November 3, 2008

Isi Jurnal :

1. Mempelajari mekanisme penguatan presipitasi Cu-S karena adanyaCu2S yang halus untuk baja ELC pada proses continuous annealing.

2. Hasil dari penambahan paduan Cu pada baja ELC dan perbandingannyadengan baja konvensional Nb-Ti BH.

Data Jurnal

4-Apr-11 2Tugas 1 Jurnal Baja Khusus dan Paduan Super

Penggunaan high strength cold-rolled bake hardenable steelsheets untuk industri otomotif telah dikembangkan padadekade terakhir ini.

Metode penguatan yang berperan pada Extra Low Carbon(ELC) Steel dan Interstitial Free (IF) steel adalah solid solutionstrengthening (dengan paduan Si, Mn dan P) dan precipitationstrengthening (dengan paduan Nb dan Ti).

Permasalahan yang timbul adalah, dengan penambahanpaduan Si dan Mn dapat mengurangi kualitas permukaankarena proses oksidasi, sedangkan penambahan paduan Pdapat menyebabkan embrittlement pada secondary workkarena kekuatan batas butirnya rendah.

Latar Belakang


Pembuatan extra low carbon bake hardenable steelyang kuat karena proses precipitation strengtheningoleh distribusi endapan yang halus dari Coppersulfide (Cu2S) sebagai pengganti dari solid solutionstrengthening dan precipitation strengthening olehpaduan Si, Mn, Nb dan Ti. Cu sulfida ini memilikikristal dengan orientasi BCC (Body Centered Cubic).

Tujuan


Pada industri otomotif, terjadi peningkatankebutuhan panel eksterior dengan kualitas yangtinggi, sifat fungsional yang baik dan ringan.

Umumnya, material Bake Hardening (BH) steel sheetadalah baja lembaran yang ideal dengan sifatfungsional yang baik karena high formability, tahanpenyok dan ringan.

BH steel sheet dibentuk secara press forming sebagaibaja ringan dan dikeraskan secara baking treatment.

Introduction


Pengerasan secara pembakaran (Bake Hardening)berbasis pada penguncian dislokasi oleh atom interstisiseperti C dan N dalam solution.

Atom-atom interstisi tersebut (C dan N) harusdistabilisasi dengan penambahan yang tepat atom Ti danNb.

Namun, sangat sulit untuk dapat mengontrol jumlahoptimum dari kandungan Ti, Nb, C, N dan S pada prosespembuatan baja konvensional sehingga menghasilkan BHyang kurang kuat dan terbentuk cacat saat aging.

Introduction


Penggunaan Extra Low Carbon steel (ELC) mulai dipakaiuntuk mengurangi penggunaan Ti dan Nb sebagaistabilizer C dan N.

Sebagai panel eksterior, sifat kualitas permukaan danketahanan terhadap korosi sangat diperlukan danbergantung pada elemen paduan seperti Si, Mn dan P.

Penambahan paduan Mn, Si, P, Ti dan Nb dapatmeningkatkan kualitas permukaan baja dan formabilityyang baik, namun mengurangi kekuatan dari bajatersebut.

Introduction


Solusi untuk masalah ini adalah dengan penggunaan bajaELC dengan endapan Cu sulfides berukuran nano untukmenghindari reduksi dari kekuatan baja tersebut.

Pengaruh Cu terhadap sifat mekanis baja telah dilakukanpada 2 jenis baja ELC, yaitu baja ELC dengan paduan Tidan baja ELC bebas Ti.

Studi tersebut menjelaskan bahwa penambahan Cu padabaja dapat menghasilkan solid solution dan precipitationhardeningmelalui endapan ε-Cu dan Cu-S.

Introduction


1) Material• Material yang digunakan adalah baja ELC dengan bakehardenability seperti pada tabel 1.

• Jumlah Mn pada baja Nb-Ti BH dipilih untuk memperolehkekuatan tarik yang sama dengan baja02Cu ELC (340 MPa).

Experiments (1)


Experiments (1)


• Baja tersebut disiapkan pada laboratory vacuum induction melting.

• Spesimen diperoleh dalam bentuk square as-cast slab dengan ketebalan 25

mm, lebar 150 mm dan panjang 300 mm.

• Slab tersebut lalu dimasukkan ke rolling mill setelah dihomogenisasi pada

suhu 12000C. Slab dimasukkan ke hot-rolled sampai 5 kali untuk hasilkan

baja hot sheet dengan tebal 3.2 mm.

• Suhu finishing rolling sekitar 9000C yang diukur oleh pyrometer.

• Setelah rolling, baja didinginkan sampai 6500C dengan sistem pendinginan

udara (100C/s) lalu dilakukan furnace-cooled untuk simulasi proses coiling

dari hot strip mill.

• Hot rolled sheets dilakukan proses cold rolled menjadi sheet dengan tebal

0.7 mm, lalu di-anneal pada 8000C selama 3 menit pada infrared furnace.

• Untuk membandingkan sifat mekanis, sampel yang telah di-anneal

dilakukan skin-pass rolling dengan constant strain sebesar 1.2 %.

2) Evaluasi Sifat Mekanis• Sifat mekanis dievaluasi melalui uji tarik dengan spesimen JIS-5(gauge length: 50 mm, gauge width: 25 mm).

• Yield strength didefinisikan sebagai lower yield point atau sebagaistrength pada 0.2 % offset strain pada kasus yang tidak ada yieldpoint.

• Bake hardenability diukur dari perbedaan antara initial yield strengthdan yield strength setelah heat treatment selama 20 menit pada1700C.

• Prosedur tes pada studi ini mengikuti rekomendasi dari manufakturotomotif.

Experiments (2)


• Gaya eksternal untuk mendapatkan fixed displacement darisunken deflection dievaluasi menggunakan hemisphericalindenter.

• Diameter dan kekerasan dari indenter adalah 25.4 mm danRc 55 (Rockwell Hardness).

• Nilai displacement sunken deflection adalah 4 mm.

• Beban kritis yang menghasilkan local trivial dent padatengah-tengah shallow shell dipandang sebagai indeksevaluasi yang penting untuk dent resistance padaautomobile parts.

Experiments (2)


3. Karakterisasi Endapan• Untuk mengarakterisasi morfologi, distribusi ukuran dankomposisi kimia dari endapan nano, digunakan alat TEM JEOL2010EX yang di-couple dengan JEOL-2100F yang dilengkapidengan energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS).

• Spesimen tipis untuk TEM didapat dengan memotong dari bulkdengan ketebalan 0.2 mm dan digerinda sampai ukuran 80 µm.

• Sampel foil disiapkan dengan electro-polishing dalam 50 V padalarutan elektrokimia yang mengandung 5 % asam perklorat dan95 % metanol.

Experiments (3)


• Untuk mengarakterisasi endapan, dilakukan investigasi Cusulfida dari spesimen thin foil dengan EDS.

• Dari Cu sulfida hasil TEM yang diperoleh, distribusi ukurandari endapan secara kuantitatif ditentukan oleh imageanalysis system.

• Untuk mengidentifikasi struktur endapan, image HighResolution TEM diperoleh dari mikroskop elektron dengantegangan tinggi (JEOL-1250: JEM-ARM 1300S) di Korea BasicScience Institute.

Experiments (3)


• Fig.1 menunjukkan pengukuran yield strengthdan ultimate tensile strength dari baja ELC yangdigunakan pada studi ini.

• Nilai yield dan tensile strength bertambah seiringdengan pertambahan jumlah Cu.

• Persamaan untuk yield strength :

• σi : friction stress opposing dislocation motion,σs : solid solution strengthening,σp : precipitation hardening, σd : dislocationstrengthening, σss : subgrain size strengthening,σt : crystallographic texture strengthening,ky : konstanta, d : grain size.

• σd , σss , dan σt berkaitan dengan variabel prosesseperti suhu rolling, suhu cooling, cold rollingreduction dan suhu annealing.

• Strengthening effect tersebut bisa diabaikankarena seluruh sampel diperlakukan pada prosesyang sama.

Hasil dan Diskusi (1)


1. Sifat Mekanik dari Baja ELC

Paduan Cu

• Besarnya ukuran butir untuk baja 0Cu, 01Cu dan 02Cu ELC berturut-turut adalah14.7 µm, 13.5 µm, 12.1 µm.

• Dengan memasukkan ukuran butir untuk baja 0Cu dan 02Cu ELC ke persamaan (1),nilai strengthening effect adalah 3.9 MPa dan 4.3 MPa dengan nilai ky sebesar 15MPa mm-1/2.

• Untuk mengetahui nilai efek strengthening, perbedaan yield strength antara baja0Cu dan 02Cu ELC adalah :



• Dari persamaan (2) dapat diketahui bahwa precipitation hardeningeffect pada penambahan 02wt%Cu adalah sekitar 11 MPa karenaperbedaan yield strength yang diukur pada Fig.1 adalah sekitar 19MPa.

• Total elongation dari baja 0Cu, 01Cu dan 02Cu ELC berturut-turutadalah 42.3%, 42.1%, dan 42.7%.

• Setelah skin-pass rolling, besarnya elongasi baja adalah 42.0%,41.3%, 41.0%.

• Hasil tersebut secara jelas menunjukkan bahwa baja ELC dapatdiperkuat dengan paduan Cu.

• Keuletan yang baik pada Cu yang ditambahkan pada baja ELCdisebabkan oleh grain refinement dan texture evolution.



• Tabel 2 menunjukkan sifat mekanik dari baja 02Cu ELC dan baja Nb-Ti BH.

• Bake hardenability dan dent resistance dari baja ELC yang ditambah Cupada studi ini hampir sama dengan baja Nb-Ti BH.

• Yield strength, tensile strength dan total elongasi dari baja Nb-Ti BHadalah 300 Mpa, 360 Mpa, dan 41.5%. Sedangkan untuk baja 02Cu ELC,nilainya adalah 239.2 Mpa, 361.3 Mpa, dan 40.5% setelah dilakukan skin-pass rolling.

• Banyak manufaktur otomotif membutuhkan kekuatan bake hardeningyang lebih besar dari 30 Mpa dan baja ELC paduan Cu dapat memenuhikebutuhan tersebut.



2. Endapan Cu Sulfida

• Satu alasan yang jelas tentang mekanisme penguatan baja ELCpaduan Cu adalah adanya endapan Cu dalam bentuk ε-Cu dan Cusulfida.

• Pembentukan endapan ε-Cu umumnya diikuti olehsupersaturated solution dari Cu pada α-Fe dan aging melalui heattreatment.

• Studi sebelumnya telah menjelaskan stabilitas termodinamik dariCu2S pada baja berdasarkan CAL-PHAD thermodynamic analysismethod (binary system Cu-S dan ternary system Fe-Cu-S).

• Parameter termodinamik tersebut dikombinasikan dengandatabase termodinamik dari baja, TCFE2000 untuk estimasi daristabilitas termodinamik Cu2S pada baja ELS.



• Melalui perhitungan termodinamik berdasarkan CAL-PHADthermodynamic analysis method, fasa stabil secaratermodinamik pada baja 02Cu ELC dan baja Nb-Ti BH adalah :



• Berdasarkan hasil tersebut, Cu2S sebenarnya adalah fasayang tidak stabil secara termodinamika.

• Fasa ini dapat diendapkan ketika fasa kesetimbangantermodinamik tidak dicapai selama proses pembuatanbaja.

• Akumulasi atom Cu pada interface matrix Cu2S karenapenurunan kelarutan dari Cu pada MnS denganpenurunan suhu dan adanya driving force pembentukanCu2S pada daerah dimana sulfida lainnya tidak terbentuk,memungkinkan untuk pembentukan fasa tidak stabil ini.



• Fig.4 menunjukkan bright-field TEM images dari beberapa endapan untukbaja 02Cu ELC.



• Diameter rata-rata dan kerapatan dari endapan adalah 13.5 nm dan3.80x1010cm-2.

• Berdasarkan EDS elemental point analysis, endapan tersebutmengandung Cu, Mn dan S.

• Endapan yang bulat adalah (Mn,Cu)S.

• Fig.4 menunjukkan pola [011] SAED (Selective Area ElectronDifraction) dari matrix α-Fe pada spesimen yang sama.

• Zone axis sejajar terhadap [001] dari (Mn,Cu)S.

• Oleh karena itu, asumsi bahwa sulfida memiliki bentuk kubus yangberhubungan dengan matrix sangat masuk akal dan hubunganorientasinya dapat ditulis sebagai (001)(Mn,Cu)S//(001)α-Fe dan[001](Mn,Cu)S //[001]α-Fe.



• Fig.5 menunjukkan bright-field TEM image dari endapan bulat besarpada baja 02Cu ELC.



• Berdasarkan Fig.5 endapan besar memiliki bentukcore-shell.

• EDS elemental mapping analysis untuk endapanberbentuk core-shell mengungkap bahwa elemen Cudan S terdistribusi pada bagian shell dan elemenCu,Mn serta S terdistribusi pada bagian core.



• Fig.6 menunjukkan gambar lattice pada endapan berukuran5 nm



• Pada Fig.6(c) menunjukkan bahwa hasil diffractogram bidang(001) dari endapan sejajar dengan bidang (001) dari matrixα-Fe.

• Semua hasil ini menunjukkan endapan memiliki orientasi yangsama dengan matrix α-Fe, sehingga: [001]Cu2S // [001]α-Fe dan(001)Cu2S // (001)α-Fe.

• Lattice parameter dari Cu2S adalah 0.57 nm, hampir dua kalilipat dari matrix α-Fe (0.287 nm).

• Hal ini memungkinkan untuk mengasumsikan lattice yangtepat pada hubungan orientasi kubus antara Cu2S dan matrixα-Fe denganmisfit strain energy yang rendah.



Cu2S yang berukuran nano pada Cu yang ditambahkan pada baja ELCmemiliki hubungan yang baik dengan matrix α-Fe sehingga dapatmembentuk mekanisme precipitation hardening yang baik.

Baja ELC yang dipadu dengan Cu, mengandung Cu sulfida berukuran nanoyang terdiri dari (Mn,Cu)S dan Cu2S.

Penambahan 0.2% Cu dapat meningkatkan yield strength baja ELC sebesar19 MPa dibanding baja tanpa penambahan Cu.

Besarnya efek precipitation hardening karena adanya endapan Cu-Sadalah sekitar 11 MPa.

Paduan elemen Mn dan Si pada baja memiliki efek yang negatif padakualitas permukaan dari baja yang di-coating.

Baja dengan paduan Cu ini sangat berguna bagi pembuat baja yang inginmembuat baja dengan kandungan Mn dan Si yang sedikit tanpamengurangi sifat mekaniknya.

Kesimpulan


1) L. J. Baker, S. R. Daniel and J. D. Parker:Mater. Sci. Technol., 18 (2002), 355.

2) L. J. Baker, J. D. Parker and S. R. Daniel:Mater. Sci. Technol., 18 (2002), 541.

3) S. Hoile:Mater. Sci. Technol., 16 (2000), 1079.

4) B. Soenen, A. K. De, S. Vandeputte and B. C. De Cooman: Acta Mater., 52 (2004), 3483.

5) S. W. Ooi and G. Fourlaris:Mater: Charact., 56 (2006), 214.

6) I. Hertveldt, B. C. Decooman and S. Claessens:Metall. Mater: Trans A, 31A (2000), 1225.

7) S. Feliu Jr. and M.L. Perez-Revenga: Acta Mater., 53 (2005), 2857.

8) L. D. Way:Mater. Sci. Technol.,17 (2001), 1175.

9) M. Morita, K. Sato and Y. Hosoya: ISIJ Int., 34 (1994), 92.

10)K. Osamura, H. Okuda, S. Ochiai, M. Takashima, K. Asano, M. Furusaka, K. Kishda and F.Kurosawa: ISIJ Int., 34 (1994), 359.

11)Y. Kimura and S. Takaki: ISIJ Int., 37 (1997), 290.

12)T. Yamada, M. Oda and O. Akisue: ISIJ Int., 35 (1995), 1422.

References (1)


13) H. Kejian and T. N. Baker:Mater. Sci. Technol., 8 (1992), 1082.

14) Y. Ishiguro, T. Murayama and K. Sato:Mater. Sci. Forum, 561-565 (2007), 2029.

15) A. Guillet, E. ES-Sadiqi, G. L’esperance and F. G. Hamel: ISIJ Int., 36 (1996), 1190.

16) Z. Liu, Y. Kobayashi, K. Nagai, J. Yang and M. Kubawara: ISIJ Int., 46 (2006), 744.

17) Z. Liu, Y. Kobayashi and K. Nagai: ISIJ Int., 44 (20040, 1560.

18) Japanese Standards Association: Test Pieces for Tensile Test for Metallic Materials, JIS Z2201, JIS Handbook, Ferrous Materials and Metallurgy, Vol. 1, (2004), 227.

19) S. Holmberg and B. Nejabat:Mater. Design, 25 (2004), 361.

20) R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer: Material Science and Technology – A ComprehensiveTreatment, Vol. 7, Constitution and Properties of Steel, VCH Publishers, New York, (1992),45.

21) M. S. Gagliano and M. E. Fine:Metall. Mater. Trans. A, 35A (2004), 2323.

22) B. J. Lee, B. Sundman, S. I. Kim and K. G. Chin: ISIJ Int., 47 (2007), 163.

23) N. Saunders and A. P. Miodownik: Calphad, ed. By R. W. Cahn, Pergamon Materials Series,Vol.1, Elsevier, Oxford (1998).

24) TCFE2000: The Thermo-Cale Steels Database, upgraded by B.J. Lee and B. Sundman, KTH,Stockholm, (1999).

References (2)


4-Apr-11 Tugas 1 Jurnal Baja Khusus dan

Paduan Super

31

Precipitation Hardening With Copper Sulfide in Cu Bearing Extra Low Carbon Steel Sheet

Documents

dan panjang

dengan paduan nb dan

mn dan p dan precipitation

n dan s pada

dengan paduan si

jenis baja elc

melalui endapan cu dan

baja didinginkan sampai