Skala: Defek Kunci dalam Pengendalian Kualitas dan Pengujian Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Skala dalam industri baja mengacu pada lapisan atau film oksida atau endapan permukaan lainnya yang terbentuk di permukaan baja selama pemrosesan suhu tinggi, seperti penggulungan panas, annealing, atau penempaan. Ini terutama terdiri dari oksida besi (seperti FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃) bersama dengan oksida logam lainnya tergantung pada elemen paduan dan kondisi lingkungan.

Fenomena ini adalah cacat permukaan umum yang mempengaruhi kualitas permukaan, penampilan, dan kadang-kadang sifat mekanis produk baja. Pembentukan skala adalah pertimbangan kritis dalam pengendalian kualitas karena dapat mempengaruhi proses penyelesaian berikutnya, ketahanan korosi, dan kinerja produk secara keseluruhan.

Dalam kerangka yang lebih luas dari jaminan kualitas baja, skala dipandang sebagai fitur permukaan yang tidak diinginkan yang dapat mengompromikan kelancaran permukaan, akurasi dimensi, dan daya tarik estetika. Kehadirannya memerlukan penghapusan atau mitigasi untuk memenuhi standar industri yang ketat untuk kualitas permukaan, terutama dalam aplikasi yang menuntut integritas permukaan tinggi seperti panel otomotif, mesin presisi, dan komponen struktural.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, skala muncul sebagai lapisan permukaan yang kasar, bersisik, atau berkerak yang dapat diidentifikasi secara visual melalui inspeksi. Ini sering muncul sebagai film kusam, kebiruan, kecoklatan, atau hitam yang menutupi permukaan baja, tergantung pada komposisi oksida dan kondisi pendinginan.

Secara mikroskopis, skala terdiri dari lapisan oksida yang berpori atau padat yang menempel longgar atau kuat pada logam yang mendasarinya. Di bawah pembesaran, ia mengungkapkan struktur berlapis dengan ketebalan yang bervariasi, sering kali berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer. Permukaan dapat menunjukkan retakan, pengelupasan, atau penutupan yang tidak merata, yang menunjukkan proses pembentukan dan sejarah termal.

Mekanisme Metalurgi

Pembentukan skala secara fundamental didorong oleh reaksi oksidasi yang terjadi ketika baja terpapar oksigen pada suhu tinggi. Selama pemanasan, oksigen berdifusi ke dalam permukaan baja, bereaksi dengan besi dan elemen paduan untuk membentuk berbagai oksida besi. Fase oksida spesifik tergantung pada suhu, tekanan parsial oksigen, dan komposisi paduan.

Perubahan mikrostruktur melibatkan nukleasi dan pertumbuhan lapisan oksida di permukaan baja. Awalnya, film oksida tipis terbentuk, yang dapat tumbuh lebih tebal dengan paparan suhu tinggi yang berkepanjangan. Proses pertumbuhan diatur oleh difusi ion oksigen melalui lapisan oksida dan stabilitas termodinamika dari berbagai fase oksida.

Komposisi baja secara signifikan mempengaruhi pembentukan skala. Misalnya, tingkat tinggi elemen paduan seperti kromium, nikel, atau silikon dapat mengubah stabilitas oksida dan mengurangi kecenderungan untuk pembentukan skala. Kondisi pemrosesan seperti suhu, atmosfer (oksidasi vs. reduksi), dan laju pendinginan juga secara kritis mempengaruhi sifat dan tingkat skala.

Sistem Klasifikasi

Klasifikasi standar skala umumnya mempertimbangkan penampilan, daya rekat, dan ketebalan. Kategori umum meliputi:

• Skala Ringan: Film oksida tipis yang sering kali dapat dihapus dengan pembersihan ringan atau pengasaman.
• Skala Berat: Lapisan oksida tebal yang menempel longgar yang mungkin memerlukan penghapusan mekanis atau perlakuan kimia.
• Skala Melepuh atau Mengelupas: Skala yang telah retak atau terkelupas akibat stres termal atau ekspansi termal yang tidak kompatibel antara oksida dan logam.
• Skala Berwarna: Lapisan oksida yang menunjukkan warna khas (biru, jerami, coklat, hitam) yang menunjukkan sejarah suhu dan komposisi oksida.

Peringkat keparahan sering kali didasarkan pada tingkat penutupan dan kemudahan penghapusan, dengan standar yang memberikan ambang batas spesifik untuk kondisi permukaan yang dapat diterima dalam berbagai aplikasi.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Inspeksi visual tetap menjadi metode paling sederhana untuk deteksi awal skala, terutama di lingkungan produksi. Operator menilai keseragaman permukaan, warna, dan daya rekat.

Untuk pengukuran yang lebih tepat, mikroskopi optik dapat digunakan untuk memeriksa mikrostruktur permukaan dan ketebalan lapisan oksida. Mikroskop elektron pemindaian (SEM) memberikan pencitraan terperinci tentang morfologi oksida dan karakteristik daya rekat.

Metode pengujian non-destruktif seperti pengujian arus eddy atau inspeksi partikel magnetik kurang umum tetapi kadang-kadang dapat mendeteksi perbedaan dalam konduktivitas permukaan atau sifat magnetik yang disebabkan oleh lapisan oksida.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional seperti ASTM A123/A123M (Spesifikasi Standar untuk Pelapisan Zinc (Galvanis Panas) pada Produk Besi dan Baja) dan ISO 9223 (Korosi logam dan paduan — Korosivitas atmosfer) memberikan pedoman untuk menilai oksidasi permukaan dan skala.

Prosedur tipikal melibatkan:

• Membersihkan permukaan spesimen untuk menghilangkan kotoran atau minyak yang longgar.
• Inspeksi visual di bawah kondisi pencahayaan standar.
• Pengukuran ketebalan lapisan oksida menggunakan mikrometer atau perangkat arus eddy.
• Mencatat penampilan permukaan, warna, dan daya rekat.

Parameter kritis termasuk suhu selama pemrosesan, laju pendinginan, dan komposisi atmosfer, yang mempengaruhi karakteristik skala.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari batch produksi, dengan permukaan yang disiapkan sesuai dengan kondisi standar—dibersihkan, bebas dari minyak, lemak, atau kontaminan lainnya. Kondisi permukaan mungkin melibatkan penggilingan ringan atau penghalusan untuk menghilangkan ketidakteraturan permukaan yang dapat mengganggu pengukuran.

Ukuran dan bentuk sampel tergantung pada metode pengujian; untuk analisis mikrostruktur, kupon kecil adalah tipikal, sementara panel yang lebih besar digunakan untuk inspeksi visual.

Akurasi Pengukuran

Akurasi pengukuran tergantung pada peralatan yang digunakan. Mikrometer dan perangkat arus eddy dapat mencapai akurasi tingkat mikron, tetapi keterampilan operator dan kondisi permukaan mempengaruhi hasil.

Ulang dan reproduktifitas dijamin melalui prosedur standar dan kalibrasi instrumen. Kesalahan dapat muncul dari kekasaran permukaan, heterogenitas oksida, atau faktor lingkungan seperti kelembapan.

Untuk memastikan kualitas pengukuran, kalibrasi terhadap standar bersertifikat, pengukuran ganda di lokasi yang berbeda, dan persiapan permukaan yang tepat disarankan.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Ketebalan lapisan oksida umumnya dinyatakan dalam mikrometer (μm). Penutupan permukaan atau tingkat skala dapat dikuantifikasi sebagai persentase dari area permukaan yang terpengaruh.

Warna dan penampilan sering kali dikategorikan secara kualitatif tetapi dapat dilengkapi dengan pengukuran spektrofotometri untuk analisis warna yang tepat.

Daya rekat skala dinilai pada skala dari 0 (sepenuhnya menempel) hingga 5 (sepenuhnya dapat dihapus), berdasarkan tes daya rekat yang distandarisasi.

Interpretasi Data

Hasil diinterpretasikan terhadap standar industri dan spesifikasi pelanggan. Misalnya, ketebalan oksida maksimum 10 μm mungkin dapat diterima untuk aplikasi tertentu, sementara skala yang lebih tebal atau menempel longgar dapat ditolak.

Kehadiran skala berwarna atau terkelupas menunjukkan oksidasi berlebihan atau stres termal, yang dapat mengompromikan ketahanan korosi atau penyelesaian permukaan.

Nilai ambang ditetapkan berdasarkan penggunaan