Cavity Penyusutan: Cacat Utama dalam Kualitas Baja & Integritas Penuangan

Definisi dan Konsep Dasar

Ruang Penyusutan adalah jenis cacat internal yang umum ditemui dalam pengecoran baja dan komponen yang dilas, ditandai dengan adanya rongga atau ruang yang terbentuk akibat kontraksi volumetrik logam cair selama pembekuan atau pendinginan. Ini muncul sebagai rongga makro atau mikroskopis dalam struktur baja, sering kali tampak sebagai zona berongga atau berpori yang dapat mengkompromikan integritas material.

Cacat ini signifikan dalam pengendalian kualitas baja karena secara langsung mempengaruhi sifat mekanik, seperti kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan terhadap kelelahan. Kehadiran ruang penyusutan dapat menyebabkan kegagalan prematur dalam layanan, terutama di bawah beban siklik atau kondisi stres tinggi.

Dalam kerangka yang lebih luas dari jaminan kualitas baja, ruang penyusutan dianggap sebagai indikator kritis dari pengendalian proses pengecoran atau pengelasan. Deteksi dan mitigasi mereka sangat penting untuk memastikan keandalan dan keamanan produk baja, terutama dalam aplikasi berkinerja tinggi seperti bejana tekan, komponen struktural, dan mesin kritis.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, ruang penyusutan muncul sebagai rongga tidak teratur, sering kali memanjang dalam baja, terlihat melalui metode pengujian non-destruktif seperti inspeksi ultrasonik atau radiografi. Rongga ini dapat berkisar dari pori mikroskopis hingga rongga besar yang jelas terlihat tergantung pada tingkat keparahan cacat.

Secara mikroskopis, ruang penyusutan ditandai oleh kurangnya material logam, sering dikelilingi oleh mikrostruktur halus atau kasar. Mereka mungkin saling terhubung atau terisolasi, dengan batas rongga menunjukkan antarmuka yang jelas antara logam yang telah membeku dan ruang kosong. Di bawah pemeriksaan mikroskopis, rongga ini sering menunjukkan bentuk yang halus dan bulat, menunjukkan efek tegangan permukaan selama pembekuan.

Mekanisme Metalurgi

Pembentukan ruang penyusutan terutama dipicu oleh kontraksi volumetrik baja cair selama pembekuan. Saat baja mendingin dari keadaan cair ke keadaan padat, ia mengalami peningkatan densitas, yang mengakibatkan pengurangan volume biasanya sekitar 6-8%. Jika penyediaan logam cair untuk mengkompensasi kontraksi ini tidak mencukupi, rongga atau ruang terbentuk.

Secara mikrostruktur, rongga ini sering kali terkait dengan daerah terakhir yang membeku, seperti pusat pengecoran atau zona dengan saluran penyediaan yang buruk. Mikrostruktur di sekitar ruang penyusutan mungkin menunjukkan fitur dendritik atau interdendritik, dengan rongga sering terletak di daerah interdendritik di mana penyediaan tidak memadai.

Komposisi baja mempengaruhi kemungkinan pembentukan ruang penyusutan. Misalnya, baja dengan elemen karbon tinggi atau paduan yang meningkatkan rentang pembekuan cenderung lebih rentan. Kondisi pemrosesan, seperti laju pendinginan yang lambat, sistem pengaliran yang tidak memadai, atau desain cetakan yang tidak tepat, memperburuk pembentukan rongga ini.

Sistem Klasifikasi

Ruang penyusutan diklasifikasikan berdasarkan ukuran, lokasi, dan tingkat keparahan. Kriteria klasifikasi umum meliputi:

• Ukuran: Kecil (<1 mm), sedang (1-5 mm), besar (>5 mm)
• Lokasi: Terhubung ke permukaan, internal, atau tertanam
• Keparahan: Minor (dapat diterima dalam spesifikasi), sedang (mungkin memerlukan tindakan perbaikan), parah (ditolak)

Dalam standar industri, seperti ASTM A802 atau ISO 1071, tingkat keparahan sering dinilai pada skala dari 1 hingga 4, dengan 1 menunjukkan rongga minimal atau tidak terlihat dan 4 menunjukkan penyusutan yang luas dengan dampak kritis pada sifat mekanik.

Memahami klasifikasi ini membantu dalam menginterpretasikan dampak cacat pada kinerja komponen dan menentukan tindakan perbaikan atau penerimaan yang tepat.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode utama untuk mendeteksi ruang penyusutan meliputi:

• Pengujian Ultrasonik (UT): Memanfaatkan gelombang suara frekuensi tinggi yang ditransmisikan melalui baja untuk mengidentifikasi diskontinuitas internal. Variasi dalam sinyal yang dipantulkan menunjukkan adanya rongga.

• Pengujian Radiografi (RT): Menggunakan sinar-X atau sinar gamma untuk menghasilkan gambar struktur internal. Ruang penyusutan muncul sebagai zona gelap atau rongga pada radiografi.

• Pemeriksaan Partikel Magnetik (MPI): Cocok untuk rongga yang terhubung ke permukaan, di mana medan magnet dan partikel besi mengungkapkan cacat permukaan atau dekat permukaan.

• Pemeriksaan Visual dan Metalografi: Untuk permukaan yang dapat diakses atau sampel yang disiapkan, pemeriksaan mikroskopis mengungkapkan rongga internal dan konteks mikrostrukturalnya.

Setiap metode memiliki keunggulan spesifik; ultrasonik dan radiografi paling efektif untuk deteksi cacat internal, sementara metode visual dan metalografi memberikan wawasan mikrostruktural yang mendetail.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar yang relevan termasuk ASTM E1444/E1444M untuk pengujian ultrasonik, ASTM E1421 untuk pengujian radiografi, dan ISO 10675 untuk inspeksi ultrasonik pengecoran baja.

Prosedur tipikal meliputi:

• Menyiapkan permukaan spesimen (pembersihan, pengkondisian permukaan).
• Kalibrasi peralatan dengan standar yang diketahui.
• Melakukan pemindaian atau radiografi sepanjang orientasi yang ditentukan.
• Menginterpretasikan sinyal atau gambar untuk mengidentifikasi anomali.
• Mendokumentasikan ukuran, lokasi, dan tingkat keparahan rongga yang terdeteksi.

Parameter kritis termasuk frekuensi transduser ultrasonik, waktu paparan untuk radiografi, dan pengaturan sensitivitas, yang mempengaruhi akurasi deteksi.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari batch produksi, dengan permukaan yang disiapkan untuk memastikan pengikatan yang tepat (untuk ultrasonik) atau gambar radiografi yang jelas. Pembersihan permukaan menghilangkan lapisan skala atau oksida yang dapat mengaburkan sinyal.

Untuk pemeriksaan metalografi, sampel dipotong, dipasang, dipoles, dan di-etch untuk mengungkap fitur internal. Pengambilan sampel yang tepat memastikan bahwa rongga penyusutan yang terdeteksi mencerminkan kualitas keseluruhan komponen baja.

Akurasi Pengukuran

Presisi pengukuran tergantung pada kalibrasi peralatan, keterampilan operator, dan kondisi spesimen. Repetabilitas dicapai melalui prosedur standar, sementara reproduktifitas memerlukan lingkungan pengujian yang konsisten.

Sumber kesalahan termasuk kalibrasi yang tidak tepat, persiapan permukaan yang tidak memadai, atau salah interpretasi sinyal. Untuk memastikan kualitas pengukuran, kalibrasi rutin, pelatihan operator, dan validasi silang dengan beberapa metode disarankan.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Ukuran ruang penyusutan biasanya dinyatakan dalam milimeter (mm) atau sebagai persentase dari total area penampang. Misalnya, rongga yang berukuran 2 mm dalam diameter dalam bagian 50 mm sesuai dengan 4% dari penampang.

Penilaian kuantitatif dapat melibatkan perhitungan proporsi volumetrik rongga relatif terhadap total volume, sering dinyatakan sebagai persentase atau bagian per juta (ppm). Perangkat lunak analisis gambar dapat membantu dalam mengukur dimensi dan distribusi rongga.

Interpretasi Data

Hasil diinterpretasikan berdasarkan kriteria penerimaan yang telah ditetapkan. Misalnya, pengecoran baja dapat diterima jika ruang penyusutan menempati kurang dari 2% dari area penampang, tanpa rongga kritis yang terletak di zona yang menanggung beban.

Nilai ambang bervariasi tergantung pada aplikasi dan standar.