Pengelupasan pada Baja: Penyebab, Deteksi, dan Pencegahan dalam Pengendalian Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Spalling dalam industri baja mengacu pada fenomena di mana fragmen, serpihan, atau chip terlepas dari permukaan atau subpermukaan komponen baja, sering kali selama proses manufaktur, perlakuan panas, atau penggunaan. Ini muncul sebagai retakan permukaan atau subpermukaan yang terlokalisasi yang menyebabkan terlepasnya lapisan material, mengakibatkan ketidakberaturan permukaan atau kehilangan integritas material.

Defek ini signifikan karena dapat mengompromikan sifat mekanik, penyelesaian permukaan, dan integritas struktural keseluruhan produk baja. Spalling sering dikaitkan dengan mode kegagalan seperti kelelahan, stres termal, atau deteriorasi yang disebabkan oleh korosi, menjadikannya sebagai perhatian kualitas yang kritis dalam produksi dan aplikasi baja.

Dalam kerangka jaminan kualitas baja yang lebih luas, spalling berfungsi sebagai indikator masalah metalurgi yang mendasari, seperti stres residual, inhomogenitas mikrostruktur, atau perlakuan panas yang tidak tepat. Mendeteksi dan mengendalikan spalling sangat penting untuk memastikan keandalan, keselamatan, dan umur panjang komponen baja, terutama di lingkungan dengan stres tinggi seperti dirgantara, otomotif, dan rekayasa struktural.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, spalling muncul sebagai serpihan atau chip permukaan kecil hingga besar yang telah terpisah dari permukaan baja. Fragmen ini mungkin terlihat dengan mata telanjang, sering kali muncul sebagai bercak kasar dan tidak rata atau kawah di permukaan komponen.

Secara mikroskopis, spalling melibatkan pembentukan mikroretakan dalam mikrostruktur, yang berkembang dan bergabung untuk menghasilkan serpihan yang terlihat. Di bawah pemeriksaan mikroskopis, area yang terkelupas menunjukkan jaringan retakan, rongga, atau fitur mikrostruktur yang terdelaminasi seperti batas butir atau inklusi.

Fitur karakteristik termasuk permukaan yang kasar dan tidak rata dengan tepi yang jelas di mana material telah terlepas. Wilayah yang terkelupas sering menunjukkan tanda-tanda titik inisiasi retakan sebelumnya, seperti inklusi, mikrovoid, atau stres residual. Ukuran dan pola spalling dapat bervariasi tergantung pada tingkat keparahan dan penyebab yang mendasari.

Mekanisme Metalurgi

Dasar metalurgi dari spalling melibatkan inisiasi dan propagasi retakan dalam mikrostruktur baja. Retakan ini sering kali berasal dari lokasi konsentrasi stres seperti inklusi, mikrovoid, atau inhomogenitas mikrostruktur.

Stres termal yang diinduksi selama pendinginan cepat atau pemanasan yang tidak merata dapat menghasilkan stres residual yang melebihi ketangguhan patah material, yang menyebabkan pembentukan retakan. Fitur mikrostruktur seperti butir kasar, distribusi fase yang tidak merata, atau presipitat karbida dapat bertindak sebagai lokasi inisiasi retakan.

Dalam proses suhu tinggi seperti pendinginan cepat atau tempering, gradien termal menyebabkan ekspansi dan kontraksi diferensial, mendorong stres internal yang mempromosikan spalling. Selain itu, keberadaan kotoran atau inklusi non-logam melemahkan matriks, memfasilitasi propagasi retakan.

Komposisi baja mempengaruhi kerentanan: baja karbon tinggi atau baja paduan dengan fase keras atau mikrostruktur rapuh lebih rentan terhadap spalling. Kondisi pemrosesan seperti laju pendinginan yang berlebihan, perlakuan panas yang tidak tepat, atau stres mekanis selama pembentukan juga berkontribusi pada fenomena ini.

Sistem Klasifikasi

Spalling diklasifikasikan berdasarkan keparahan, ukuran, dan lokasi. Skema klasifikasi umum meliputi:

• Spalling Minor: Serpihan kecil atau mikroretakan yang sering kali bersifat superfisial dan tidak mempengaruhi integritas struktural.
• Spalling Sedang: Serpihan yang lebih besar atau kelompok yang dapat mengompromikan sifat permukaan tetapi terlokalisasi.
• Spalling Parah: Lepasnya material yang luas di area yang signifikan, sering kali mengarah pada kegagalan atau penolakan komponen.

Beberapa standar menggunakan skala penilaian, seperti:

• Grade 0: Tidak ada spalling yang teramati
• Grade 1: Spalling ringan, kekasaran permukaan minimal
• Grade 2: Spalling yang terlihat mempengaruhi penyelesaian permukaan
• Grade 3: Spalling yang luas, cacat kritis

Interpretasi tergantung pada persyaratan aplikasi; misalnya, komponen dirgantara membutuhkan spalling minimal, sementara baja struktural mungkin mentolerir tingkat yang lebih tinggi dalam batas yang ditentukan.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Pemeriksaan visual tetap menjadi garis depan deteksi, terutama untuk spalling permukaan, menggunakan alat pembesar seperti lensa tangan atau mikroskop. Pengukuran kekasaran permukaan dan metode pengujian tidak merusak (NDT) juga digunakan.

Pengujian ultrasonik (UT) mendeteksi retakan subpermukaan yang terkait dengan spalling dengan mengirimkan gelombang suara frekuensi tinggi ke dalam material. Variasi dalam sinyal yang dipantulkan menunjukkan cacat internal atau delaminasi.

Pemeriksaan partikel magnetik (MPI) efektif untuk baja ferromagnetik, mengungkapkan retakan permukaan dan dekat permukaan melalui kebocoran fluks magnetik. Pengujian penetran pewarna (DPT) dapat mengidentifikasi retakan dan serpihan yang menembus permukaan dengan sensitivitas tinggi.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar yang relevan termasuk ASTM E164-13 (Praktik Standar untuk Pengujian Partikel Magnetik), ASTM E1444/E1444M-21 (Metode Uji Standar untuk Pengujian Penetran Cair), dan ISO 12718:2014 (Pengujian tidak merusak—Pengujian partikel magnetik).

Prosedur umum meliputi:

• Pembersihan permukaan untuk menghilangkan kontaminan.
• Penerapan penetran atau partikel magnetik sesuai dengan metode.
• Pemeriksaan terkontrol di bawah kondisi pencahayaan dan medan magnet yang ditentukan.
• Evaluasi indikasi berdasarkan ukuran, bentuk, dan lokasi.

Parameter kritis termasuk waktu tinggal penetran, kekuatan medan magnet, dan lingkungan inspeksi. Ini mempengaruhi sensitivitas deteksi dan keterulangan.

Persyaratan Sampel

Sampel harus disiapkan dengan permukaan yang bersih, kering, dan halus. Kondisi permukaan melibatkan penghilangan karat, minyak, atau skala yang dapat mengaburkan indikasi.

Untuk penilaian yang akurat, spesimen harus mewakili batch produksi, dengan penyelesaian permukaan dan mikrostruktur yang konsisten dengan produk akhir. Untuk deteksi cacat internal, sampel representatif dengan riwayat pemrosesan yang diketahui lebih disukai.

Akurasi Pengukuran

Presisi pengukuran tergantung pada keterampilan operator, kalibrasi peralatan, dan kondisi lingkungan. Keterulangan dijamin melalui prosedur standar, sementara reproduktifitas memerlukan kondisi inspeksi yang konsisten.

Sumber kesalahan termasuk kontaminasi permukaan, pengaturan peralatan yang tidak tepat, atau salah tafsir indikasi. Untuk memastikan kualitas, kalibrasi instrumen pengujian, pelatihan operator, dan kepatuhan terhadap standar sangat penting.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Keparahan spalling sering kali dikuantifikasi berdasarkan ukuran serpihan atau retakan, diukur dalam milimeter atau mikrometer. Untuk penilaian permukaan, skala penilaian (misalnya, standar ASTM atau ISO) digunakan untuk mengkategorikan tingkat keparahan.

Area wilayah yang terkelupas dapat dinyatakan sebagai persentase dari total area permukaan, memfasilitasi perbandingan antar sampel. Untuk cacat internal, ukuran dan kepadatan cacat dicatat.

Secara matematis, persentase area yang terkelupas = (area wilayah yang terkelupas / total area permukaan) × 100%.

Interpretasi Data

Hasil diinterpretasikan berdasarkan kriteria penerimaan yang telah ditetapkan. Misalnya, sebuah komponen mungkin dapat diterima jika area yang terkelupas berada di bawah