Pendinginan Udara: Disipasi Panas Terkendali dalam Manufaktur Baja

1 Definisi dan Konsep Dasar

Pendinginan udara adalah proses perlakuan panas yang terkontrol di mana baja yang dipanaskan dibiarkan mendingin secara bertahap dengan paparan udara lingkungan yang tenang atau terpaksa. Teknik ini mewakili laju pendinginan yang berada di antara pendinginan cepat (pendinginan cepat dalam media cair) dan pendinginan tungku (pendinginan yang sangat lambat). Pendinginan udara memainkan peran penting dalam mencapai karakteristik mikrostruktur dan sifat mekanik tertentu dalam produk baja tanpa kejutan termal yang terkait dengan pendinginan cepat atau waktu pemrosesan yang diperpanjang dari pendinginan tungku.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, pendinginan udara menempati posisi strategis di antara berbagai metode pendinginan, menawarkan keseimbangan antara kekerasan, kekuatan, dan ketangguhan. Ini sangat penting dalam produksi baja karbon sedang dan baja paduan di mana kekerasan yang moderat diinginkan. Proses ini memungkinkan transformasi austenit yang terkontrol menjadi berbagai konstituen mikrostruktur, memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan sifat baja untuk aplikasi tertentu.

2 Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

2.1 Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pendinginan udara mempengaruhi kinetika transformasi fase dalam baja dengan mengontrol laju di mana atom dapat mengatur ulang diri mereka selama pendinginan dari suhu austenitik. Selama pendinginan udara, atom karbon memiliki waktu yang cukup untuk difusi sebagian tetapi tidak sepenuhnya, menghasilkan mikrostruktur antara. Laju pendinginan mempengaruhi laju nukleasi dan pertumbuhan fase ferit, perlit, bainit, atau martensit, tergantung pada komposisi baja dan suhu awal.

Mekanisme ini melibatkan pergerakan atom karbon dan atom besi untuk membentuk struktur kristal baru saat material mendingin. Dalam baja paduan sedang hingga tinggi, elemen substitusi seperti kromium, molibdenum, dan nikel memperlambat proses difusi, membuat baja ini lebih responsif terhadap perlakuan pendinginan udara. Proses yang dikendalikan difusi ini menentukan ukuran butir akhir, distribusi fase, dan akibatnya, sifat mekanik.

2.2 Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk memahami pendinginan udara adalah diagram Waktu-Suhu-Transformasi (TTT), yang memetakan hubungan antara laju pendinginan dan evolusi mikrostruktur. Diagram ini, pertama kali dikembangkan oleh Edgar C. Bain pada tahun 1930-an, merevolusi pemahaman perlakuan panas dengan memvisualisasikan bagaimana jalur pendinginan yang berbeda menghasilkan mikrostruktur yang berbeda.

Diagram Transformasi Pendinginan Berkelanjutan (CCT) kemudian memperluas konsep TTT dengan mempertimbangkan kondisi pendinginan non-isotermal yang lebih baik mewakili proses industri. Pendekatan komputasi modern menggabungkan model termodinamika dan kinetika untuk memprediksi evolusi mikrostruktur selama pendinginan udara dengan presisi yang meningkat.

Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) memberikan dasar matematis untuk memahami kinetika transformasi fase selama pendinginan, meskipun penerapannya pada baja multi-fase yang kompleks memerlukan modifikasi yang signifikan.

2.3 Dasar Ilmu Material

Pendekatan udara secara langsung mempengaruhi transformasi struktur kristal dari austenit kubik pusat wajah (FCC) menjadi ferit kubik pusat tubuh (BCC) atau martensit tetragonal pusat tubuh (BCT). Laju pendinginan menentukan bagaimana atom karbon mendistribusikan ulang selama transformasi ini, mempengaruhi distorsi kisi dan sifat mekanik yang dihasilkan.

Batas butir memainkan peran penting selama pendinginan udara karena mereka berfungsi sebagai situs nukleasi untuk fase baru. Laju pendinginan mempengaruhi mobilitas batas butir dan akibatnya ukuran butir akhir. Pendinginan udara yang lebih cepat (menggunakan kipas atau udara terkompresi) biasanya menghasilkan struktur butir yang lebih halus dibandingkan dengan pendinginan udara yang tenang.

Prinsip dasar difusi, nukleasi, dan pertumbuhan mengatur perkembangan mikrostruktur selama pendinginan udara. Proses-proses ini mengikuti hukum difusi Fick dan dipengaruhi oleh gaya pendorong termodinamika untuk transformasi fase, yang bervariasi dengan suhu dan komposisi.

3 Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

3.1 Rumus Definisi Dasar

Laju pendinginan selama pendinginan udara dapat dinyatakan menggunakan Hukum Pendinginan Newton:

$$\frac{dT}{dt}=-h\cdot \frac{A}{m\cdot c_p}\cdot (T-T_{\text{ambient}})$$

Di mana:
- $\frac{dT}{dt}$ adalah laju pendinginan (°C/s)
- $h$ adalah koefisien transfer panas (W/m²·°C)
- $A$ adalah luas permukaan komponen baja (m²)
- $m$ adalah massa komponen (kg)
- $c_p$ adalah kapasitas panas spesifik baja (J/kg·°C)
- $T$ adalah suhu instan baja (°C)
- $T_{\text{ambient}}$ adalah suhu udara lingkungan (°C)

3.2 Rumus Perhitungan Terkait

Koefisien transfer panas untuk pendinginan udara terpaksa dapat diperkirakan menggunakan:

$$h=10.45-v+10\cdot \sqrt{v}$$

Di mana:
- $h$ adalah koefisien transfer panas (W/m²·°C)
- $v$ adalah kecepatan udara (m/s)

Waktu pendinginan dari suhu T₁ ke T₂ dapat dihitung sebagai:

$$t=\frac{m\cdot c_p}{h\cdot A}\cdot \ln \left(\frac{T_1-T_{\text{ambient}}}{T_2-T_{\text{ambient}}}\right)$$

3.3 Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini mengasumsikan distribusi suhu yang seragam di seluruh komponen baja, yang hanya berlaku untuk bagian dengan angka Biot kecil (Bi < 0.1). Untuk komponen yang lebih besar, konduksi panas dalam material menjadi faktor pembatas, memerlukan analisis elemen hingga yang lebih kompleks.

Model-model ini mengasumsikan sifat termal yang konstan, meskipun dalam kenyataannya, kapasitas panas spesifik dan konduktivitas termal bervariasi dengan suhu. Untuk perhitungan yang tepat, sifat yang bergantung pada suhu harus dimasukkan.

Persamaan ini berlaku terutama untuk geometri sederhana. Bentuk kompleks memerlukan metode numerik atau faktor koreksi untuk memperhitungkan laju pendinginan yang tidak seragam di berbagai bagian.

4 Metode Pengukuran dan Karakterisasi

4.1 Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A1033: Praktik Standar untuk Pengukuran Kuantitatif dan Pelaporan Transformasi Fase Baja Karbon Hypoeutectoid dan Baja Paduan Rendah
• ISO 643: Baja — Penentuan mikrografis ukuran butir yang tampak
• ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi
• ASTM E407: Praktik Standar untuk Mikro-etching Logam dan Paduan

4.2 Peralatan dan Prinsip Pengujian

Kamera pencitraan termal menyediakan pemetaan distribusi suhu secara real-time selama proses pendinginan udara. Perangkat ini mendeteksi radiasi inframerah yang dipancarkan dari permukaan baja dan mengubahnya menjadi pembacaan suhu dengan presisi biasanya dalam ±2°C.

Termokopel yang tertanam pada berbagai kedalaman dalam spesimen uji mengukur laju pendinginan di seluruh penampang. Termokopel Tipe K umumnya digunakan karena rentang suhu yang luas (-200°C hingga 1350°C) dan akurasi yang wajar.

Dilatometer mengukur perubahan dimensi selama pendinginan, memberikan data yang tepat tentang suhu transformasi fase dengan mendeteksi perubahan volume yang terkait dengan transformasi struktur kristal.

4.3 Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar biasanya memiliki diameter 10-30mm atau penampang persegi, dengan tinggi 10-15mm. Sampel yang lebih besar dapat digunakan untuk mensimulasikan kondisi pendinginan industri untuk komponen tertentu.

Persiapan permukaan memerlukan penggilingan dengan abrasif yang semakin halus (biasanya 120 hingga 1200 grit), diikuti dengan pemolesan menggunakan suspensi berlian atau alumina