Proses Perlakuan Panas Annealing Biru untuk Meningkatkan Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pemanasan biru adalah proses perlakuan panas khusus yang diterapkan pada lembaran atau strip baja di mana material dipanaskan hingga suhu subkritikal (biasanya antara 500-700°C) dan kemudian didinginkan di udara, menghasilkan pembentukan lapisan oksida biru-abu-abu yang khas di permukaan. Proses ini terutama bertujuan untuk mengurangi stres internal, meningkatkan keuletan, dan meningkatkan kemampuan pembentukan sambil mempertahankan sifat kekuatan yang wajar.

Proses ini mendapatkan namanya dari lapisan oksida besi berwarna biru yang khas (terutama Fe₃O₄, magnetit) yang berkembang di permukaan baja selama pendinginan yang terkontrol. Pemanasan biru menempati posisi penting dalam pengolahan baja sebagai perlakuan antara yang menyeimbangkan peningkatan sifat mekanik dengan perubahan dimensi yang minimal.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, pemanasan biru mewakili subkategori dari proses pemanasan untuk menghilangkan stres, yang dibedakan oleh rentang suhu spesifik dan karakteristik permukaan yang dihasilkan. Ini berfungsi sebagai langkah penting dalam proses manufaktur di mana operasi pembentukan selanjutnya memerlukan peningkatan kerja tanpa rekristalisasi penuh atau perubahan mikrostruktur yang signifikan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemanasan biru melibatkan pemulihan sebagian dari struktur baja yang terdeformasi. Suhu proses cukup untuk memungkinkan difusi atom terbatas, yang mengurangi kerapatan dislokasi melalui mekanisme pendakian dislokasi dan slip silang.

Selama pemanasan biru, cacat titik dan cacat garis (dislokasi) mendapatkan mobilitas, memungkinkan mereka untuk menyusun ulang menjadi konfigurasi energi yang lebih rendah. Penyusunan ulang ini mengurangi stres residual tanpa secara signifikan mengubah struktur butir atau menyebabkan rekristalisasi yang luas yang akan terjadi pada suhu yang lebih tinggi.

Lapisan oksida biru yang khas terbentuk melalui oksidasi besi yang terkontrol di permukaan, menciptakan lapisan tipis dan melekat dari Fe₃O₄ (magnetit) yang memberikan beberapa ketahanan terhadap korosi sambil juga berfungsi sebagai indikator visual bahwa perlakuan termal yang tepat telah dicapai.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pemanasan biru didasarkan pada kinetika pemulihan dan proses difusi terbatas. Persamaan Zener-Wert-Avrami membentuk dasar untuk memahami hubungan waktu-suhu dalam proses ini:

$X = 1 - \exp(-kt^n)$

Di mana X mewakili fraksi pemulihan yang telah selesai, k adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, t adalah waktu, dan n adalah eksponen spesifik material.

Secara historis, pemahaman tentang pemanasan biru berkembang dari pengamatan empiris di industri baja awal hingga pendekatan yang lebih ilmiah pada pertengahan abad ke-20. Para pembuat baja awal mengenali efek menguntungkan pada kerja tetapi kurang memahami secara teoritis perubahan mikrostruktur.

Pendekatan modern menggabungkan teori dislokasi dan kinetika difusi untuk memodelkan proses, dengan metode komputasi sekarang memungkinkan prediksi perubahan sifat berdasarkan profil waktu-suhu.

Dasar Ilmu Material

Pemanasan biru terutama mempengaruhi struktur subbutir dalam butir yang ada daripada menciptakan batas butir baru. Suhu proses tidak cukup untuk menyebabkan migrasi batas butir yang signifikan atau rekristalisasi lengkap.

Perubahan mikrostruktur melibatkan penyusunan ulang dislokasi menjadi konfigurasi energi yang lebih rendah, pembentukan batas subbutir, dan pemulihan terbatas dari struktur yang telah dikerjakan dingin. Perubahan ini mengurangi energi regangan internal sambil mempertahankan sebagian besar keadaan pengerasan kerja.

Proses ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material tentang pemulihan, yang mendahului rekristalisasi dalam urutan pemanasan. Pemanasan yang terkontrol memungkinkan pengurangan stres melalui proses yang diaktifkan secara termal sambil mempertahankan fitur mikrostruktur dasar yang berkontribusi pada kekuatan material.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kinetika proses pemulihan selama pemanasan biru dapat dinyatakan menggunakan persamaan Arrhenius yang dimodifikasi:

$k = A \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$

Di mana k adalah konstanta laju untuk pemulihan, A adalah faktor pra-eksponensial, Q adalah energi aktivasi untuk proses pemulihan (J/mol), R adalah konstanta gas universal (8.314 J/mol·K), dan T adalah suhu mutlak (K).

Formula Perhitungan Terkait

Hubungan antara pengurangan kekerasan dan waktu pemanasan dapat dinyatakan sebagai:

$\frac{H_t - H_f}{H_i - H_f} = \exp\left(-Bt^n\right)$

Di mana H₍t₎ adalah kekerasan pada waktu t, H₍i₎ adalah kekerasan awal, H₍f₎ adalah kekerasan akhir yang seimbang, B adalah konstanta yang bergantung pada suhu, dan n adalah eksponen spesifik material.

Pertumbuhan ketebalan lapisan oksida mengikuti kinetika parabola:

$x^2 = k_p t$

Di mana x adalah ketebalan oksida, k₍p₎ adalah konstanta laju parabola (bergantung pada suhu), dan t adalah waktu paparan.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon rendah dan sedang dengan kandungan karbon di bawah 0,3%. Untuk baja karbon tinggi, kinetika presipitasi karbida harus dipertimbangkan.

Model ini mengasumsikan kondisi isotermal dan menjadi kurang akurat ketika terdapat gradien suhu di seluruh bagian tebal. Mereka juga mengasumsikan tidak adanya elemen paduan signifikan yang mungkin membentuk presipitat selama proses pemanasan.

Model pembentukan oksida hanya berlaku ketika cukup oksigen tersedia di permukaan dan mengasumsikan kondisi permukaan yang seragam tanpa kontaminan yang mungkin menghambat pembentukan oksida.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A700: Praktik Standar untuk Pengemasan, Penandaan, dan Metode Pemuatan untuk Produk Baja untuk Pengiriman (termasuk lembaran yang dipanaskan biru)
• ASTM A568/A568M: Spesifikasi Standar untuk Baja, Lembaran, Karbon, Struktural, dan Kekuatan Tinggi, Paduan Rendah, Dingin-Digulung dan Panas-Digulung
• ISO 3574: Lembaran baja karbon yang dikurangi dingin dengan kualitas komersial dan gambar
• JIS G3131: Pelat baja lunak yang dipanaskan, lembaran dan strip

Setiap standar memberikan spesifikasi untuk produk yang dipanaskan biru, termasuk persyaratan penyelesaian permukaan, sifat mekanik, dan toleransi dimensi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum termasuk mikroskop optik dan mikroskop elektron pemindai (SEM) untuk karakterisasi oksida permukaan. Penguji mikrohardness digunakan untuk mengukur profil kekerasan di seluruh ketebalan material.

Peralatan difraksi sinar-X (XRD) mengidentifikasi fase oksida dan mengukur tingkat stres residual. Mesin pengujian tarik mengevaluasi sifat mekanik termasuk kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan perpanjangan.

Peralatan khusus seperti spektroskopi emisi optik pelepasan cahaya (GDOES) dapat memberikan profil kedalaman komposisi lapisan oksida.

Persyaratan Sampel

Sampel standar untuk pengujian tarik mengikuti dimensi ASTM E8/E8M, biasanya dengan panjang gauge 50mm untuk material lembaran. Untuk pemeriksaan mikrostruktur, sampel harus dipotong tegak lurus terhadap arah penggulungan.

Persiapan permukaan memerlukan teknik metalografi yang hati-hati untuk mempertahankan lapisan oksida. Untuk analisis penampang, pemasangan dalam resin epoksi diikuti dengan penggilingan dan pemolesan tanpa kontak air sangat dianjurkan.

Sampel harus representatif dari material bulk dan bebas dari efek tepi atau kerusakan penanganan yang mungkin mempengaruhi integritas lapisan oksida