Penghalusan: Proses Peningkatan Permukaan untuk Finishing Baja yang Unggul

Definisi dan Konsep Dasar

Burnishing adalah proses penyelesaian permukaan yang melibatkan menggosok atau menekan alat yang telah dipadatkan dan sangat mengkilap terhadap permukaan logam di bawah tekanan untuk menghasilkan permukaan yang halus dan mengeras tanpa menghilangkan material. Berbeda dengan proses abrasif, burnishing mendekonstruksi ketidakteraturan permukaan secara plastis daripada memotongnya, menghasilkan permukaan yang padat dan mirip cermin dengan sifat mekanik yang lebih baik.

Dalam ilmu material dan rekayasa, burnishing merupakan teknik kerja dingin yang penting yang meningkatkan integritas permukaan sambil secara bersamaan meningkatkan karakteristik kinerja fungsional. Proses ini menciptakan tegangan sisa kompresif di lapisan permukaan, yang dapat secara signifikan meningkatkan ketahanan terhadap kelelahan dan sifat tahan aus.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, burnishing menempati posisi unik antara proses penghilangan material tradisional dan metode perlakuan permukaan. Ini berfungsi sebagai operasi penyelesaian dan teknik peningkatan permukaan, menjembatani kesenjangan antara akurasi dimensi dan modifikasi sifat permukaan pada komponen logam.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, burnishing melibatkan deformasi plastis dari asperitas permukaan melalui aplikasi tekanan yang terkontrol. Ketika alat burnishing menerapkan tekanan yang melebihi kekuatan luluh material, puncak permukaan mengalir secara plastis ke lembah yang berdekatan, menciptakan profil permukaan yang lebih halus.

Proses ini menyebabkan pergerakan dan perkalian dislokasi yang signifikan dalam struktur kristal baja. Peningkatan kerapatan dislokasi menyebabkan pengerasan regangan pada lapisan permukaan, dengan dislokasi yang terjerat dan menghambat pergerakan lebih lanjut, sehingga meningkatkan kekerasan dan kekuatan permukaan.

Deformasi plastis juga mengarahkan struktur butir ke arah gerakan alat, menciptakan lapisan permukaan yang tertekstur dengan sifat arah. Reorientasi ini, dikombinasikan dengan pemurnian butir di dekat permukaan, berkontribusi pada perilaku mekanik yang dimodifikasi dari komponen yang diburnish.

Model Teoritis

Model teoritis utama yang menggambarkan burnishing adalah model deformasi elastis-plastis, yang menggambarkan respons material di bawah tekanan burnishing yang diterapkan. Model ini memperhitungkan baik pemulihan elastis maupun deformasi plastis permanen selama proses.

Secara historis, pemahaman tentang burnishing berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model analitis yang lebih canggih pada tahun 1950-an. Pekerjaan awal oleh peneliti seperti Tabor dan Bowden menetapkan hubungan dasar antara tekanan yang diterapkan, sifat material, dan deformasi permukaan.

Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM) untuk memprediksi hasil burnishing, sementara model analitis berdasarkan mekanika kontak Hertzian memberikan pendekatan yang disederhanakan tetapi berguna. Simulasi dinamika molekuler baru-baru ini muncul sebagai alat untuk memahami aspek nanoscale dari proses burnishing.

Dasar Ilmu Material

Efek burnishing sangat terkait dengan struktur kristal baja, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dan kubik berpusat wajah (FCC) merespons secara berbeda terhadap deformasi yang diterapkan. Proses ini menciptakan distorsi kisi dan meningkatkan kerapatan cacat kristalografi di dekat permukaan.

Batas butir memainkan peran penting dalam proses burnishing, bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi. Proses ini dapat memperhalus struktur butir di dekat permukaan melalui deformasi plastis yang parah, menciptakan butir ultrafine yang meningkatkan sifat mekanik sesuai dengan hubungan Hall-Petch.

Prinsip dasar ilmu material yang mendasari burnishing adalah pengerasan kerja (strain hardening), di mana deformasi plastis meningkatkan kekuatan material melalui perkalian dan keterjeratan dislokasi. Prinsip ini menjelaskan mengapa permukaan yang diburnish menunjukkan kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi dibandingkan dengan permukaan yang tidak diburnish.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Tekanan burnishing dasar yang diperlukan dapat dinyatakan sebagai:

$$P_b = k \cdot \sigma_y$$

Di mana:
- $P_b$ adalah tekanan burnishing (MPa)
- $\sigma_y$ adalah kekuatan luluh material (MPa)
- $k$ adalah koefisien yang biasanya berkisar antara 1.2 hingga 3.0, tergantung pada hasil akhir yang diinginkan dan sifat material

Formula Perhitungan Terkait

Peningkatan kekasaran permukaan dapat diperkirakan menggunakan:

$$R_a^{final} = R_a^{initial} \cdot e^{-\alpha \cdot F_b \cdot N}$$

Di mana:
- $R_a^{final}$ adalah kekasaran permukaan akhir (μm)
- $R_a^{initial}$ adalah kekasaran permukaan awal (μm)
- $F_b$ adalah gaya burnishing (N)
- $N$ adalah jumlah lintasan alat
- $\alpha$ adalah koefisien eksperimental yang bergantung pada sifat material dan alat

Kedalaman lapisan yang terpengaruh dapat diperkirakan dengan:

$$d = C \cdot \sqrt{\frac{F_b}{H_v}}$$

Di mana:
- $d$ adalah kedalaman lapisan yang terpengaruh (mm)
- $F_b$ adalah gaya burnishing (N)
- $H_v$ adalah kekerasan Vickers awal material
- $C$ adalah konstanta yang bergantung pada material

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk material duktile dengan kapasitas deformasi plastis yang cukup, biasanya dengan nilai perpanjangan di atas 5%. Material dengan kekerasan awal yang sangat tinggi atau perilaku rapuh mungkin tidak merespons dengan baik terhadap burnishing.

Model matematis mengasumsikan sifat material yang homogen dan tidak memperhitungkan perilaku anisotropik atau tegangan sisa yang sudah ada. Mereka paling akurat untuk geometri sederhana dan mungkin memerlukan modifikasi untuk bentuk yang kompleks.

Perhitungan ini biasanya mengasumsikan kondisi suhu ruangan. Pada suhu yang lebih tinggi, perilaku aliran material berubah secara signifikan, dan model yang berbeda yang menggabungkan sifat material yang bergantung pada suhu harus diterapkan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM B946: Praktik Standar untuk Persiapan Permukaan Magnesium dan Paduan Magnesium untuk Elektroplating - Termasuk burnishing sebagai metode persiapan dan menetapkan prosedur pengujian.

ISO 4287: Spesifikasi Produk Geometris (GPS) - Tekstur permukaan: Metode profil - Istilah, definisi dan parameter tekstur permukaan - Menyediakan metode standar untuk mengukur hasil akhir permukaan setelah burnishing.

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Umumnya digunakan untuk mengukur perubahan kekerasan permukaan yang dihasilkan dari burnishing.

ISO 1143: Material logam - Pengujian kelelahan lentur batang berputar - Digunakan untuk mengevaluasi perbaikan masa hidup kelelahan dari perlakuan burnishing.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Profilometer permukaan (tipe kontak dan non-kontak) umumnya digunakan untuk mengukur parameter kekasaran permukaan sebelum dan setelah burnishing. Alat ini mengkuantifikasi perubahan topografi dengan melacak profil permukaan atau menggunakan metode optik.

Penguji mikrohardness, khususnya indentor Vickers dan Knoop, digunakan untuk mengukur gradien kekerasan dari permukaan ke substrat. Instrumen ini menerapkan beban kecil yang dikendalikan dengan tepat untuk membuat indentasi mikroskopis yang dimensinya berkorelasi dengan kekerasan.

Peralatan difraksi sinar-X (XRD) mengukur distribusi tegangan sisa dalam komponen yang diburnish. Teknik ini mendeteksi distorsi kisi kristal yang disebabkan oleh tegangan sisa melalui perubahan pola difraksi.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar untuk evaluasi burnishing biasanya memerlukan permukaan datar dengan