Penggilingan Kimia: Proses Penghilangan Logam Presisi dalam Fabrikasi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pemrosesan kimia adalah proses manufaktur subtraktif yang secara selektif menghilangkan material dari benda kerja logam melalui reaksi kimia yang terkontrol, biasanya menggunakan etsa asam atau basa. Teknik penghilangan material non-mekanis ini mencapai kontrol dimensi yang tepat dengan melarutkan permukaan logam yang terekspos sementara area yang dilindungi tetap utuh. Proses ini sangat berharga untuk mengurangi berat pada komponen dirgantara, menciptakan geometri kompleks, dan memproduksi bagian dengan dinding tipis yang sulit untuk diproses secara konvensional.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, pemrosesan kimia mewakili teknik fabrikasi khusus yang penting yang menjembatani pemrosesan mekanis tradisional dan perlakuan permukaan kimia. Ini menempati posisi unik di antara proses penghilangan material dengan mengandalkan pelarutan kimia daripada gaya mekanis, memungkinkan penghilangan material yang seragam tanpa memperkenalkan stres mekanis atau distorsi termal.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Pemrosesan kimia beroperasi melalui reaksi korosi yang terkontrol pada tingkat atom, di mana atom logam di permukaan teroksidasi dan kemudian larut ke dalam larutan etsa. Proses ini melibatkan transfer elektron di antarmuka logam-larutan, menciptakan ion logam yang terlepas dari kisi kristal dan masuk ke dalam larutan. Reaksi elektrokimia ini terus berlangsung secara progresif dari permukaan yang terekspos, mempertahankan laju penghilangan material yang konsisten di bawah kondisi yang terkontrol.

Mekanisme pelarutan biasanya mengikuti kinetika reaksi orde pertama, dengan laju reaksi ditentukan oleh konsentrasi etsa, suhu, agitasi, dan sistem logam-etsa tertentu. Untuk komponen baja, larutan berbasis klorida besi (FeCl₃) atau asam nitrat biasanya digunakan, menyerang matriks besi sementara berbagai elemen paduan dapat larut pada laju yang berbeda.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pemrosesan kimia adalah model pelarutan elektrokimia, yang menggambarkan proses sebagai serangkaian reaksi oksidasi-reduksi di antarmuka logam-larutan. Model ini awalnya dikembangkan pada tahun 1940-an selama pencarian industri dirgantara untuk metode mengurangi berat komponen pesawat terbang.

Pemahaman historis berkembang dari pendekatan empiris sederhana menjadi model yang lebih canggih yang menggabungkan batasan difusi, kinetika reaksi, dan pertimbangan energi permukaan. Kerangka teoretis modern mencakup persamaan Butler-Volmer untuk kinetika elektroda dan persamaan Nernst-Planck untuk fenomena transportasi massa.

Pendekatan teoretis yang berbeda termasuk model pelarutan kimia langsung untuk sistem sederhana dan teori potensi campuran yang lebih kompleks untuk paduan di mana beberapa elemen larut pada laju yang bervariasi. Model dinamika fluida komputasional terbaru telah lebih meningkatkan kemampuan prediktif dengan menggabungkan pola aliran dan gradien konsentrasi.

Dasar Ilmu Material

Perilaku pemrosesan kimia terkait langsung dengan struktur kristal material, dengan laju pelarutan bervariasi di seluruh orientasi kristalografi yang berbeda. Dalam baja, struktur ferit kubik berpusat badan (BCC) dan austenit kubik berpusat wajah (FCC) menunjukkan karakteristik etsa yang berbeda. Batas butir, yang merupakan daerah energi lebih tinggi dengan reaktivitas kimia yang meningkat, biasanya tergores lebih cepat daripada interior butir.

Mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi laju etsa dan kualitas permukaan. Baja multiphase menunjukkan etsa diferensial antara fase, dengan ferit, perlit, martensit, dan austenit masing-masing merespons secara berbeda terhadap serangan kimia. Presipitat karbida sering kali lebih tahan terhadap pelarutan dibandingkan dengan matriks sekitarnya.

Proses ini secara fundamental terhubung dengan prinsip elektrokimia, termodinamika, dan ilmu permukaan. Perubahan energi bebas Gibbs dari reaksi pelarutan menentukan spontanitasnya, sementara kinetika reaksi mengatur laju etsa praktis. Pertimbangan energi permukaan menjelaskan etsa preferensial di lokasi cacat dan batas butir.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar yang mengatur laju pemrosesan kimia adalah:

$$R = k \cdot C^n \cdot e^{-E_a/RT}$$

Di mana:
- $R$ = laju etsa (biasanya dalam μm/menit atau mils/menit)
- $k$ = konstanta laju (spesifik untuk kombinasi logam-etsa)
- $C$ = konsentrasi etsa
- $n$ = urutan reaksi (biasanya antara 0.5-1.5)
- $E_a$ = energi aktivasi untuk reaksi pelarutan
- $R$ = konstanta gas universal
- $T$ = suhu absolut

Formula Perhitungan Terkait

Kedalaman penghilangan material dapat dihitung menggunakan:

$$d = R \cdot t \cdot F_c$$

Di mana:
- $d$ = kedalaman material yang dihilangkan
- $R$ = laju etsa
- $t$ = waktu paparan
- $F_c$ = faktor koreksi untuk geometri bagian dan agitasi

Untuk pemotongan lateral di bawah masker, hubungan sering kali diperkirakan sebagai:

$$u = d \cdot F_u$$

Di mana:
- $u$ = jarak pemotongan
- $d$ = kedalaman etsa
- $F_u$ = faktor pemotongan (biasanya 0.5-1.5 tergantung pada kondisi)

Formula ini diterapkan untuk memprediksi waktu pemrosesan, menetapkan parameter proses, dan menentukan kebutuhan pemakaian untuk toleransi dimensi tertentu.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini berlaku di bawah kondisi isotermal dengan konsentrasi etsa yang konstan dan agitasi yang seragam. Mereka mengasumsikan kinetika reaksi orde pertama dan komposisi material yang homogen di seluruh benda kerja.

Batasan termasuk keruntuhan pada konsentrasi etsa yang sangat tinggi atau rendah, ketidakmampuan untuk memperhitungkan efek pengurangan lokal tanpa modifikasi, dan akurasi yang berkurang untuk paduan kompleks dengan beberapa fase. Model juga mengasumsikan efek pasivasi yang dapat diabaikan, yang mungkin tidak berlaku untuk baja tahan karat dan paduan pasivasi lainnya.

Asumsi dasar termasuk aksesibilitas seragam dari etsa ke semua permukaan, sifat material yang konsisten di seluruh benda kerja, dan efek yang dapat diabaikan dari evolusi hidrogen atau reaksi sekunder lainnya.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM B767: Panduan Standar untuk Menentukan Massa Per Unit Area dari Pelapisan Elektrodeposisi dan Terkait melalui Prosedur Analisis Gravimetri dan Kimia Lainnya (diadaptasi untuk penentuan laju etsa)
• ASTM E1558: Panduan Standar untuk Polishing Elektrolitik dari Spesimen Metalografi (prinsip berlaku untuk pemrosesan kimia)
• AMS 2640: Pemrosesan Kimia Logam dan Paduan
• ISO 8407: Korosi logam dan paduan - Penghilangan produk korosi dari spesimen uji korosi

Standar ini mencakup metode pengujian untuk menentukan laju etsa, penilaian kualitas permukaan, dan parameter kontrol proses.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum termasuk bak kimia yang dikendalikan suhu dengan sistem agitasi, peralatan pemakaian presisi, dan perangkat pengukuran ketebalan. Mikrometer digital, komparator optik, dan mesin pengukur koordinat (CMM) digunakan untuk verifikasi dimensi.

Prinsip dasar melibatkan paparan kupon uji standar ke larutan etsa di bawah kondisi yang terkontrol, kemudian mengukur laju penghilangan material. Fasilitas modern menggunakan sistem penanganan otomatis dengan pemantauan waktu nyata terhadap kimia bak, suhu, dan parameter agitasi.

Karakterisasi lanjutan menggunakan mikroskop elektron pem