Penggilingan Dingin: Meningkatkan Sifat Baja Melalui Deformasi Presisi

Definisi dan Konsep Dasar

Penggilingan dingin adalah proses pembentukan logam di mana bahan logam dilewatkan melalui satu atau lebih pasang rol pada suhu di bawah suhu rekristalisasi, biasanya pada suhu ruangan. Proses ini mengurangi ketebalan material sambil secara bersamaan meningkatkan kekuatan hasil dan kekerasan melalui pengerasan regangan.

Penggilingan dingin merupakan langkah kritis dalam produksi produk baja datar dengan dimensi yang tepat, penyelesaian permukaan yang superior, dan sifat mekanik yang ditingkatkan. Ini memungkinkan produsen untuk mencapai toleransi yang lebih ketat dan kualitas permukaan yang lebih baik dibandingkan dengan proses penggilingan panas.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, penggilingan dingin berdiri sebagai proses deformasi dasar yang menghubungkan produksi baja primer dan manufaktur produk akhir. Ini menunjukkan bagaimana deformasi plastik yang terkontrol dapat dimanfaatkan untuk merekayasa sifat material tertentu melalui modifikasi mikrostruktur tanpa pemrosesan termal.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, penggilingan dingin menyebabkan deformasi plastik yang parah melalui pembangkitan dan pergerakan dislokasi dalam kisi kristal. Saat material melewati rol, butir-butir memanjang dalam arah penggilingan dan datar dalam arah normal, menciptakan orientasi atau tekstur kristalografi yang diutamakan.

Deformasi terjadi melalui slip di sepanjang bidang kristalografi tertentu, dengan dislokasi yang berlipat ganda dan berinteraksi untuk membentuk jaringan yang kompleks. Struktur dislokasi ini menghalangi pergerakan dislokasi lebih lanjut, berkontribusi pada efek pengerasan regangan yang diamati pada material yang digiling dingin.

Ketidakhadiran rekristalisasi selama penggilingan dingin (berbeda dengan penggilingan panas) berarti bahwa perubahan mikrostruktur yang diinduksi oleh deformasi dipertahankan, menghasilkan sifat mekanik anisotropik dan peningkatan energi internal dalam material.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk memahami penggilingan dingin adalah teori deformasi plastik, khususnya kriteria hasil von Mises dan aturan aliran yang menggambarkan bagaimana logam mengalami deformasi di bawah keadaan tegangan yang kompleks. Dasar ini ditetapkan pada awal abad ke-20 dan disempurnakan melalui dekade-dekade berikutnya.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris menjadi model yang canggih yang menggabungkan plastisitas kristal dan mekanika dislokasi. Karya awal oleh von Karman (1925) dan Orowan (1943) menetapkan dasar matematis untuk teori penggilingan.

Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM) yang menggabungkan evolusi mikrostruktur, model pengembangan tekstur berdasarkan fungsi distribusi orientasi (ODFs), dan model konstitutif berbasis fisik yang memperhitungkan efek laju regangan dan suhu bahkan dalam kondisi kerja dingin.

Dasar Ilmu Material

Penggilingan dingin secara mendalam mempengaruhi struktur kristal dengan memanjangkan butir dan menciptakan orientasi kristalografi yang diutamakan. Batas butir menjadi memanjang dan sejajar dengan arah penggilingan, sementara struktur subbutir terbentuk di dalam butir yang terdeformasi.

Mikrostruktur bertransisi dari butir yang ekuiaxed menjadi struktur berserat dengan peningkatan deformasi. Mikrostruktur arah ini menciptakan sifat mekanik anisotropik, dengan kekuatan yang lebih tinggi dalam arah penggilingan dibandingkan dengan arah melintang.

Proses ini menggambarkan prinsip-prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, pengembangan tekstur, dan akumulasi energi yang tersimpan. Prinsip-prinsip ini terhubung langsung dengan teori dislokasi, plastisitas kristal, dan perilaku transformasi fase dalam perlakuan annealing selanjutnya.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Parameter dasar dalam penggilingan dingin adalah rasio reduksi, yang didefinisikan sebagai:

$$r = \frac{h_0 - h_f}{h_0} \times 100\%$$

Di mana:
- $r$ adalah rasio reduksi (%)
- $h_0$ adalah ketebalan awal (mm)
- $h_f$ adalah ketebalan akhir (mm)

Rumus Perhitungan Terkait

Gaya penggilingan dapat dihitung menggunakan:

$$F = w \cdot L \cdot Y_{avg}$$

Di mana:
- $F$ adalah gaya penggilingan (N)
- $w$ adalah lebar strip (mm)
- $L$ adalah busur kontak yang diproyeksikan (mm)
- $Y_{avg}$ adalah tegangan aliran rata-rata material (MPa)

Busur kontak yang diproyeksikan diberikan oleh:

$$L = \sqrt{R \cdot (h_0 - h_f)}$$

Di mana $R$ adalah jari-jari rol (mm).

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus-rumus ini mengasumsikan deformasi homogen di seluruh ketebalan material, yang berlaku untuk reduksi kurang dari sekitar 50% per pass. Di luar ini, deformasi yang tidak homogen menjadi signifikan.

Model-model ini biasanya mengasumsikan kondisi isotermal, meskipun dalam praktiknya, kenaikan suhu akibat pemanasan deformasi dapat mempengaruhi perilaku material, terutama dalam penggilingan kecepatan tinggi atau dengan material berkekuatan tinggi.

Kondisi gesekan antara rol dan material secara signifikan mempengaruhi kebutuhan gaya aktual dan pola deformasi, memerlukan faktor koreksi dalam aplikasi praktis.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E517: Metode Uji Standar untuk Rasio Regangan Plastik r untuk Logam Lembaran - Menentukan rasio regangan plastik yang menunjukkan kemampuan bentuk dari lembaran yang digiling dingin.

ISO 10275: Material Logam - Lembaran dan Strip - Penentuan Eksponen Pengerasan Regangan Tarik - Mengukur perilaku pengerasan kerja dari material yang digiling dingin.

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - Menyediakan prosedur untuk mengevaluasi sifat mekanik produk yang digiling dingin.

ASTM E45: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kandungan Inklusi Baja - Mengevaluasi kebersihan baja yang digiling dingin.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian tarik yang dilengkapi dengan ekstensi mengukur sifat mekanik termasuk kekuatan hasil, kekuatan tarik, dan perpanjangan. Sistem ini menerapkan deformasi yang terkontrol sambil merekam data gaya-pergeseran.

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, atau Brinell) mengukur ketahanan terhadap penekanan, memberikan penilaian cepat tentang pengerasan kerja yang dicapai melalui penggilingan dingin.

Analyzer kekasaran permukaan menggunakan metode stylus atau optik mengkuantifikasi kualitas penyelesaian permukaan, parameter kritis untuk produk yang digiling dingin.

Karakterisasi lanjutan menggunakan difraksi elektron backscatter (EBSD) untuk menganalisis tekstur kristalografi dan difraksi sinar-X (XRD) untuk mengukur tegangan sisa yang diinduksi oleh penggilingan dingin.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar mengikuti dimensi ASTM E8/E8M, biasanya dengan panjang gauge 50mm dan penampang persegi panjang proporsional yang terorientasi dalam arah penggilingan, melintang, dan 45°.

Persiapan permukaan memerlukan penanganan yang hati-hati untuk menghindari deformasi tambahan yang dapat mengubah sifat mekanik, dengan pemesinan minimal dan tanpa pembangkitan panas.

Sampel harus representatif dari material bulk, dengan identifikasi yang tepat dari arah penggilingan dan posisi dalam lembaran untuk memperhitungkan variasi potensi melalui ketebalan dan arah lebar.

Parameter Uji

Pengujian biasanya dilakukan pada suhu ruangan (23±2°C) dengan kelembaban relatif di bawah 50% untuk mencegah efek lingkungan pada hasil.

Pengujian tarik menggunakan laju regangan standar, biasanya 0.001-0