Ekstrusi: Mengubah Baja Melalui Proses Deformasi Terkendali

Definisi dan Konsep Dasar

Ekstrusi adalah proses pembentukan logam di mana sebuah billet material dipaksa melalui cetakan dengan area penampang yang lebih kecil, menciptakan produk dengan penampang yang seragam sesuai dengan bukaan cetakan. Proses ini mengubah mikrostruktur dan sifat material sambil menghasilkan profil kompleks yang sulit dicapai melalui metode manufaktur lainnya.

Ekstrusi merupakan teknik deformasi massal yang mendasar dalam pengolahan material yang memungkinkan produksi produk logam panjang dan lurus dengan profil penampang yang konsisten. Proses ini memanfaatkan kemampuan deformasi plastik logam pada suhu tinggi untuk menciptakan komponen dengan hasil akhir permukaan yang sangat baik dan akurasi dimensi.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, ekstrusi berdiri sebagai operasi pembentukan yang kritis yang menghubungkan produksi logam primer dan manufaktur komponen jadi. Ini memungkinkan konversi ingot atau billet yang dicetak menjadi produk setengah jadi atau jadi sambil secara bersamaan menyempurnakan struktur butir dan meningkatkan sifat mekanik melalui deformasi yang terkontrol.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, ekstrusi melibatkan aliran plastik logam di bawah gaya kompresif yang melebihi kekuatan luluh material. Deformasi ini terjadi melalui pergerakan dislokasi dalam kisi kristal, memungkinkan bidang atom untuk meluncur satu sama lain sambil mempertahankan kohesi material.

Deformasi plastik yang parah selama ekstrusi menyebabkan penyempurnaan butir yang signifikan melalui proses rekristalisasi dinamis dan pemulihan. Mekanisme ini melibatkan pembentukan butir baru yang bebas regangan yang menggantikan butir yang terdeformasi, menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus dengan sifat mekanik yang ditingkatkan.

Pola aliran logam selama ekstrusi mengikuti jalur kompleks yang ditentukan oleh geometri cetakan, kondisi gesekan, dan sifat material. Aliran ini menciptakan tekstur serat khas di mana butir menjadi memanjang dalam arah ekstrusi, yang mengarah pada sifat mekanik anisotropik pada produk akhir.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk ekstrusi adalah Teorema Batas Atas, yang menghitung gaya maksimum yang diperlukan untuk deformasi dengan menganalisis bidang kecepatan yang secara kinematis dapat diterima. Pendekatan ini memberikan perkiraan konservatif dari tekanan ekstrusi yang diperlukan untuk mengatasi resistensi material dan gesekan.

Pemahaman tentang mekanika ekstrusi berkembang secara signifikan dari pendekatan empiris awal pada tahun 1800-an hingga model analitis yang canggih pada pertengahan abad ke-20. Karya Siebel pada tahun 1920-an dan kontribusi Sachs pada tahun 1930-an menetapkan hubungan mendasar antara parameter ekstrusi dan aliran material.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk Metode Slab, yang membagi zona deformasi menjadi elemen diferensial untuk analisis keseimbangan gaya, dan Analisis Elemen Hingga (FEA), yang menggunakan metode numerik untuk memodelkan pola aliran material yang kompleks dan memprediksi pembentukan cacat selama ekstrusi.

Dasar Ilmu Material

Ekstrusi secara mendalam mempengaruhi struktur kristal dengan memanjangkan butir dalam arah aliran material, menciptakan mikrostruktur berserat. Di batas butir, terjadi gesekan yang intens, yang dapat menyebabkan rekristalisasi dinamis dalam proses ekstrusi panas atau pengerasan regangan dalam ekstrusi dingin.

Perkembangan mikrostruktur selama ekstrusi tergantung pada suhu, laju regangan, dan komposisi material. Ekstrusi panas biasanya menghasilkan butir rekristalisasi yang ekuiaxed, sementara ekstrusi dingin menghasilkan struktur butir yang sangat terdeformasi dan memanjang dengan kepadatan dislokasi yang meningkat.

Ekstrusi mencerminkan prinsip-prinsip dasar ilmu material tentang deformasi plastik, pengerasan kerja, dan proses pemulihan. Keseimbangan antara pengerasan regangan dan pelunakan termal selama ekstrusi panas menentukan mikrostruktur dan sifat akhir dari produk yang diekstrusi.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Tekanan ekstrusi yang diperlukan untuk memulai aliran logam melalui cetakan dapat dinyatakan sebagai:

$$P = K \ln\left(\frac{A_0}{A_f}\right) + \alpha$$

Di mana $P$ adalah tekanan ekstrusi, $K$ adalah tegangan aliran material, $A_0$ adalah area penampang awal, $A_f$ adalah area penampang akhir, dan $\alpha$ mewakili tekanan tambahan akibat gesekan dan kerja redundan.

Formula Perhitungan Terkait

Rasio ekstrusi, parameter mendasar dalam proses ekstrusi, didefinisikan sebagai:

$$R = \frac{A_0}{A_f}$$

Di mana $R$ adalah rasio ekstrusi, $A_0$ adalah area penampang awal dari billet, dan $A_f$ adalah area penampang akhir dari produk yang diekstrusi.

Regangan yang dialami oleh material selama ekstrusi dapat dihitung sebagai:

$$\varepsilon = \ln\left(\frac{A_0}{A_f}\right) = \ln(R)$$

Di mana $\varepsilon$ adalah regangan sejati dan $R$ adalah rasio ekstrusi. Formula ini membantu insinyur memprediksi perubahan sifat material yang dihasilkan dari proses deformasi.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini mengasumsikan deformasi homogen dan sifat material isotropik, yang mungkin tidak berlaku untuk geometri cetakan yang kompleks atau material dengan tekstur awal yang kuat.

Formula ini paling akurat untuk ekstrusi langsung dari profil sederhana dan mungkin memerlukan modifikasi untuk ekstrusi tidak langsung atau penampang silang yang kompleks di mana aliran material menjadi tidak seragam.

Efek suhu tidak secara eksplisit termasuk dalam formula dasar ini, memerlukan istilah tambahan atau faktor koreksi saat memodelkan proses ekstrusi panas di mana tegangan aliran material bervariasi secara signifikan dengan suhu.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM B557 mencakup pengujian sifat mekanik dari paduan aluminium yang diekstrusi, termasuk pengukuran kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan perpanjangan.

ISO 6892 menyediakan metode standar untuk pengujian tarik material logam, yang berlaku untuk produk baja yang diekstrusi untuk menentukan sifat mekanik.

ASTM E112 menetapkan prosedur untuk menentukan ukuran butir dalam produk yang diekstrusi, yang sangat penting untuk menghubungkan mikrostruktur dengan sifat mekanik.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin ekstrusi hidrolik yang dilengkapi dengan sel beban dan transduser perpindahan digunakan untuk memantau hubungan gaya-perpindahan selama proses ekstrusi. Pengukuran ini memberikan wawasan tentang perilaku aliran material dan karakteristik pengisian cetakan.

Teknik mikroskopi optik dan elektron memungkinkan karakterisasi mikrostruktur produk yang diekstrusi, mengungkapkan ukuran butir, orientasi, dan distribusi fase. Analisis ini membantu menghubungkan parameter pemrosesan dengan mikrostruktur yang dihasilkan.

Alat karakterisasi canggih seperti Difraksi Elektron Balik (EBSD) memungkinkan analisis tekstur produk yang diekstrusi, memberikan data kuantitatif tentang orientasi kristalografi yang mempengaruhi anisotropi mekanik.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar dari produk yang diekstrusi biasanya mengikuti dimensi ASTM E8, dengan panjang gauge yang proporsional terhadap area penampang dan diproses dengan hati-hati untuk menghindari konsentrasi tegangan.

Persiapan permukaan untuk analisis mikrostruktur memerlukan penggilingan progresif, pemolesan, dan sering kali etsa untuk mengungkapkan batas butir dan fase. Sampel harus dipotong untuk mempertahankan informasi orientasi relatif terhadap arah ekstrusi.

Untuk karakterisasi yang komprehensif, sampel harus diambil dari beberapa lokasi dalam produk yang diekstrusi untuk memperhitungkan variasi potensial dalam mikrostruktur dan sifat di seluruh penampang.

Parameter Uji

Pemantauan proses ekstrusi biasanya terjadi pada suhu yang berkisar dari suhu ruangan (ekstrusi dingin) hingga 1200°C (ekstrusi panas untuk baja), dengan kontrol suhu yang tepat sangat penting untuk hasil yang konsisten.

Kecepatan ram selama pengujian ekstrusi umumnya