Hot Roll: Proses Pembentukan Baja yang Fundamental & Aplikasinya

Definisi dan Konsep Dasar

Penggilingan panas adalah proses pengolahan logam yang melibatkan deformasi plastik baja pada suhu di atas suhu rekristalisasi, biasanya antara 900°C dan 1200°C. Proses termomekanik ini secara bersamaan membentuk baja dan memperhalus mikrostrukturnya, menghasilkan kombinasi karakteristik dari sifat mekanik dan penyelesaian permukaan. Penggilingan panas merupakan salah satu operasi pembentukan primer yang paling mendasar dan banyak digunakan dalam industri baja, berfungsi sebagai penghubung kritis antara baja cor dan produk jadi atau setengah jadi.

Dalam ilmu material dan teknik, penggilingan panas menempati posisi penting karena mengubah struktur dendritik baja yang baru dicor menjadi mikrostruktur yang lebih homogen dan ditempa dengan sifat mekanik yang lebih baik. Proses ini memanfaatkan plastisitas yang meningkat dari baja pada suhu tinggi untuk mencapai deformasi substansial dengan kebutuhan gaya yang relatif rendah dibandingkan dengan proses kerja dingin.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, penggilingan panas menggambarkan hubungan rumit antara pemrosesan, struktur, dan sifat. Ini menunjukkan bagaimana deformasi yang terkontrol pada rejim suhu tertentu dapat memanipulasi fitur mikrostruktural seperti ukuran butir, tekstur, dan distribusi fase untuk merancang karakteristik material yang diinginkan untuk aplikasi hilir.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktural, penggilingan panas menyebabkan deformasi plastik yang signifikan melalui pergerakan dislokasi dalam kisi kristal baja. Suhu yang tinggi memberikan energi termal yang cukup bagi dislokasi untuk mengatasi hambatan melalui proses yang diaktifkan secara termal seperti slip silang dan pendakian. Secara bersamaan, proses pemulihan dinamis dan rekristalisasi terjadi, di mana butir baru yang bebas regangan mengkristal dan tumbuh, mengkonsumsi struktur yang terdeformasi.

Deformasi dan rekristalisasi yang bersamaan menyebabkan pemurnian butir, memecah butir kolumnar kasar yang khas dari struktur cor menjadi butir equiaxed yang lebih halus. Transformasi ini terjadi melalui mekanisme pemulihan dinamis, rekristalisasi dinamis, dan rekristalisasi metadinamik, tergantung pada kondisi deformasi spesifik dan komposisi baja.

Kinetika presipitasi juga dipercepat selama penggilingan panas, memungkinkan pembentukan presipitat mikroaloying yang terkontrol yang dapat mengikat batas butir dan dislokasi. Mekanisme penguatan presipitasi ini berkontribusi secara signifikan terhadap sifat mekanik akhir dari produk baja yang digulung panas.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama yang menggambarkan penggilingan panas didasarkan pada model pemrosesan termomekanik yang mengintegrasikan teori deformasi plastik dengan kinetika rekristalisasi. Parameter Zener-Hollomon ($Z = \dot{\varepsilon} \exp(Q/RT)$) berfungsi sebagai parameter dasar, menggabungkan laju regangan ($\dot{\varepsilon}$), suhu deformasi ($T$), energi aktivasi ($Q$), dan konstanta gas ($R$) untuk memprediksi evolusi mikrostruktural.

Pemahaman historis tentang penggilingan panas berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi prinsip ilmiah pada awal abad ke-20. Kemajuan signifikan terjadi pada tahun 1960-an dan 1970-an dengan pengembangan praktik penggilingan terkontrol berdasarkan teori rekristalisasi dan presipitasi.

Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM) untuk mekanika deformasi, automata seluler dan model fase-lapangan untuk evolusi mikrostruktural, serta kerangka rekayasa material komputasional terintegrasi (ICME) yang menghubungkan parameter pemrosesan dengan sifat akhir melalui pemodelan multi-skala.

Dasar Ilmu Material

Penggilingan panas secara mendalam mempengaruhi struktur kristal baja dengan menginduksi tekstur kristal—orientasi preferensial kisi kristal—yang menciptakan sifat mekanik anisotropik. Proses ini juga mempengaruhi karakteristik batas butir, mengubah batas sudut tinggi acak menjadi konfigurasi yang lebih khusus yang mempengaruhi perilaku mekanik.

Evolusi mikrostruktural selama penggilingan panas tergantung pada energi kesalahan tumpukan, yang menentukan kemudahan slip silang dan pendakian dislokasi. Pada material dengan energi kesalahan tumpukan rendah, rekristalisasi dinamis mendominasi, sementara material dengan energi kesalahan tumpukan tinggi mengalami pemulihan dinamis secara utama.

Penggilingan panas menggambarkan hubungan pemrosesan-struktur-sifat yang menjadi pusat ilmu material. Deformasi yang terkontrol pada suhu tinggi menetapkan mikrostruktur tertentu (ukuran butir, distribusi fase, densitas dislokasi) yang secara langsung menentukan sifat mekanik (kekuatan, ketangguhan, ketahanan) dari produk akhir.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar yang mengatur deformasi selama penggilingan panas adalah persamaan tegangan aliran:

$$\sigma = K \varepsilon^n \dot{\varepsilon}^m \exp(Q/RT)$$

Di mana:
- $\sigma$ mewakili tegangan aliran (MPa)
- $K$ adalah koefisien kekuatan (konstanta tergantung material)
- $\varepsilon$ adalah regangan sejati
- $n$ adalah eksponen pengerasan regangan
- $\dot{\varepsilon}$ adalah laju regangan (s⁻¹)
- $m$ adalah eksponen sensitivitas laju regangan
- $Q$ adalah energi aktivasi untuk deformasi (J/mol)
- $R$ adalah konstanta gas universal (8.314 J/mol·K)
- $T$ adalah suhu mutlak (K)

Formula Perhitungan Terkait

Gaya penggilingan dapat dihitung menggunakan:

$$F = w \cdot L \cdot \bar{p}$$

Di mana:
- $F$ adalah gaya penggilingan (N)
- $w$ adalah lebar benda kerja (mm)
- $L$ adalah panjang kontak yang diproyeksikan (mm)
- $\bar{p}$ adalah tekanan gulung spesifik rata-rata (MPa)

Pengurangan (reduksi ketebalan) dalam penggilingan panas dinyatakan sebagai:

$$d = h_0 - h_1$$

Di mana:
- $d$ adalah pengurangan (mm)
- $h_0$ adalah ketebalan masuk (mm)
- $h_1$ adalah ketebalan keluar (mm)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk suhu di atas suhu rekristalisasi dari kelas baja tertentu, biasanya 0,6 kali suhu lebur dalam Kelvin. Di bawah suhu ini, mekanisme deformasi yang berbeda mendominasi.

Model-model ini mengasumsikan deformasi dan distribusi suhu yang homogen, yang mungkin tidak berlaku untuk geometri kompleks atau penggilingan kecepatan tinggi di mana pemanasan adiabatik menjadi signifikan. Efek tepi dan variasi gesekan di seluruh gigitan gulung juga disederhanakan.

Kebanyakan model matematis mengasumsikan kondisi keadaan tetap dan mengabaikan fenomena transien selama percepatan, perlambatan, atau perubahan ukuran pabrik. Selain itu, model-model ini biasanya memerlukan koefisien empiris yang ditentukan melalui kalibrasi eksperimental untuk kelas baja tertentu.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A1018: Spesifikasi Standar untuk Baja, Lembaran dan Strip, Gulungan Ketebalan Berat, Digulung Panas, Karbon, Komersial, Menggambar, Struktural, Paduan Rendah Kekuatan Tinggi, Paduan Rendah Kekuatan Tinggi dengan Formabilitas yang Ditingkatkan, dan Kekuatan Ultra Tinggi
• ISO 3574: Lembaran baja karbon yang dikurangi dingin dengan kualitas komersial dan menggambar
• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam
• ASTM E45: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kandungan Inklusi Baja

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Sifat baja yang digulung panas umumnya dievaluasi menggunakan mesin uji universal yang dil