Leveling: Proses Datar Kritis dalam Manufaktur & Pengolahan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Leveling adalah operasi pengolahan logam yang meratakan dan meluruskan lembaran logam untuk menghilangkan gelombang, lekukan, dan cacat bentuk lainnya dengan menerapkan gaya pembengkokan yang terkontrol. Proses ini menghasilkan produk lembaran datar dengan ketebalan yang seragam dan stres internal yang minimal, yang penting untuk operasi pembentukan selanjutnya dan kualitas produk akhir.

Leveling menempati posisi kritis dalam rantai produksi baja, biasanya dilakukan setelah penggulungan dan sebelum pemrosesan lebih lanjut atau pengiriman kepada pelanggan. Ini menjembatani produksi baja primer dan proses fabrikasi sekunder, memastikan stabilitas dimensi dan sifat mekanik yang konsisten.

Dalam istilah metalurgi, leveling mewakili proses deformasi terkontrol yang memodifikasi pola stres residual sambil mempertahankan sifat material. Ini mengatasi cacat bentuk yang dihasilkan dari pendinginan yang tidak merata, penggulungan yang tidak seragam, atau penanganan yang tidak tepat selama tahap produksi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, leveling bekerja dengan menginduksi deformasi plastis terkontrol yang mendistribusikan kembali stres residual dalam material. Ketika lembaran logam melewati rol leveling, operasi pembengkokan bergantian dan pembengkokan balik menciptakan yielding lokal dalam ketegangan dan kompresi di seluruh ketebalan lembaran.

Deformasi siklik ini menyebabkan pergerakan dislokasi dalam kisi kristal, memungkinkan pelepasan dan redistribusi stres. Proses ini secara efektif "mengatur ulang" keadaan stres internal material dengan memaksa dislokasi untuk bergerak dan mengatur ulang, menciptakan distribusi stres yang lebih seragam di seluruh lembaran.

Derajat deformasi plastis bervariasi melalui ketebalan lembaran, dengan lapisan permukaan mengalami regangan yang lebih besar daripada sumbu netral. Gradien deformasi ini adalah kunci untuk menghilangkan cacat bentuk sambil mempertahankan sifat material.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk leveling adalah teori pembengkokan elastis-plastis, yang menggambarkan perilaku material saat mengalami siklus pembengkokan dan pembengkokan ulang yang berulang. Model ini memperhitungkan kekuatan luluh, pengerasan kerja, dan pemulihan elastis selama proses leveling.

Pemahaman historis tentang leveling berkembang dari pelurusan rol sederhana hingga sistem yang dikendalikan komputer yang canggih. Model awal memperlakukan logam sebagai material plastis yang sempurna, sementara pendekatan modern menggabungkan pemulihan elastis, pengerasan kerja, dan evolusi stres residual.

Pendekatan teoretis yang berbeda termasuk model pembengkokan murni (fokus pada perubahan kelengkungan), model riwayat regangan (melacak regangan plastis kumulatif), dan analisis elemen hingga (mensimulasikan bidang stres-regangan lengkap). Masing-masing menawarkan wawasan yang berbeda tentang proses leveling dengan kompleksitas komputasi yang bervariasi.

Dasar Ilmu Material

Leveling berinteraksi langsung dengan struktur kristal baja dengan menginduksi deformasi plastis yang mempengaruhi kepadatan dan distribusi dislokasi. Dalam material polikristalin, proses ini mempengaruhi bagaimana dislokasi berinteraksi dengan batas butir dan fitur mikrostruktur lainnya.

Efektivitas leveling tergantung pada mikrostruktur material, khususnya ukuran butir, distribusi fase, dan kandungan inklusi. Material dengan butir halus biasanya memerlukan parameter leveling yang lebih agresif dibandingkan dengan material dengan butir kasar karena kekuatan luluh yang lebih tinggi dan perilaku pengerasan kerja yang berbeda.

Secara fundamental, leveling terhubung dengan prinsip deformasi plastis, pengerasan kerja, dan pemulihan elastis. Proses ini memanfaatkan kemampuan material untuk mengalami deformasi permanen melampaui batas elastisnya sambil mempertahankan integritas struktural dan sifat mekanik yang diinginkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Parameter dasar dalam leveling adalah regangan pembengkokan plastis ($\varepsilon_p$), yang dapat dinyatakan sebagai:

$$\varepsilon_p = \frac{t}{2R} - \frac{\sigma_y}{E}$$

Di mana:
- $t$ adalah ketebalan lembaran
- $R$ adalah jari-jari rol
- $\sigma_y$ adalah kekuatan luluh material
- $E$ adalah modulus elastis

Persamaan ini menggambarkan regangan plastis yang diinduksi saat membengkokkan lembaran di sekitar rol, memperhitungkan pemulihan elastis.

Formula Perhitungan Terkait

Diameter rol minimum ($D_{min}$) yang diperlukan untuk leveling yang efektif dapat dihitung sebagai:

$$D_{min} = \frac{E \cdot t}{2 \cdot \sigma_y}$$

Di mana variabel didefinisikan seperti sebelumnya. Formula ini membantu menentukan spesifikasi peralatan berdasarkan sifat material.

Jumlah rol leveling ($n$) yang dibutuhkan dapat diperkirakan menggunakan:

$$n = \frac{\pi \cdot \theta \cdot L}{2 \cdot \delta}$$

Di mana:
- $\theta$ adalah deviasi sudut maksimum dari datar
- $L$ adalah panjang lembaran
- $\delta$ adalah deviasi maksimum yang diizinkan dari datar

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan sifat material yang homogen dan isotrop di seluruh ketebalan lembaran. Mereka menjadi kurang akurat untuk material yang sangat anisotrop atau yang memiliki gradien sifat yang signifikan.

Model memiliki validitas terbatas untuk lembaran yang sangat tipis (di mana efek permukaan mendominasi) atau pelat yang sangat tebal (di mana variasi sifat melalui ketebalan menjadi signifikan). Biasanya, mereka bekerja paling baik untuk rentang ketebalan 0,2mm hingga 25mm.

Perhitungan mengasumsikan pemrosesan pada suhu ruangan; koreksi suhu harus diterapkan untuk operasi leveling panas. Selain itu, efek laju regangan umumnya diabaikan, yang dapat memperkenalkan kesalahan dalam operasi leveling kecepatan tinggi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A568/A568M: Spesifikasi Standar untuk Baja, Lembaran, Karbon, Struktural, dan Kekuatan Tinggi, Paduan Rendah, Dingin dan Panas-Digulung
• ISO 7452: Pelat baja struktural yang diproduksi panas - Toleransi pada dimensi dan bentuk
• EN 10029: Pelat baja yang diproduksi panas 3 mm tebal atau lebih - Toleransi pada dimensi dan bentuk
• JIS G3193: Dimensi, bentuk, massa, dan toleransi pelat dan lembaran baja

Standar ini mendefinisikan toleransi datar yang dapat diterima dan metode pengukuran untuk produk baja yang telah diratakan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Sistem pengukuran datar termasuk pemindai triangulasi laser optik yang memproyeksikan garis laser di seluruh lebar lembaran untuk membuat peta topografi permukaan. Sistem non-kontak ini dapat mendeteksi deviasi sekecil 0,1mm.

Meja datar mekanis menggunakan permukaan referensi yang diproses presisi di mana sampel lembaran diletakkan. Gauge feeler atau indikator elektronik mengukur celah antara lembaran dan permukaan referensi untuk mengkuantifikasi deviasi datar.

Sistem canggih termasuk pengukuran datar berbasis ketegangan, di mana lembaran diletakkan di bawah ketegangan terkontrol dan distribusi stres dianalisis menggunakan sensor khusus atau metode optik untuk memprediksi datar di bawah kondisi penggunaan yang sebenarnya.

Persyaratan Sampel

Sampel uji standar biasanya mencakup seluruh lebar lembaran yang diproses dengan panjang setidaknya 1000mm untuk menangkap cacat datar yang terlokalisasi dan terdistribusi.

Persiapan permukaan umumnya hanya memerlukan pembersihan untuk menghilangkan kotoran yang mungkin mengganggu pengukuran. Tidak ada persiapan khusus yang diperlukan untuk pengukuran optik, meskipun metode