Pengolahan Annealing: Proses Perlakuan Panas Penting untuk Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pemanasan pabrik adalah proses perlakuan panas yang diterapkan pada produk baja selama atau segera setelah produksi di pabrik baja untuk melembutkan material, mengurangi stres internal, dan meningkatkan kemampuan mesin. Proses ini melibatkan pemanasan baja hingga suhu di bawah titik transformasi kritisnya, mempertahankannya pada suhu tersebut selama waktu tertentu, dan kemudian mendinginkannya dengan laju terkontrol, biasanya di udara.

Pemanasan pabrik merupakan perlakuan panas yang ekonomis dan berskala produksi yang mempersiapkan baja untuk operasi manufaktur selanjutnya dengan memberikan struktur yang lebih seragam dan dapat dikerjakan. Meskipun tidak seakurat proses pemanasan penuh, ini menawarkan perbaikan sifat yang cukup untuk banyak aplikasi komersial.

Dalam hierarki perlakuan metalurgi, pemanasan pabrik menempati posisi menengah antara kondisi yang digulung dan perlakuan panas yang lebih khusus seperti normalisasi, pemanasan penuh, atau pengurangan stres. Ini berfungsi sebagai proses pengkondisian dasar yang menyeimbangkan ekonomi produksi dengan pengembangan sifat mekanik yang memadai.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemanasan pabrik mendorong pemulihan dan rekristalisasi parsial dari struktur butir yang terdeformasi akibat proses pengerjaan panas atau dingin. Suhu yang tinggi memberikan energi termal yang cukup untuk dislokasi untuk menyusun ulang dan sebagian menghilang, mengurangi kepadatan dislokasi secara keseluruhan dalam material.

Atom karbon dan elemen paduan lainnya mendapatkan mobilitas selama proses pemanasan, memungkinkan mereka untuk berdifusi menuju posisi yang lebih stabil secara termodinamika. Difusi ini membantu menghomogenkan mikrostruktur dan mengurangi mikrosegregasi yang mungkin terjadi selama pembekuan atau pemrosesan selanjutnya.

Proses ini juga memfasilitasi spheroidisasi karbida dalam baja karbon sedang hingga tinggi, mengubah karbida lamelar atau mirip pelat menjadi morfologi yang lebih bulat yang meningkatkan kemampuan mesin dan mengurangi titik konsentrasi stres.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk pemanasan pabrik mengikuti model pemulihan, rekristalisasi, dan pertumbuhan butir yang dikembangkan pada awal abad ke-20. Model ini menggambarkan bagaimana logam yang terdeformasi memulihkan mikrostruktur mereka melalui proses yang diaktifkan secara termal secara berurutan.

Pemahaman sejarah tentang pemanasan berkembang secara signifikan dengan pengembangan teknik difraksi sinar-X pada tahun 1920-an, yang memungkinkan metalurgis untuk mengamati perubahan kristalografi selama perlakuan panas. Kemajuan lebih lanjut datang dengan mikroskop elektron transmisi pada tahun 1950-an, memungkinkan pengamatan langsung struktur dislokasi.

Pendekatan modern menggabungkan model kinetik berdasarkan persamaan tipe Arrhenius untuk memprediksi evolusi mikrostruktur selama pemanasan, sementara model transformasi fase seperti persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) menggambarkan kemajuan rekristalisasi sebagai fungsi waktu dan suhu.

Dasar Ilmu Material

Pemanasan pabrik secara langsung mempengaruhi struktur kristal baja dengan mengurangi distorsi kisi dan memungkinkan atom untuk mengambil posisi yang lebih seimbang dalam kisi kristal. Di batas butir, proses ini mendorong migrasi batas sudut tinggi dan penghapusan batas subbutir sudut rendah yang terbentuk selama deformasi.

Perubahan mikrostruktur selama pemanasan pabrik tergantung pada kondisi awal dan komposisi baja. Dalam baja karbon rendah, proses ini terutama mempengaruhi fase ferit, sementara dalam baja karbon sedang hingga tinggi, ini mempengaruhi baik matriks ferit maupun morfologi dan distribusi fase karbida.

Gaya pendorong untuk perubahan ini berasal dari prinsip termodinamika minimisasi energi bebas, di mana sistem bergerak menuju keadaan energi yang lebih rendah dengan mengurangi kepadatan cacat dan menciptakan distribusi fase yang lebih stabil.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kinetika proses pemanasan, termasuk pemanasan pabrik, dapat dijelaskan menggunakan persamaan Arrhenius:

$$k = A \exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right)$$

Di mana $k$ adalah konstanta laju untuk proses pemanasan, $A$ adalah faktor pre-ekspresional, $E_a$ adalah energi aktivasi untuk mekanisme tertentu (pemulihan, rekristalisasi, atau pertumbuhan butir), $R$ adalah konstanta gas universal, dan $T$ adalah suhu mutlak dalam Kelvin.

Formula Perhitungan Terkait

Fraksi rekristalisasi selama pemanasan pabrik dapat dimodelkan menggunakan persamaan JMAK:

$$X = 1 - \exp\left(-kt^n\right)$$

Di mana $X$ mewakili fraksi volume yang direkristalisasi, $k$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu dari persamaan Arrhenius, $t$ adalah waktu pemanasan, dan $n$ adalah eksponen Avrami yang bergantung pada mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.

Pelemahan yang terjadi selama pemanasan pabrik dapat diukur dengan hubungan antara pengurangan kekerasan dan parameter pemanasan:

$$\frac{H_0 - H}{H_0 - H_f} = f(t, T)$$

Di mana $H_0$ adalah kekerasan awal, $H$ adalah kekerasan setelah pemanasan selama waktu $t$ pada suhu $T$, dan $H_f$ adalah kekerasan akhir yang seimbang.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini umumnya berlaku untuk material fase tunggal atau yang memiliki partikel fase kedua minimal. Akurasinya menurun pada baja multiphase kompleks di mana interaksi antara fase mempengaruhi kinetika rekristalisasi.

Model ini mengasumsikan kondisi isotermal, yang mungkin tidak dipertahankan sepanjang proses pemanasan pabrik industri di mana gradien suhu dapat ada di seluruh penampang besar atau produk panjang.

Kebanyakan model pemanasan diperoleh secara empiris untuk komposisi baja tertentu dan kondisi awal, memerlukan kalibrasi ulang ketika diterapkan pada grade baja atau riwayat pemrosesan yang berbeda.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Menyediakan prosedur untuk mengukur perubahan kekerasan yang dihasilkan dari pemanasan pabrik.

ASTM E112: Metode Uji Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata - Menguraikan metode untuk mengkuantifikasi perubahan ukuran butir setelah perlakuan pemanasan.

ISO 6507: Material logam - Uji kekerasan Vickers - Menentukan metode pengukuran kekerasan alternatif yang sering digunakan untuk mengevaluasi efektivitas pemanasan.

ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi - Merinci persiapan spesimen untuk pemeriksaan mikrostruktur material yang telah dipanaskan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mikroskop optik tetap menjadi alat utama untuk mengevaluasi perubahan mikrostruktur setelah pemanasan pabrik, memungkinkan penilaian ukuran butir, distribusi fase, dan morfologi karbida pada pembesaran hingga 1000x.

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, atau Brinell) memberikan pengukuran kuantitatif dari pelemahan yang dicapai selama pemanasan pabrik, dengan pengukuran biasanya dilakukan pada permukaan datar yang telah disiapkan.

Mesin pengujian tarik menentukan perubahan sifat mekanik, terutama kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan perpanjangan, yang sangat dipengaruhi oleh proses pemanasan.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan difraksi elektron backscatter (EBSD) untuk mengkuantifikasi fraksi rekristalisasi dan perkembangan tekstur selama pemanasan.

Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar memerlukan permukaan datar yang dipoles yang biasanya berukuran 1-2 cm² dengan persiapan permukaan mengikuti penggilingan dan pemolesan progresif untuk mencapai hasil akhir cermin.

Spesimen uji kekerasan memerlukan permukaan datar paralel dengan persyaratan ketebalan minimum tergantung pada metode uji (biasanya 10× kedalaman indentasi untuk pengujian Vickers).

Spesimen tarik mengikuti ge