Pengemasan Gulung: Teknik Pemrosesan Multi-Lembar dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pack rolling adalah proses pembentukan logam yang khusus di mana beberapa lapisan lembaran logam ditumpuk bersama dan digulung secara bersamaan. Teknik ini melibatkan pengelompokan beberapa lembaran atau strip logam tipis menjadi "paket" yang kemudian diproses melalui pabrik penggulung sebagai satu kesatuan. Pack rolling memungkinkan produksi bahan dengan ketebalan sangat tipis secara efisien sambil mengatasi kesulitan penanganan dan tantangan kontrol dimensi yang terkait dengan penggulungan lembaran tipis secara individu.

Dalam ilmu material dan rekayasa, pack rolling merupakan solusi teknologi penting untuk memproduksi bahan dengan ketebalan ultra-tipis yang memiliki ketebalan dan kualitas permukaan yang konsisten. Proses ini memanfaatkan perilaku deformasi kolektif dari material yang ditumpuk untuk mencapai pengurangan ketebalan yang tidak praktis melalui metode penggulungan lembaran tunggal konvensional.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pack rolling berada di persimpangan teknologi penggulungan datar, rekayasa permukaan, dan metalurgi presisi. Ini menunjukkan bagaimana inovasi proses dapat mengatasi batasan fundamental dalam pembentukan logam, memungkinkan produksi bahan dengan dimensi dan sifat yang sebaliknya tidak dapat dicapai melalui jalur pemrosesan konvensional.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pack rolling melibatkan deformasi plastis simultan dari beberapa lapisan logam di bawah tekanan kompresif. Susunan yang ditumpuk menciptakan zona deformasi komposit di mana lapisan-lapisan mengalami jalur regangan yang hampir identik. Susunan ini mendistribusikan gaya penggulungan di seluruh antarmuka yang berbeda, mengurangi tekanan efektif pada setiap lembaran tunggal.

Antarmuka antara lembaran dalam paket menciptakan kondisi gesekan unik yang mempengaruhi aliran material. Antarmuka ini dapat bertindak sebagai reservoir pelumas atau, dalam beberapa kasus, menciptakan adhesi terkontrol yang membantu mempertahankan integritas paket. Konfigurasi paket juga memodifikasi dinamika transfer panas selama penggulungan, mempengaruhi perilaku rekristalisasi dan struktur butir akhir.

Secara mikroskopis, mekanisme deformasi dalam setiap lembaran tetap mirip dengan penggulungan konvensional—pergerakan dislokasi, perpanjangan butir, dan pengembangan tekstur terjadi saat material melewati celah gulungan. Namun, batasan yang diberikan oleh lembaran yang berdekatan memodifikasi pola distribusi regangan dibandingkan dengan penggulungan lembaran tunggal.

Model Teoritis

Model teoritis utama untuk pack rolling memperluas teori penggulungan konvensional dengan parameter tambahan yang memperhitungkan interaksi antar lembaran. Model penggulungan Sims, yang dimodifikasi untuk deformasi multi-lapisan, membentuk dasar untuk memahami kebutuhan gaya dan torsi dalam operasi pack rolling.

Secara historis, pemahaman tentang pack rolling berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 menjadi model analitis yang lebih canggih pada tahun 1960-an. Praktisi awal mengandalkan pendekatan coba-coba sampai peneliti seperti Ekelund dan Orowan mengembangkan kerangka matematis yang dapat memperhitungkan aspek unik dari deformasi multi-lapisan.

Pendekatan modern mencakup model elemen hingga yang mensimulasikan interaksi kompleks antara lapisan, gulungan, dan mikrostruktur yang berkembang. Model komputasi ini berbeda dari pendekatan analitis klasik dengan menggabungkan kondisi gesekan dinamis dan pola deformasi yang tidak seragam yang lebih akurat mewakili kondisi pack rolling yang sebenarnya.

Dasar Ilmu Material

Pack rolling secara fundamental terkait dengan plastisitas kristal, karena mekanisme deformasi dalam setiap lembaran melibatkan pergerakan dislokasi sepanjang sistem slip dalam struktur kristal. Batasan yang diberikan oleh lembaran yang berdekatan mempengaruhi bagaimana batas butir berinteraksi selama deformasi, sering kali menghasilkan struktur butir yang lebih seragam dibandingkan dengan penggulungan lembaran tunggal.

Perkembangan mikrostruktur selama pack rolling mencerminkan keseimbangan antara pengerasan kerja dan proses pemulihan. Kontak intim antara lembaran dapat mempengaruhi retensi panas, yang berpotensi memodifikasi kinetika rekristalisasi dibandingkan dengan penggulungan konvensional. Efek ini menjadi sangat penting saat menggulung bahan yang berbeda dalam satu paket.

Pack rolling terhubung dengan prinsip dasar ilmu material tentang fenomena antarmuka, tribologi, dan pemrosesan deformasi. Proses ini memanfaatkan prinsip deformasi plastis terkontrol sambil memperkenalkan kondisi batas unik yang memodifikasi aliran material dan sifat yang dihasilkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Hubungan fundamental yang mengatur pack rolling dapat dinyatakan melalui persamaan gaya gulung yang dimodifikasi untuk paket multi-lapisan:

$$F = w \cdot L \cdot k_{avg} \cdot Q_p$$

Di mana:
- $F$ = total gaya penggulungan
- $w$ = lebar paket
- $L$ = panjang proyeksi busur kontak
- $k_{avg}$ = tegangan aliran rata-rata dari material paket
- $Q_p$ = faktor paket (modifikasi tak berdimensi yang memperhitungkan efek multi-lapisan)

Formula Perhitungan Terkait

Pengurangan ketebalan per pass dalam pack rolling dapat dihitung sebagai:

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

Di mana:
- $r$ = persentase pengurangan
- $h_i$ = ketebalan paket awal
- $h_f$ = ketebalan paket akhir

Pengaturan celah gulung untuk mencapai ketebalan akhir target dalam paket n-lapisan:

$$S = \frac{t_f \times n}{1-e}$$

Di mana:
- $S$ = pengaturan celah gulung
- $t_f$ = ketebalan akhir target dari lembaran individu
- $n$ = jumlah lembaran dalam paket
- $e$ = faktor pemulihan elastis dari pabrik

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku dalam kondisi di mana semua lembaran dalam paket mengalami deformasi secara seragam dan tidak ada gesekan relatif yang terjadi antara lapisan. Model ini mengasumsikan kondisi isotermal dan sifat material yang homogen di seluruh lembaran.

Batasan termasuk ketidakmampuan untuk memperhitungkan kondisi gesekan yang tidak seragam antara antarmuka yang berbeda dalam paket. Model dasar juga tidak menangkap efek tepi yang menjadi signifikan ketika rasio lebar terhadap ketebalan jatuh di bawah ambang batas tertentu.

Pendekatan matematis ini mengasumsikan kondisi penggulungan keadaan tetap dan tidak memperhitungkan efek transien selama percepatan atau perlambatan pabrik penggulung. Koreksi tambahan diperlukan saat memproses bahan yang berbeda atau ketika terdapat gradien suhu dalam paket.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E517: Metode Uji Standar untuk Rasio Regangan Plastis r untuk Logam Lembaran - Berlaku untuk mengevaluasi kemampuan bentuk produk lembaran yang digulung paket.

ISO 6892-1: Material Logam - Pengujian Tarik pada Suhu Ruang - Digunakan untuk menentukan sifat mekanik dari lembaran individu setelah pack rolling.

ASTM E112: Metode Uji Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata - Diterapkan untuk mengevaluasi evolusi mikrostruktur yang dihasilkan dari proses pack rolling.

ASTM E45: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kandungan Inklusi Baja - Kritis untuk menilai dampak kualitas permukaan dari pack rolling.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pengukur ketebalan dengan presisi tingkat mikron sangat penting untuk mengukur keseragaman ketebalan di seluruh lembaran yang digulung paket. Ini biasanya menggunakan prinsip pengukuran kontak atau non-kontak menggunakan probe mekanis atau triangulasi laser.

Profilometer permukaan mengukur kekasaran permukaan transfer antara lembaran yang berdekatan dalam paket. Instrumen ini menggunakan metode berbasis stylus atau optik untuk membuat peta topografi permukaan lembaran dengan resolusi nanometer.

Peralatan pengujian ik