Paten: Proses Perlakuan Panas untuk Produksi Kawat Baja Karbon Tinggi

Definisi dan Konsep Dasar

Patenting adalah proses perlakuan panas khusus yang diterapkan pada kawat baja, terutama baja karbon tinggi, yang melibatkan pemanasan hingga suhu austenitik diikuti dengan pendinginan cepat dalam medium (biasanya timah cair atau garam) yang dipertahankan pada suhu di atas rentang transformasi pearlite. Proses ini menghasilkan mikrostruktur pearlitik halus dengan ketangguhan dan kekuatan tarik yang sangat baik, menjadikannya ideal untuk operasi penarikan kawat.

Patenting berfungsi sebagai perlakuan perantara yang kritis dalam produksi produk kawat baja berkekuatan tinggi, memungkinkan pengerjaan dingin yang signifikan tanpa patah. Proses ini secara fundamental mengubah mikrostruktur baja untuk mencapai keseimbangan optimal antara kekuatan dan kemampuan dibentuk.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, patenting mewakili aplikasi khusus dari prinsip transformasi isothermal, berbeda dari pendinginan dan tempering konvensional. Ini menunjukkan bagaimana transformasi fase yang terkontrol dapat dimanfaatkan untuk merancang fitur mikrostruktural tertentu yang meningkatkan sifat mekanik untuk aplikasi yang ditargetkan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktural, patenting mengontrol transformasi austenit menjadi pearlite dengan mempertahankan baja pada suhu konstan selama pendinginan. Transformasi isothermal ini memungkinkan atom karbon untuk difusi dan membentuk lamela pearlite yang berdekatan yang terdiri dari fase ferrite dan cementite yang bergantian.

Jarak antar lamela halus yang dicapai selama patenting (biasanya 0.1-0.3 μm) menciptakan banyak antarmuka yang menghambat pergerakan dislokasi. Antarmuka ini bertindak sebagai penghalang yang memperkuat material sambil mempertahankan ketangguhan yang cukup untuk operasi pengerjaan dingin selanjutnya.

Kinetika transformasi selama patenting mengikuti mekanisme nukleasi dan pertumbuhan, di mana koloni pearlite nukleasi di batas butir austenit dan tumbuh ke dalam. Suhu penahanan isothermal secara tepat mengontrol keseimbangan antara laju nukleasi dan laju pertumbuhan, menentukan morfologi pearlite akhir.

Model Teoretis

Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) membentuk model teoretis utama yang menggambarkan kinetika transformasi isothermal selama patenting:

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

Di mana X mewakili fraksi yang tertransformasi, t adalah waktu, k adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, dan n adalah eksponen Avrami yang mencerminkan mekanisme transformasi.

Pemahaman sejarah tentang patenting berkembang dari praktik empiris dalam pembuatan kawat selama abad ke-19 hingga pemahaman ilmiah tentang transformasi fase melalui pengembangan diagram Waktu-Suhu-Transformasi (TTT) pada tahun 1930-an oleh Davenport dan Bain.

Pendekatan modern menggabungkan model komputasi yang memprediksi evolusi mikrostruktural selama patenting dengan menggabungkan basis data termodinamika dengan model kinetik. Pendekatan ini memungkinkan kontrol yang tepat terhadap jarak antar lamela dan ukuran koloni melalui pemilihan parameter patenting yang hati-hati.

Dasar Ilmu Material

Patenting secara langsung memanipulasi struktur kristal baja dengan mengontrol transformasi dari austenit kubik berpusat muka menjadi struktur pearlite lamelar. Proses ini menciptakan banyak batas butir antara koloni pearlite yang berkontribusi pada penguatan sambil mempertahankan ketangguhan.

Mikrostruktur yang dihasilkan menampilkan pearlite halus dengan lamela ferrite (kubik berpusat badan) dan cementite (ortorhombik Fe₃C) yang berdekatan. Mikrostruktur ini memberikan kombinasi optimal antara kekuatan dari fase cementite yang keras dan ketangguhan dari fase ferrite.

Patenting menunjukkan prinsip dasar ilmu material bahwa kondisi pemrosesan menentukan mikrostruktur, yang pada gilirannya menentukan sifat. Dengan mengontrol suhu dan waktu transformasi, patenting memanipulasi laju difusi dan energi antarmuka untuk merancang fitur mikrostruktural tertentu.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Jarak antar lamela (S) dalam baja yang dipatenkan dapat dinyatakan sebagai:

$S = K \cdot \Delta T^{-1}$

Di mana K adalah konstanta yang bergantung pada material dan ΔT adalah pendinginan di bawah suhu eutektik (perbedaan antara suhu eutektik dan suhu transformasi isothermal).

Formula Perhitungan Terkait

Hubungan antara jarak antar lamela dan kekuatan tarik mengikuti:

$\sigma_{UTS} = \sigma_0 + k_y \cdot S^{-1/2}$

Di mana σ₀ adalah stres gesekan, ky adalah koefisien penguatan, dan S adalah jarak antar lamela.

Waktu yang diperlukan untuk transformasi lengkap selama patenting dapat diperkirakan menggunakan:

$t = A \cdot \exp\left(\frac{Q}{RT}\right)$

Di mana A adalah faktor pre-exponential, Q adalah energi aktivasi untuk pembentukan pearlite, R adalah konstanta gas, dan T adalah suhu absolut dari bak patenting.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja eutektik dan hipereutektik dengan kandungan karbon antara 0.7-1.0 wt%. Untuk baja hipoeutektik, keberadaan ferrite proeutektik harus dipertimbangkan dalam perhitungan sifat.

Model-model ini mengasumsikan kondisi transformasi isothermal, yang mungkin tidak dapat dicapai dengan sempurna dalam pengaturan industri di mana terdapat gradien suhu di seluruh penampang kawat. Untuk diameter kawat yang melebihi 5mm, gradien ini menjadi signifikan.

Hubungan ini mengasumsikan ukuran butir austenit yang seragam sebelum patenting. Variasi dalam ukuran butir austenit sebelumnya dapat menyebabkan distribusi koloni pearlite yang heterogen dan penyimpangan dari sifat mekanik yang diprediksi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A510: Spesifikasi Standar untuk Persyaratan Umum untuk Batang Kawat dan Kawat Bulat Kasar, Baja Karbon, yang mencakup sifat batang kawat yang dipatenkan.

ISO 16120-4: Batang kawat baja non-aloy untuk konversi menjadi kawat – Bagian 4: Persyaratan khusus untuk batang kawat untuk aplikasi khusus, termasuk spesifikasi untuk kawat yang dipatenkan.

ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi, yang merinci metode untuk memeriksa mikrostruktur baja yang dipatenkan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mikroskopi optik dengan etsa (biasanya menggunakan nital) digunakan untuk mengungkap ukuran dan distribusi koloni pearlite. Analisis kuantitatif memerlukan pembesaran 500-1000x untuk memisahkan lamela individu.

Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) memungkinkan pengukuran langsung jarak antar lamela pada pembesaran 5,000-20,000x. SEM emisi medan mungkin diperlukan untuk struktur pearlite ultra-halus.

Mikroskopi elektron transmisi (TEM) memberikan analisis resolusi tertinggi dari struktur lamelar, memungkinkan pengukuran ketebalan pelat cementite dan jarak ferrite dalam rentang nanometer.

Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar memerlukan potongan penampang dan longitudinal, dipasang dalam bakelit atau resin epoksi, dan dipoles hingga permukaan cermin (biasanya 0.05 μm alumina atau polesan akhir silika koloid).

Persiapan permukaan harus menghindari deformasi mekanis yang dapat mengubah struktur pearlite. Polishing elektrolitik sering kali lebih disukai untuk persiapan akhir sampel kawat yang dipatenkan dengan karbon tinggi.

Sampel untuk pengujian mekanik harus disiapkan sesuai dengan ASTM E8 untuk pengujian tarik, dengan pertimbangan khusus untuk geometri kawat dan metode penjepitan untuk mencegah kegagalan prematur.

Parameter Uji

Pemeriksaan mikrostruktural biasanya dilakukan pada suhu kamar di bawah kondisi laboratorium standar. Waktu etsa dengan larutan nital 2-3%