Rolling: Proses Pembentukan Logam Dasar dalam Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Rolling adalah proses pembentukan logam di mana bahan logam dilewatkan melalui satu atau lebih pasangan rol untuk mengurangi ketebalan, membuat ketebalan menjadi seragam, dan/atau memberikan sifat mekanik yang diinginkan. Ini merupakan salah satu proses deformasi yang paling mendasar dan banyak digunakan di industri baja, menyumbang sekitar 90% dari semua produk logam yang diproduksi.

Rolling mengubah mikrostruktur cor awal baja menjadi struktur yang ditempa dengan sifat mekanik yang ditingkatkan. Proses ini menyebabkan deformasi plastis yang menghancurkan struktur dendritik cor dan menciptakan struktur butir yang lebih halus dan terarah.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, rolling menempati posisi sentral sebagai teknik pengolahan logam utama yang menghubungkan pembuatan baja dan manufaktur produk jadi. Ini berfungsi sebagai cara untuk membentuk baja dan sebagai proses kritis untuk mengontrol mikrostruktur dan sifatnya melalui pemrosesan deformasi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, rolling menyebabkan deformasi plastis melalui pergerakan dislokasi dalam kisi kristal baja. Saat material melewati rol, tegangan kompresif melebihi kekuatan luluh, menyebabkan dislokasi berlipat ganda dan bergerak sepanjang bidang slip.

Proses deformasi ini menghasilkan pemanjangan butir dalam arah rolling dan pemurnian butir melalui rekristalisasi ketika dilakukan pada suhu tinggi. Pergerakan dan interaksi dislokasi menyebabkan pengerasan kerja pada rolling dingin atau pemulihan dinamis dan rekristalisasi pada rolling panas.

Tegangan yang diterapkan menyebabkan tekstur kristal berkembang, di mana orientasi kristal tertentu menjadi teratur relatif terhadap arah rolling. Tekstur ini secara signifikan mempengaruhi anisotropi mekanik dari produk yang digulung.

Model Teoretis

Metode slab merupakan model teoretis utama untuk menganalisis proses rolling, yang dikembangkan oleh von Kármán pada awal abad ke-20. Pendekatan ini memperlakukan zona deformasi sebagai kontinuum dan menerapkan prinsip keseimbangan gaya untuk memprediksi gaya rolling dan kebutuhan daya.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris menjadi model komputasi yang canggih. Pekerjaan awal oleh Siebel dan Orowan menetapkan hubungan dasar antara gaya rol, area kontak, dan tegangan aliran material.

Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM), yang memperhitungkan deformasi elastis rol (perataan rol), gradien suhu, dan evolusi mikrostruktur. Metode batas atas memberikan solusi analitis untuk pola deformasi yang lebih kompleks, sementara model plastisitas kristal menghubungkan deformasi makroskopik dengan mekanisme slip kristal.

Dasar Ilmu Material

Rolling secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan memperpanjang butir dalam arah rolling dan memadatkannya dalam arah normal. Di batas butir, deformasi menciptakan daerah energi tinggi yang dapat berfungsi sebagai situs nukleasi untuk rekristalisasi selama proses annealing berikutnya.

Evolusi mikrostruktur selama rolling tergantung pada suhu, regangan, dan laju regangan. Rolling panas (di atas suhu rekristalisasi) menghasilkan rekristalisasi dinamis dan pemulihan, sementara rolling dingin menciptakan energi tersimpan melalui pengerasan kerja tanpa rekristalisasi segera.

Rolling terhubung dengan prinsip dasar ilmu material tentang deformasi plastis, pengerasan kerja, pemulihan, rekristalisasi, dan pertumbuhan butir. Proses ini menggambarkan bagaimana deformasi yang terkontrol dapat merekayasa mikrostruktur untuk mencapai sifat mekanik yang diinginkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Parameter dasar dalam rolling adalah draft, yang didefinisikan sebagai pengurangan ketebalan:

$$d = h_0 - h_f$$

Di mana:
- $d$ = draft absolut (mm)
- $h_0$ = ketebalan awal (mm)
- $h_f$ = ketebalan akhir (mm)

Pengurangan persentase diberikan oleh:

$$r = \frac{h_0 - h_f}{h_0} \times 100\%$$

Rumus Perhitungan Terkait

Gaya rol dapat dihitung menggunakan:

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

Di mana:
- $F$ = gaya rolling (N)
- $w$ = lebar strip (mm)
- $L$ = panjang kontak yang diproyeksikan (mm)
- $\bar{p}$ = tekanan rata-rata (MPa)

Panjang kontak yang diproyeksikan diperkirakan dengan:

$$L \approx \sqrt{R \cdot (h_0 - h_f)}$$

Di mana $R$ adalah jari-jari rol (mm).

Torque per rol dihitung sebagai:

$$T = F \cdot a$$

Di mana $a$ adalah lengan tuas (mm), biasanya diperkirakan sebagai $L/2$.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini mengasumsikan rol kaku dan deformasi homogen, yang menjadi kurang akurat dengan deformasi rol yang besar atau saat rolling material berkekuatan tinggi.

Metode slab berlaku untuk rasio lebar terhadap ketebalan yang lebih besar dari 10, di mana kondisi regangan datar mendominasi. Untuk strip yang lebih sempit, efek tepi menjadi signifikan dan model 3D diperlukan.

Model ini mengasumsikan kondisi isotermal, yang jarang benar dalam rolling industri di mana gradien suhu ada melalui ketebalan dan sepanjang arah rolling.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A1030: Praktik standar untuk mengukur karakteristik datar produk lembaran baja.

ISO 9517: Material logam — Lembaran dan strip — Penentuan rasio regangan plastik.

ASTM E517: Metode pengujian standar untuk rasio regangan plastik r untuk logam lembar.

ASTM E8/E8M: Metode pengujian standar untuk pengujian tarik material logam, digunakan untuk mengevaluasi sifat setelah rolling.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penggilingan rolling berkisar dari skala laboratorium (biasanya konfigurasi dua tinggi) hingga pabrik industri multi-stand. Pabrik yang dilengkapi instrumen mengukur gaya rol, torsi, dan kecepatan menggunakan sel beban, meter torsi, dan encoder.

Pengukur ketebalan berbasis optik dan laser terus-menerus memantau ketebalan selama rolling. Sistem ini menggunakan prinsip transmisi cahaya, refleksi, atau triangulasi untuk mencapai akurasi ±1 μm.

Karakterisasi lanjutan menggunakan difraksi elektron backscatter (EBSD) untuk menganalisis tekstur kristal dan difraksi sinar-X untuk mengukur tegangan sisa yang diinduksi oleh rolling.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar untuk mengevaluasi produk yang digulung biasanya mengikuti dimensi yang ditentukan dalam ASTM E8/E8M, dengan panjang gauge 50 mm dan lebar 12,5 mm untuk material lembaran.

Persiapan permukaan untuk analisis mikrostruktur memerlukan penggilingan, pemolesan hingga hasil akhir cermin, dan penggoresan dengan reagen yang sesuai (misalnya, 2-5% Nital untuk baja karbon).

Sampel harus diambil dalam beberapa orientasi (arah rolling, arah melintang, dan 45° terhadap arah rolling) untuk mengkarakterisasi anisotropi yang diinduksi oleh rolling.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (23 ± 5°C) kecuali mengevaluasi sifat suhu tinggi atau mensimulasikan kondisi layanan.

Laju regangan untuk pengujian tarik produk yang digulung biasanya berkisar dari 10^-3 hingga 10^-4 s^-1 sesuai dengan ASTM E8/E8M.

Parameter proses rolling mencakup kecepatan rol (0,5-20 m/s), pengurangan per pass (biasanya 10-30% untuk rolling panas, 5-15% untuk rolling dingin), dan suhu rolling (1000-1250°C untuk rolling panas baja karbon).