Pengelupasan: Proses Penghilangan Cacat Permukaan yang Kritis untuk Kualitas Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Scarfing adalah proses pengkondisian permukaan yang digunakan dalam industri baja untuk menghilangkan cacat dan ketidakteraturan permukaan dari produk baja setengah jadi seperti slab, billet, dan bloom. Proses ini melibatkan penghilangan terkontrol dari lapisan tipis logam dari permukaan menggunakan metode pemotongan termal, biasanya dengan nyala oksigen-bahan bakar atau busur plasma, untuk menghilangkan cacat seperti retakan, sambungan, lipatan, dan inklusi non-logam.

Dalam ilmu dan teknik material, scarfing memainkan peran penting dalam jaminan kualitas dengan memastikan bahwa cacat permukaan tidak menyebar ke produk jadi. Proses ini sangat penting untuk baja berkualitas tinggi di mana integritas permukaan secara langsung mempengaruhi sifat mekanik dan karakteristik kinerja produk akhir.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, scarfing merupakan langkah pemrosesan perantara yang penting yang menghubungkan pembuatan baja primer dan operasi penyelesaian. Ini mencerminkan prinsip metalurgi bahwa pengendalian kualitas permukaan adalah dasar untuk mencapai sifat material yang diinginkan dan mencegah kegagalan prematur dalam kondisi layanan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, scarfing memanfaatkan sifat termal diferensial antara baja dan cacat permukaannya. Ketika panas yang intens dari nyala oksigen-bahan bakar atau busur plasma diterapkan pada permukaan baja, logam dengan cepat teroksidasi dan meleleh dengan cara yang terkontrol. Jet oksigen bertekanan tinggi kemudian menghilangkan material yang teroksidasi ini, secara efektif memotong lapisan tipis dari permukaan.

Proses ini menciptakan zona reaksi lokal di mana besi teroksidasi membentuk oksida besi (terutama Fe₃O₄). Reaksi oksidasi eksotermik ini menghasilkan panas tambahan yang mempertahankan proses pemotongan. Aliran oksigen berkecepatan tinggi secara mekanis mengeluarkan oksida cair dan kotoran yang terperangkap dari permukaan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan scarfing adalah model pemotongan oksidasi termal, yang menggabungkan prinsip-prinsip termodinamika pembakaran, dinamika fluida, dan perpindahan panas. Model ini menggambarkan interaksi antara sumber panas, aliran oksigen, dan substrat baja.

Secara historis, pemahaman tentang scarfing berkembang dari teknik pemotongan nyala dasar pada awal abad ke-20 menjadi proses yang dikendalikan komputer yang canggih saat ini. Model awal lebih fokus pada hubungan empiris antara parameter nyala dan kualitas potongan.

Pendekatan modern menggabungkan dinamika fluida komputasional (CFD) untuk memodelkan dinamika aliran gas dan analisis elemen hingga (FEA) untuk memprediksi gradien termal dan laju penghilangan material. Model-model canggih ini memperhitungkan variabel seperti komposisi baja, kondisi permukaan, dan sifat termal untuk mengoptimalkan parameter scarfing.

Dasar Ilmu Material

Scarfing berinteraksi langsung dengan struktur kristal baja dengan menciptakan zona yang terpengaruh panas (HAZ) yang meluas di luar permukaan potongan yang sebenarnya. Dalam zona ini, siklus termal dapat menyebabkan perubahan mikrostruktur termasuk pemurnian atau pengasaran butiran tergantung pada suhu puncak dan laju pendinginan.

Efektivitas scarfing berkaitan dengan mikrostruktur material, terutama distribusi dan morfologi inklusi, segregasi, dan cacat lainnya. Material dengan konduktivitas termal yang lebih tinggi mendistribusikan panas lebih cepat, mempengaruhi lebar HAZ dan efisiensi proses scarfing.

Proses ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material tentang transformasi fase, kinetika oksidasi, dan stabilitas termodinamika. Input termal yang terkontrol selama scarfing harus dikelola dengan hati-hati untuk menghilangkan cacat permukaan tanpa mempengaruhi sifat material secara keseluruhan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Laju penghilangan material selama scarfing dapat dinyatakan sebagai:

$$MRR = \rho \cdot w \cdot d \cdot v$$

Di mana:
- $MRR$ adalah laju penghilangan material (kg/menit)
- $\rho$ adalah densitas baja (kg/m³)
- $w$ adalah lebar area yang di-scarf (m)
- $d$ adalah kedalaman potongan (m)
- $v$ adalah kecepatan scarfing (m/menit)

Rumus Perhitungan Terkait

Input panas selama scarfing dapat dihitung menggunakan:

$$Q = \eta \cdot \frac{P}{v}$$

Di mana:
- $Q$ adalah input panas per unit panjang (J/m)
- $\eta$ adalah faktor efisiensi termal (tanpa dimensi)
- $P$ adalah daya sumber panas (W)
- $v$ adalah kecepatan scarfing (m/menit)

Siklus termal pada suatu titik di HAZ dapat diperkirakan menggunakan:

$$T(x,t) = T_0 + \frac{Q}{2\pi\lambda t} \cdot e^{-\frac{x^2}{4\alpha t}}$$

Di mana:
- $T(x,t)$ adalah suhu pada jarak $x$ dari sumber panas pada waktu $t$
- $T_0$ adalah suhu awal
- $\lambda$ adalah konduktivitas termal
- $\alpha$ adalah difusivitas termal
- $x$ adalah jarak dari sumber panas
- $t$ adalah waktu

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus-rumus ini berlaku untuk operasi scarfing standar pada baja karbon dan baja paduan rendah dengan ketebalan berkisar antara 10mm hingga 300mm. Mereka mengasumsikan sifat material yang seragam dan kondisi keadaan mantap selama proses scarfing.

Model-model ini memiliki batasan ketika diterapkan pada baja paduan tinggi atau material dengan gradien komposisi yang signifikan. Sifat material yang bergantung pada suhu tidak diperhitungkan dalam model yang disederhanakan, memerlukan pendekatan numerik yang lebih kompleks untuk perhitungan yang tepat.

Ekspresi matematis ini mengasumsikan kondisi ideal termasuk kemurnian oksigen yang sempurna, karakteristik nyala yang konsisten, dan kondisi permukaan yang seragam—asumsi yang mungkin memerlukan penyesuaian dalam aplikasi praktis.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A788/A788M: Spesifikasi Standar untuk Forging Baja, Persyaratan Umum - Termasuk persyaratan kualitas scarfing untuk produk yang ditempa
• ISO 3887: Baja - Penentuan kedalaman dekarburisasi - Relevan untuk menilai HAZ setelah scarfing
• ASTM E340: Metode Uji Standar untuk Makro-etching Logam dan Paduan - Digunakan untuk mengevaluasi kualitas permukaan setelah scarfing
• EN 10163: Persyaratan pengiriman untuk kondisi permukaan pelat baja yang digulung panas, datar lebar dan bagian - Mendefinisikan kualitas permukaan yang dapat diterima setelah proses pengkondisian termasuk scarfing

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum untuk penilaian kualitas scarfing termasuk mikroskop optik dan profilometer permukaan yang mengukur kekasaran dan gelombang permukaan setelah operasi scarfing. Instrumen ini mengkuantifikasi karakteristik topografi dari permukaan yang di-scarf.

Peralatan pengujian ultrasonik sering digunakan untuk memverifikasi bahwa cacat di bawah permukaan telah sepenuhnya dihilangkan oleh proses scarfing. Teknik non-destruktif ini menggunakan gelombang suara frekuensi tinggi untuk mendeteksi diskontinuitas internal.

Karakterisasi canggih mungkin melibatkan mikroskop elektron pemindaian (SEM) yang dipasangkan dengan spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDS) untuk menganalisis komposisi kimia dan mikrostruktur dari permukaan yang di-scarf dan zona yang terpengaruh panas.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar untuk penilaian kualitas scarfing biasanya memerlukan bagian dengan