Spheroidizing: Meningkatkan Kemampuan Mesin Baja Melalui Perlakuan Panas

Definisi dan Konsep Dasar

Spheroidizing adalah proses perlakuan panas yang diterapkan pada baja yang mengubah struktur karbida, khususnya semenit (Fe₃C), dari morfologi lamelar atau mirip pelat menjadi partikel bulat dalam matriks ferit. Proses ini secara signifikan mengurangi kekerasan dan meningkatkan keuletan baja, menjadikannya lebih cocok untuk operasi pembentukan atau pemesinan selanjutnya. Perlakuan ini sangat penting untuk baja karbon tinggi dan baja alat di mana peningkatan kemampuan pemesinan diperlukan tanpa mengorbankan potensi untuk pengerasan di kemudian hari.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, spheroidizing mewakili teknik modifikasi mikrostruktur yang kritis yang memungkinkan insinyur untuk sementara mengubah sifat baja untuk pemrosesan sambil mempertahankan kemampuan untuk mengembangkan sifat akhir yang diinginkan melalui perlakuan panas selanjutnya. Ini berdiri sebagai proses annealing dasar di samping annealing penuh, annealing proses, dan annealing pelepasan stres, tetapi dengan tujuan mikrostruktur spesifik yang berfokus pada morfologi karbida daripada hanya pelepasan stres atau pemurnian butir.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, spheroidizing melibatkan redistribusi atom karbon dalam matriks baja. Selama pemanasan berkepanjangan dekat suhu kritis rendah (A₁), pelat atau jaringan semenit lamelar menjadi tidak stabil secara termodinamika. Atom karbon difusi sepanjang antarmuka antara fase semenit dan ferit, menyebabkan semenit terpecah dan membentuk partikel spheroidal.

Transformasi ini didorong oleh kecenderungan sistem untuk meminimalkan energi antarmuka. Bentuk bulat memiliki rasio luas permukaan terhadap volume minimum, mewakili keadaan energi terendah untuk partikel karbida. Proses yang dikendalikan oleh difusi memerlukan waktu dan suhu yang cukup untuk memungkinkan mobilitas karbon sambil mempertahankan kondisi keadaan padat.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan spheroidizing didasarkan pada prinsip pematangan Ostwald, yang pertama kali diusulkan oleh Wilhelm Ostwald pada tahun 1896. Model ini menjelaskan bagaimana partikel-partikel kecil larut dan mengendap kembali pada partikel-partikel yang lebih besar untuk meminimalkan total energi antarmuka dalam sistem. Dalam spheroidizing, ini terwujud sebagai pelarutan daerah kurvatur tinggi dari lamela semenit dan pertumbuhan daerah kurvatur lebih rendah.

Secara historis, pemahaman tentang spheroidizing berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 menjadi model kuantitatif pada tahun 1950-an. Pendekatan modern menggabungkan model kinetika difusi yang memperhitungkan mobilitas karbon sebagai fungsi dari suhu, elemen paduan, dan mikrostruktur awal.

Pendekatan teoretis yang bersaing termasuk model yang dikendalikan antarmuka versus model yang dikendalikan difusi, dengan sebagian besar bukti mendukung difusi karbon sebagai langkah yang membatasi laju dalam baja komersial.

Dasar Ilmu Material

Spheroidizing secara langsung berkaitan dengan antarmuka struktur kristal antara ferit kubik berpusat badan (BCC) dan semenit ortorhombik. Proses ini terjadi terutama di batas butir dan antarmuka fase di mana laju difusi lebih tinggi karena ketidakberlanjutan kristalografi.

Mikrostruktur yang dihasilkan menampilkan partikel karbida spheroidal yang terdistribusi di seluruh matriks ferit yang kontinu. Pengaturan ini secara fundamental mengubah sifat mekanik dengan menghilangkan jaringan atau pelat karbida yang kontinu yang bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi.

Proses ini menggambarkan prinsip ilmu material bahwa mikrostruktur mengontrol sifat, menunjukkan bagaimana komposisi kimia yang sama dapat menghasilkan perilaku mekanik yang sangat berbeda melalui modifikasi morfologi fase yang terkontrol.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kinetika spheroidizing dapat dinyatakan menggunakan bentuk modifikasi dari persamaan Avrami:

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

Di mana:
- $f$ mewakili fraksi karbida yang diubah menjadi bentuk spheroidal
- $k$ adalah konstanta laju (bergantung pada suhu)
- $t$ adalah waktu
- $n$ adalah eksponen waktu (biasanya 0.3-0.5 untuk spheroidizing)

Formula Perhitungan Terkait

Konstanta laju $k$ mengikuti hubungan Arrhenius:

$$k = k_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana:
- $k_0$ adalah faktor pra-eksponensial
- $Q$ adalah energi aktivasi untuk difusi karbon
- $R$ adalah konstanta gas
- $T$ adalah suhu mutlak

Pertumbuhan diameter spheroid rata-rata dapat diperkirakan dengan:

$$d^3 - d_0^3 = Kt$$

Di mana:
- $d$ adalah diameter rata-rata pada waktu $t$
- $d_0$ adalah diameter rata-rata awal
- $K$ adalah konstanta laju penghalusan yang bergantung pada suhu

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model-model ini berlaku terutama untuk baja hipoeutektik dan eutektik dengan kandungan karbon antara 0.3% dan 1.0%. Di luar rentang ini, fase dan mekanisme tambahan harus dipertimbangkan.

Formula ini mengasumsikan kondisi isotermal dan menjadi kurang akurat dengan siklus termal atau suhu yang berfluktuasi. Mereka juga mengasumsikan mikrostruktur awal dari pearlite atau semenit lamelar; struktur awal yang berbeda memerlukan model yang dimodifikasi.

Deskripsi matematis ini mengasumsikan efek yang dapat diabaikan dari elemen paduan pada laju difusi, yang menjadi tidak valid untuk baja yang sangat paduan di mana elemen substitusi secara signifikan memperlambat mobilitas karbon.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E562: Metode Uji Standar untuk Menentukan Fraksi Volume dengan Penghitungan Titik Manual Sistematis (untuk mengkuantifikasi fraksi volume karbida yang spheroidized)
• ASTM E45: Metode Uji Standar untuk Menentukan Konten Inklusi Baja (relevan untuk menilai inklusi non-logam yang mempengaruhi spheroidizing)
• ISO 643: Baja - Penentuan mikrografis ukuran butir yang tampak (untuk menilai struktur butir matriks)
• ASTM E1268: Praktik Standar untuk Menilai Derajat Pita atau Orientasi Mikrostruktur (untuk mengevaluasi keseragaman distribusi karbida)

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mikroskopi optik tetap menjadi alat utama untuk penilaian spheroidizing, biasanya menggunakan cahaya yang dipantulkan pada pembesaran 500-1000x setelah etsa yang tepat untuk mengungkap morfologi karbida. Kontras antara partikel karbida dan matriks ferit memungkinkan analisis gambar kuantitatif.

Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) memberikan pemeriksaan resolusi lebih tinggi terhadap morfologi dan distribusi karbida, sangat berguna untuk struktur spheroidized halus. Spektroskopi sinar-X energi-disperif (EDS) dapat dipasangkan dengan SEM untuk menganalisis komposisi karbida.

Mikroskopi elektron transmisi (TEM) memungkinkan analisis rinci antarmuka karbida-matriks dan hubungan kristalografi, meskipun biasanya diperuntukkan untuk aplikasi penelitian daripada kontrol kualitas rutin.

Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar memerlukan pemotongan penampang yang mewakili material bulk, biasanya dengan luas permukaan 1-2 cm². Beberapa lokasi pengambilan sampel disarankan untuk komponen besar untuk memastikan penilaian yang representatif.

Persiapan permukaan melibatkan penggilingan dan pemolesan metalografi standar untuk mencapai permukaan bebas gores, diikuti dengan etsa kimia (biasanya larutan nital 2-5%) untuk mengungkap mikrostruktur.

Spesimen harus bebas dari deformasi yang diinduksi selama persi