Temper Rolling: Meningkatkan Sifat Baja untuk Aplikasi Presisi

Definisi dan Konsep Dasar

Temper rolling, juga dikenal sebagai skin-pass rolling atau pinch passing, adalah operasi penggilingan dingin yang ringan dan terkontrol yang dilakukan pada lembaran baja setelah proses annealing untuk memberikan sifat mekanik dan karakteristik permukaan tertentu. Proses ini melibatkan penggilingan baja yang telah diannealing melalui pabrik penggilingan dengan pengurangan ketebalan yang kecil, biasanya antara 0,5% dan 2%.

Temper rolling memiliki beberapa fungsi kritis: menghilangkan perpanjangan titik hasil (YPE), meningkatkan hasil permukaan, mengontrol datar, dan menetapkan sifat mekanik yang diinginkan. Ini merupakan langkah pemrosesan mekanik akhir yang menjembatani kesenjangan antara produksi baja dasar dan kebutuhan pengguna akhir untuk kemampuan pembentukan dan kualitas permukaan.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, temper rolling menempati posisi unik sebagai proses penyelesaian yang memanipulasi sifat mekanik tanpa mengubah secara signifikan komposisi kimia atau mikrostruktur material. Ini menunjukkan bagaimana deformasi yang terkontrol dapat menyempurnakan perilaku material, mendemonstrasikan hubungan antara pemrosesan, struktur, dan sifat dalam paradigma ilmu material.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, temper rolling memperkenalkan kepadatan dislokasi yang terkontrol ke dalam baja yang telah diannealing. Dislokasi ini berinteraksi dengan atom solut (terutama karbon dan nitrogen dalam baja karbon rendah), mengganggu pembentukan atmosfer Cottrell yang menyebabkan fenomena titik hasil.

Deformasi kecil menciptakan regangan kisi yang cukup untuk menjepit dislokasi yang bergerak sambil menghasilkan dislokasi baru yang tetap relatif bebas untuk bergerak. Modifikasi struktur dislokasi ini terjadi terutama di dekat batas butir dan dalam lapisan permukaan, menciptakan gradien deformasi melalui ketebalan lembaran.

Proses ini secara efektif menciptakan kondisi pra-regangan yang menghilangkan titik hasil yang tajam, menggantinya dengan perilaku yielding yang kontinu yang bermanfaat untuk operasi pembentukan. Kepadatan dislokasi yang diperkenalkan dikendalikan dengan tepat untuk mencapai target sifat mekanik tertentu.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan efek temper rolling adalah teori dislokasi dari pengerasan regangan, terutama yang berkaitan dengan penghapusan pita Lüders. Model ini menjelaskan bagaimana deformasi plastik kecil mempengaruhi perilaku hasil baja lunak dengan mengganggu penjepitan dislokasi oleh atom interstitial.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model kuantitatif pada tahun 1950-an ketika Cottrell dan Bilby mengembangkan teori mereka tentang fenomena titik hasil. Pada tahun 1970-an, model komprehensif yang menggabungkan dinamika dislokasi, penuaan regangan, dan evolusi tekstur memberikan gambaran yang lebih lengkap.

Berbagai pendekatan teoretis termasuk hubungan Hall-Petch untuk efek batas butir, model plastisitas gradien regangan untuk perilaku tergantung skala, dan model evolusi tekstur yang memperhitungkan perubahan orientasi kristal selama penggilingan.

Dasar Ilmu Material

Temper rolling mempengaruhi struktur kristal dengan memperkenalkan dislokasi yang berinteraksi dengan cacat kisi yang ada dan batas butir. Proses ini menciptakan distorsi kisi lokal yang mempengaruhi perilaku deformasi selanjutnya tanpa mengubah secara signifikan orientasi kristalografi keseluruhan.

Efek mikrostruktur termasuk sedikit perpanjangan butir dalam arah penggilingan, modifikasi struktur sel dislokasi, dan gangguan segregasi atom solut di batas butir. Perubahan ini terjadi tanpa perubahan substansial pada komposisi fase yang ditetapkan selama perlakuan annealing sebelumnya.

Proses ini menunjukkan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, penuaan regangan, dan pengembangan tekstur. Ini menggambarkan bagaimana pemrosesan deformasi yang terkontrol dapat merekayasa respons mekanik tertentu dengan memanipulasi struktur cacat pada skala mikroskopis.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Parameter dasar dalam temper rolling adalah rasio pengurangan, yang didefinisikan sebagai:

$$r = \frac{t_i - t_f}{t_i} \times 100\%$$

Di mana:
- $r$ adalah rasio pengurangan (%)
- $t_i$ adalah ketebalan awal sebelum temper rolling (mm)
- $t_f$ adalah ketebalan akhir setelah temper rolling (mm)

Rumus Perhitungan Terkait

Gaya penggilingan yang diperlukan untuk temper rolling dapat dihitung menggunakan:

$$F = w \cdot L \cdot k_f \cdot r$$

Di mana:
- $F$ adalah gaya penggilingan (N)
- $w$ adalah lebar strip (mm)
- $L$ adalah busur kontak yang diproyeksikan (mm)
- $k_f$ adalah resistensi deformasi rata-rata (MPa)
- $r$ adalah rasio pengurangan (bentuk desimal)

Busur kontak yang diproyeksikan dihitung sebagai:

$$L = \sqrt{R \cdot (t_i - t_f)}$$

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

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini berlaku untuk pengurangan kecil (biasanya di bawah 2%) dan mengasumsikan deformasi homogen di seluruh lebar lembaran. Mereka berlaku untuk operasi temper rolling konvensional dengan geometri roll standar.

Model menjadi kurang akurat ketika berhadapan dengan ketebalan ultra-tipis (di bawah 0,2 mm) di mana deformasi elastis roll menjadi signifikan. Mereka juga tidak memperhitungkan efek suhu selama penggilingan kecepatan tinggi di mana pemanasan adiabatik dapat terjadi.

Perhitungan ini mengasumsikan sifat material yang seragam dan mengabaikan efek tepi yang menjadi signifikan dalam penggilingan strip sempit. Untuk kontrol yang tepat, faktor koreksi spesifik pabrik sering diterapkan berdasarkan data empiris.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

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

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

ISO 6892-1: Material logam - Pengujian tarik pada suhu ambien, memberikan standar internasional untuk mengevaluasi sifat material yang telah temper rolled.

ASTM E517: Metode pengujian standar untuk rasio regangan plastik r untuk logam lembaran, penting untuk mengevaluasi kemampuan pembentukan setelah temper rolling.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian tarik dengan ekstensi mengukur perilaku stres-regangan, terutama penghilangan perpanjangan titik hasil dan perubahan dalam kekuatan tarik. Sistem ini menerapkan laju deformasi yang terkontrol sambil mengukur beban dan perpindahan dengan tepat.

Profilometer kekasaran permukaan mengukur modifikasi hasil permukaan yang diberikan oleh temper rolling. Baik metode kontak (stylus) maupun non-kontak (optik) digunakan untuk mengukur parameter seperti Ra (rata-rata kekasaran aritmatika) dan Rz (kedalaman kekasaran rata).

Sistem pengukuran datar menggunakan beberapa sensor di seluruh lebar lembaran untuk mendeteksi penyimpangan dari datar sempurna. Sistem canggih menggunakan triangulasi laser atau metode optik untuk membuat peta topografi rinci dari permukaan lembaran.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar mengikuti dimensi ASTM E8, biasanya dengan panjang gauge 50 mm untuk material lembaran. Spesimen dipotong baik sejajar maupun tegak lurus terhadap arah penggilingan untuk mengevaluasi sifat arah.

Persiapan permukaan untuk pengujian kekasaran memerlukan penanganan yang hati-hati untuk menghindari kontaminasi. Sampel harus bebas dari minyak, sidik jari, dan kontaminan lain yang dapat mempengaruhi pengukuran.

Pengujian datar memerlukan sampel yang lebih besar (biasanya >500 mm × 500 mm) untuk menangkap data yang berarti tentang bentuk lembaran. Sampel harus dit