Abrasi pada Baja: Mekanisme, Ketahanan & Aplikasi Industri

Definisi dan Konsep Dasar

Abrasi adalah pengikisan mekanis, penggilingan, atau penggosokan material melalui gesekan antara permukaan. Ini mewakili kehilangan material yang progresif dari permukaan padat akibat aksi mekanis, biasanya melibatkan partikel keras atau tonjolan yang meluncur atau bergulir di atas permukaan di bawah tekanan.

Dalam ilmu material dan teknik, ketahanan abrasi adalah sifat kritis yang menentukan daya tahan dan umur layanan material dalam aplikasi yang melibatkan keausan mekanis. Sifat ini secara langsung mempengaruhi kebutuhan pemeliharaan, umur komponen, dan keandalan sistem secara keseluruhan dalam berbagai aplikasi industri.

Dalam metalurgi, ketahanan abrasi mewakili salah satu aspek dari perilaku tribologis yang lebih luas dari logam, bersamaan dengan adhesi, erosi, dan kelelahan permukaan. Kemampuan baja untuk menahan gaya abrasif tergantung pada mikrostruktur, kekerasan, ketangguhan, dan karakteristik pengerasan kerja, menjadikannya sifat yang kompleks yang menghubungkan sifat mekanis dan disiplin rekayasa permukaan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, abrasi terjadi ketika asperitas (ketidakteraturan permukaan mikroskopis) atau partikel keras menembus permukaan material yang lebih lunak, menciptakan alur dan memindahkan material. Material yang dipindahkan dapat membentuk punggungan di sepanjang tepi alur, akhirnya terlepas sebagai debu keausan melalui mekanisme pemotongan mikro, mikrofraktur, atau mikroplowing.

Pada baja, ketahanan abrasi diatur oleh interaksi antara partikel abrasif dan fitur mikrostruktur material. Fase keras seperti karbida dapat menahan penetrasi, sementara fase matriks menentukan bagaimana material merespons deformasi. Skala interaksi antara partikel abrasif dan fitur mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi mekanisme keausan dan laju penghilangan material.

Model Teoretis

Persamaan keausan Archard mewakili model teoretis utama untuk menggambarkan keausan abrasif. Dikembangkan pada tahun 1950-an oleh J.F. Archard, model ini menghubungkan kehilangan volume material dengan beban yang diterapkan, jarak geser, dan kekerasan material.

Pemahaman historis tentang abrasi berkembang dari pengamatan empiris awal oleh insinyur seperti Charles Hatchett pada awal 1800-an hingga studi sistematis oleh peneliti seperti Tabor dan Bowden pada pertengahan abad ke-20. Karya mereka menetapkan hubungan dasar antara kekerasan dan ketahanan keausan.

Pendekatan modern mencakup model Rabinowicz untuk keausan abrasif, yang mempertimbangkan geometri partikel dan efek penyematan, serta model Zum Gahr, yang menggabungkan faktor mikrostruktur di luar kekerasan. Model-model ini menawarkan perspektif pelengkap untuk berbagai skenario keausan dan sistem material.

Dasar Ilmu Material

Struktur kristal mempengaruhi ketahanan abrasi melalui ketersediaan sistem slip dan tegangan geser yang teratasi kritis. Struktur kubik berpusat badan (BCC) dalam ferit menawarkan karakteristik keausan yang berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC) dalam austenit, dengan BCC biasanya memberikan kekerasan yang lebih tinggi tetapi ketangguhan yang lebih rendah.

Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi dan propagasi retakan, menjadikan baja butir halus umumnya lebih tahan terhadap keausan dibandingkan dengan varian butir kasar. Namun, hubungan ini menjadi kompleks ketika mempertimbangkan pengerasan kerja dan transformasi fase selama proses abrasi.

Prinsip pengerasan regangan, stabilitas fase, dan penyempurnaan mikrostruktur secara fundamental terhubung dengan ketahanan abrasi. Pendekatan ilmu material seperti pengerasan presipitasi, transformasi martensitik, dan pengembangan mikrostruktur komposit menyediakan jalur untuk meningkatkan ketahanan baja terhadap keausan abrasif.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan keausan Archard memberikan deskripsi matematis dasar dari keausan abrasif:

$$V = k \frac{F_N \cdot s}{H}$$

Di mana:
- $V$ adalah volume material yang dihilangkan (mm³)
- $k$ adalah koefisien keausan tanpa dimensi
- $F_N$ adalah beban normal (N)
- $s$ adalah jarak geser (m)
- $H$ adalah kekerasan material yang lebih lunak (MPa atau HV)

Formula Perhitungan Terkait

Laju keausan spesifik, yang menormalkan kehilangan volume berdasarkan beban dan jarak, dihitung sebagai:

$$w_s = \frac{V}{F_N \cdot s} = \frac{k}{H}$$

Di mana:
- $w_s$ adalah laju keausan spesifik (mm³/N·m)
- Variabel lainnya didefinisikan seperti sebelumnya

Indeks ketahanan abrasi (ARI) membandingkan kinerja material dengan material referensi:

$$ARI = \frac{w_{s,reference}}{w_{s,test}}$$

Di mana:
- $w_{s,reference}$ adalah laju keausan spesifik dari material referensi
- $w_{s,test}$ adalah laju keausan spesifik dari material uji

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model-model ini mengasumsikan kondisi keausan keadaan mantap dan paling akurat untuk abrasi dua tubuh dengan beban dan kecepatan konstan. Mereka menjadi kurang dapat diandalkan ketika suhu meningkat secara signifikan selama pengujian atau ketika reaksi kimia terjadi di antarmuka.

Persamaan Archard mengasumsikan proporsionalitas antara volume keausan dan beban normal, yang mungkin tidak berlaku pada beban yang sangat tinggi di mana deformasi plastik mendominasi. Selain itu, model-model ini biasanya mengasumsikan material homogen, memerlukan modifikasi untuk mikrostruktur komposit seperti yang ada pada banyak baja komersial.

Koefisien keausan k bervariasi secara signifikan dengan kondisi pelumasan, faktor lingkungan, dan kekasaran permukaan, sehingga kalibrasi empiris diperlukan untuk prediksi yang akurat dalam aplikasi tertentu.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM G65: Metode Uji Standar untuk Mengukur Abrasi Menggunakan Alat Roda Pasir/Karet Kering (mensimulasikan abrasi tiga tubuh dengan stres rendah)
• ASTM G81: Metode Uji Standar untuk Uji Abrasi Penggilingan Jaw Crusher (mengevaluasi abrasi penggilingan stres tinggi)
• ASTM G132: Metode Uji Standar untuk Pengujian Abrasi Pin (mengukur keausan abrasif dua tubuh)
• ISO 28080: Hardmetals - Uji abrasi untuk hardmetals (menstandarkan pengujian abrasi untuk karbida semen)

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji roda pasir/karet kering memaksa partikel pasir antara roda karet yang berputar dan spesimen uji yang diam, menciptakan abrasi tiga tubuh. Kehilangan material ditentukan dengan pengukuran berat yang tepat sebelum dan setelah pengujian.

Tribometer pin-on-disk menerapkan gaya terkontrol antara pin (material uji) dan disk abrasif yang berputar, mengukur gaya gesekan dan volume keausan secara bersamaan. Pengaturan ini memungkinkan kontrol yang tepat terhadap beban, kecepatan, dan kondisi lingkungan.

Peralatan canggih mencakup nano-indenters untuk karakterisasi abrasi skala mikro dan tribometer SEM in-situ yang memungkinkan pengamatan mekanisme keausan secara real-time pada pembesaran tinggi.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar biasanya berukuran 25×75×12mm untuk uji ASTM G65, dengan permukaan datar dan paralel yang diproses sesuai toleransi tertentu. Untuk uji pin-on-disk, pin silindris dengan diameter 6-10mm dan panjang 15-30mm adalah umum.

Persiapan permukaan memerlukan penggilingan hingga hasil akhir yang konsisten (biasanya 600-grit), diikuti dengan pembersihan menggunakan aseton atau alkohol untuk menghilangkan kontaminan. Kekasaran permukaan