Abrasi dalam Baja: Jenis, Aplikasi & Dampak Persiapan Permukaan

Definisi dan Konsep Dasar

Abrazif adalah bahan, yang biasanya ditandai dengan kekerasan tinggi dan ketahanan aus, digunakan untuk mengikis, menggiling, memoles, atau membersihkan permukaan bahan lain melalui aksi mekanis berbasis gesekan. Dalam ilmu dan teknik material, abrasif adalah alat dasar untuk modifikasi permukaan, proses penghilangan material, dan operasi penyelesaian yang mencapai toleransi dimensi tertentu dan karakteristik permukaan.

Dalam metalurgi, abrasif menempati posisi kritis di persimpangan pemrosesan material dan rekayasa permukaan. Mereka berfungsi sebagai sarana utama untuk menghilangkan material dengan cara yang terkontrol, menciptakan tekstur permukaan tertentu, dan mempersiapkan permukaan logam untuk operasi selanjutnya seperti pelapisan, pengelasan, atau pengikatan. Interaksi antara abrasif dan permukaan baja mewakili sistem tribologis yang kompleks yang mempengaruhi kualitas komponen akhir, kinerja, dan umur layanan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Pada tingkat mikroskopis, abrasif berfungsi melalui deformasi plastis lokal dan mekanisme patahan. Ketika partikel abrasif bersentuhan dengan permukaan baja, ia menciptakan konsentrasi stres yang melebihi kekuatan luluh material, menyebabkan perpindahan atau penghilangan material. Interaksi ini terjadi terutama melalui tiga mekanisme: mikro-pemotongan, di mana material dihilangkan sebagai chip; mikro-penggarukan, di mana material dipindahkan ke sisi membentuk punggungan; dan mikro-patah, di mana fragmen material terlepas melalui propagasi retakan.

Efektivitas abrasif tergantung pada kekerasannya relatif terhadap material benda kerja, dengan pengikisan optimal terjadi ketika abrasif setidaknya 20% lebih keras daripada material target. Pada skala atom, partikel abrasif dengan tepi tajam menciptakan medan stres lokal yang mengganggu ikatan atom dalam material benda kerja, memfasilitasi penghilangan material melalui aksi mekanis.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan keausan abrasif adalah persamaan keausan Archard, yang menghubungkan penghilangan material dengan beban yang diterapkan, jarak geser, dan kekerasan material. Model ini, yang dikembangkan pada tahun 1950-an, menetapkan dasar untuk analisis kuantitatif proses abrasif.

Secara historis, pemahaman tentang abrasi berkembang dari pengamatan empiris dalam teknik penggilingan dan pemolesan kuno hingga studi sistematis pada awal abad ke-20. Pendekatan modern mencakup model abrasi dua tubuh dan tiga tubuh, yang membedakan antara abrasif tetap (seperti kertas amplas) dan abrasif bebas (seperti senyawa penggosok).

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model berbasis energi yang fokus pada kerja yang dilakukan selama abrasi dan model mekanika patahan yang menekankan propagasi retakan selama keausan abrasif. Setiap pendekatan menawarkan wawasan unik ke dalam berbagai aspek proses abrasi.

Dasar Ilmu Material

Ketahanan abrasi pada baja sangat terkait dengan struktur kristal dan batas butir. Material dengan struktur kristal yang rapat biasanya menunjukkan ketahanan yang lebih besar terhadap keausan abrasif. Batas butir sering berfungsi sebagai titik lemah di mana partikel abrasif dapat lebih mudah menghilangkan material, membuat baja butir halus umumnya lebih tahan abrasi dibandingkan dengan varian butir kasar.

Mikrostruktur baja secara signifikan mempengaruhi responsnya terhadap abrasif. Struktur martensitik biasanya menawarkan ketahanan abrasi yang lebih baik dibandingkan dengan struktur ferritik atau austenitik karena kekerasannya yang lebih tinggi. Distribusi karbida dalam matriks baja menciptakan struktur seperti komposit di mana partikel karbida keras menahan penetrasi abrasif sementara matriks di sekitarnya memberikan ketangguhan.

Hubungan ini menggambarkan prinsip dasar ilmu material bahwa struktur menentukan sifat. Dengan mengontrol mikrostruktur melalui paduan dan pemrosesan, metalurg dapat merancang baja dengan ketahanan abrasi yang dioptimalkan untuk aplikasi tertentu.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar yang menggambarkan volume keausan abrasif adalah persamaan keausan Archard:

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

Di mana $V$ adalah volume material yang dihilangkan, $k$ adalah koefisien keausan tanpa dimensi, $F$ adalah gaya normal yang diterapkan, $s$ adalah jarak geser, dan $H$ adalah kekerasan material yang lebih lunak.

Formula Perhitungan Terkait

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

$$k_s = \frac{V}{F \cdot s} = \frac{k}{H}$$

Di mana $k_s$ adalah tarif keausan spesifik (mm³/N·m).

Untuk proses abrasif, laju penghilangan material (MRR) dapat dinyatakan sebagai:

$$MRR = v_f \cdot a_p \cdot w \cdot \eta$$

Di mana $v_f$ adalah laju umpan, $a_p$ adalah kedalaman potong, $w$ adalah lebar potong, dan $\eta$ adalah faktor efisiensi yang memperhitungkan penghilangan material aktual versus teoritis.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan kondisi keausan keadaan mantap dan paling akurat untuk skenario abrasi dua tubuh. Mereka menjadi kurang dapat diandalkan ketika partikel abrasif patah selama proses atau ketika pengerasan kerja yang signifikan terjadi pada material benda kerja.

Model ini mengasumsikan nilai kekerasan yang konstan, yang mungkin tidak berlaku saat suhu permukaan meningkat selama proses abrasi. Selain itu, persamaan ini biasanya tidak memperhitungkan interaksi kimia antara abrasif dan benda kerja atau faktor lingkungan seperti kelembapan yang dapat secara signifikan mengubah perilaku keausan.

Kebanyakan model abrasi mengasumsikan interaksi murni mekanis dan mungkin tidak secara akurat memprediksi perilaku ketika mekanisme termal, kimia, atau elektrokimia berkontribusi secara signifikan pada proses penghilangan material.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM G65: Metode Uji Standar untuk Mengukur Abrasi Menggunakan Alat Roda Pasir/Karet Kering (mengevaluasi ketahanan terhadap abrasi goresan dalam kondisi stres rendah)
• ASTM G105: Metode Uji Standar untuk Melakukan Uji Abrasi Roda Pasir/Karet Basah (menilai ketahanan abrasi dalam lingkungan basah dan slurry)
• ASTM B611: Metode Uji Standar untuk Menentukan Ketahanan Abrasi Stres Tinggi dari Material Keras (mengukur abrasi dalam kondisi stres tinggi)
• ISO 28080: Hardmetals - Uji abrasi untuk hardmetals (memberikan metode standar untuk mengevaluasi karbida semen dan material keras terkait)

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan pengujian abrasi umum termasuk tribometer pin-on-disk, yang mengukur gesekan dan keausan saat pin meluncur melawan disk yang berputar. Penguji roda pasir/karet kering memaksa partikel abrasif antara spesimen uji dan roda karet yang berputar, menciptakan kondisi abrasi tiga tubuh.

Teknik pengukuran ini beroperasi berdasarkan prinsip aplikasi media abrasif yang terkontrol terhadap spesimen uji di bawah beban dan pola gerakan yang ditentukan. Kehilangan material biasanya ditentukan melalui pengukuran kehilangan berat atau perubahan dimensi.

Karakterisasi lanjutan menggunakan profilometri, mikroskop elektron pemindaian, dan mikroskopi optik 3D untuk menganalisis bekas keausan dan perubahan morfologi permukaan yang dihasilkan dari proses abrasif.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar biasanya memerlukan permukaan datar dengan dimensi 25mm × 75mm × 12mm untuk pengujian ASTM G65. Persiapan permukaan umumnya melibatkan penggilingan hingga hasil akhir yang konsisten, biasanya 120-grit, untuk memastikan kondisi awal yang dapat direproduksi.

Spesimen harus dibersihkan dan dikeringkan secara menyeluruh sebelum dan setelah pengujian untuk memungkinkan pengukuran kehilangan massa yang