Clad Metal: Teknik Pelapisan Lanjutan untuk Perlindungan dan Kinerja Permukaan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Logam clad adalah bahan komposit yang terbentuk dengan mengikat dua atau lebih lapisan logam yang berbeda untuk menciptakan permukaan yang terpadu dan multifungsi. Dalam industri baja, ini biasanya melibatkan pengikatan lapisan logam yang tahan korosi atau tahan aus pada substrat baja untuk meningkatkan sifat permukaan tanpa mengorbankan integritas struktural inti.

Tujuan dasar dari logam clad adalah untuk menggabungkan sifat menguntungkan dari berbagai logam—seperti kekuatan, duktilitas, ketahanan korosi, atau stabilitas termal—ke dalam satu komponen. Modifikasi permukaan ini menghasilkan struktur berlapis di mana lapisan luar memberikan karakteristik fungsional tertentu, sementara baja yang mendasari menawarkan kekuatan mekanik dan kemampuan pembentukan.

Dalam spektrum yang lebih luas dari metode penyelesaian permukaan baja, logam clad menonjol sebagai bentuk pengikatan metalurgi, dibedakan dari pelapis atau overlay dengan lapisan yang terikat secara metalurgi. Berbeda dengan pelapis permukaan yang diterapkan melalui pengecatan atau pelapisan, logam clad melibatkan ikatan permanen berbasis difusi yang memastikan daya tahan tinggi dan risiko delaminasi yang minimal.

Sifat Fisik dan Prinsip Proses

Mekanisme Modifikasi Permukaan

Proses logam clad terutama bergantung pada teknik pengikatan keadaan padat, seperti roll bonding, pengelasan eksplosif, atau pengikatan difusi. Metode ini menyebabkan interaksi pada tingkat atom di antarmuka, menghasilkan ikatan metalurgi yang ditandai dengan difusi, penguncian mekanis, dan kadang-kadang pembentukan senyawa intermetallic.

Selama pemrosesan, antarmuka antara logam yang berbeda mengalami deformasi plastis yang intens, tekanan, dan kadang-kadang suhu tinggi. Kondisi ini mendorong difusi atom di seluruh antarmuka, menghasilkan ikatan yang kontinu dan bebas cacat pada skala mikro atau nano. Proses ini secara efektif memodifikasi permukaan dengan menciptakan zona transisi yang mulus yang menunjukkan sifat gabungan dari kedua logam.

Karakteristik antarmuka sangat penting untuk memastikan integritas mekanik dan ketahanan korosi. Antarmuka yang terikat dengan baik menunjukkan kekuatan geser yang tinggi, porositas minimal, dan adhesi yang sangat baik, mencegah delaminasi atau kegagalan di bawah kondisi layanan.

Komposisi dan Struktur Pelapis

Permukaan clad yang dihasilkan biasanya terdiri dari lapisan tipis dan kontinu dari paduan atau logam yang dipilih, terikat secara metalurgi pada substrat baja. Komposisi tergantung pada aplikasi, tetapi lapisan luar yang umum termasuk baja tahan karat, paduan berbasis nikel, atau logam tahan korosi lainnya.

Dari segi mikrostruktur, lapisan clad menunjukkan struktur butir halus atau kadang-kadang struktur butir yang memanjang, dipengaruhi oleh parameter proses pengikatan. Zona antarmuka dapat mengandung gradien difusi, fase intermetallic, atau lapisan transisi yang memastikan perubahan komposisi yang bertahap, mengurangi stres residual.

Ketebalan lapisan clad umumnya berkisar dari beberapa ratus mikrometer hingga beberapa milimeter. Untuk sebagian besar aplikasi, lapisan luar memiliki ketebalan antara 0,5 mm dan 3 mm, meskipun lapisan yang lebih tebal mungkin untuk penggunaan khusus. Variasi ketebalan tergantung pada sifat permukaan yang diinginkan, persyaratan mekanis, dan batasan manufaktur.

Klasifikasi Proses

Logam clad diklasifikasikan dalam kategori yang lebih luas dari proses pengikatan metalurgi, yang mencakup roll bonding, pengelasan eksplosif, hot rolling, dan pengikatan difusi. Ini berbeda dari pelapis permukaan seperti elektroplating, thermal spraying, atau physical vapor deposition, yang mendepositkan material pada permukaan tanpa membentuk ikatan metalurgi yang sebenarnya.

Jika dibandingkan dengan pengelasan overlay atau cladding dengan teknik pengelasan, logam clad melibatkan pengikatan lembaran atau strip secara keseluruhan, sering dalam proses kontinu, untuk menghasilkan lembaran komposit yang seragam dan berarea besar. Varian termasuk roll-clad, explosive clad, dan hot-roll clad, masing-masing cocok untuk kombinasi material dan persyaratan aplikasi yang berbeda.

Sub-kategori logam clad termasuk komposit multi-lapisan, di mana beberapa logam diikat secara berurutan, dan material yang tergradasi fungsional, di mana komposisi bertransisi secara bertahap di seluruh antarmuka untuk meningkatkan kinerja.

Metode Aplikasi dan Peralatan

Peralatan Proses

Peralatan utama yang digunakan untuk produksi logam clad meliputi:

• Roll Bonding Mills: Pabrik penggulung berat yang dilengkapi dengan sistem tekanan hidrolik atau mekanis untuk mend deformasi lembaran logam di bawah tekanan tinggi, mendorong pengikatan di antarmuka.

• Pengaturan Pengelasan Eksplosif: Muatan eksplosif yang terkontrol digunakan untuk mempercepat satu lembar logam ke lembaran lainnya dengan kecepatan tinggi, menciptakan dampak energi tinggi yang menghasilkan ikatan metalurgi.

• Diffusion Bonding Furnaces: Tungku vakum atau gas inert yang menerapkan panas dan tekanan untuk mengikat logam melalui difusi tanpa meleleh, cocok untuk perakitan yang kompleks atau halus.

• Hot Rolling Mills: Untuk lembaran clad yang lebih tebal atau multi-lapisan, hot rolling menerapkan suhu tinggi dan deformasi untuk mencapai pengikatan.

Desain sistem peralatan ini menekankan tekanan yang merata, suhu yang terkontrol, dan penyelarasan yang tepat untuk memastikan pengikatan berkualitas tinggi dan cacat minimal.

Teknik Aplikasi

Prosedur standar melibatkan persiapan substrat baja dan material clad dengan membersihkan, mengeraskan permukaan, dan kadang-kadang aktivasi permukaan untuk mendorong pengikatan. Proses ini biasanya mengikuti langkah-langkah berikut:

• Persiapan: Penghilangan oksida, minyak, dan kontaminan melalui pembersihan mekanis, etsa kimia, atau blasting abrasif.

• Perakitan: Menumpuk atau menyelaraskan lembaran clad dan substrat dengan kontak permukaan yang tepat.

• Pengikatan: Menerapkan tekanan dan panas melalui roll bonding, pengelasan eksplosif, atau pengikatan difusi, tergantung pada metode yang dipilih.

• Perlakuan pasca-pengikatan: Mungkin termasuk perlakuan panas untuk mengurangi stres residual atau meningkatkan difusi, tergantung pada proses.

Parameter proses yang kritis termasuk suhu (biasanya antara suhu ruangan dan 600°C), tekanan (berkisar dari beberapa MPa hingga lebih dari 100 MPa), dan waktu pengikatan. Kontrol yang tepat terhadap parameter ini memastikan ikatan yang bebas cacat dan tahan lama.

Dalam jalur produksi, lembaran logam clad sering diproduksi dalam proses kontinu, kemudian dipotong dan dibentuk menjadi komponen untuk berbagai aplikasi.

Persyaratan Pra-perlakuan

Sebelum pengikatan, permukaan harus dipersiapkan dengan cermat untuk memastikan ikatan metalurgi yang kuat. Ini melibatkan:

• Pembersihan: Penghilangan oksida, minyak, dan kontaminan permukaan menggunakan pelarut, asam, atau metode abrasif.

• Pengerasan Permukaan: Abrasi mekanis atau sandblasting untuk meningkatkan area permukaan dan mendorong penguncian mekanis.

• Aktivasi: Dalam beberapa kasus, perlakuan kimia atau elektro-kimia diterapkan untuk meningkatkan energi permukaan dan mendorong difusi.

Kondisi permukaan awal sangat mempengaruhi kualitas ikatan; persiapan yang buruk dapat menyebabkan antarmuka yang lemah, porositas, atau delaminasi.

Proses Pasca-perlakuan

Langkah-langkah pasca-pengikatan dapat mencakup:

• Perlakuan Panas: Untuk menghomogenkan antarmuka, mengurangi stres residual, atau mendorong difusi bonding lebih lanjut