Pembentukan logam: pengerjaan panas dan dingin, suhu rekristalisasi, pengerolan, penempaan, ekstrusi, penarikan, pembentukan pelat dan pegas balik, dan metalurgi serbuk

Seorang teknisi di bengkel hotel membuat empat braket dudukan rak dapur dari sisa pelat baja tahan karat setebal 2 mm. Pelat dijepit di ragum dan ditekuk 90 derajat dengan palu di tepi rahang yang tajam. Setelah dilepas, sudut setiap tekukan membuka beberapa derajat, jadi ia memukulnya lagi lebih jauh. Dua braket selesai dengan baik. Braket ketiga retak halus di sisi luar tekukan ketika ditekuk ulang. Braket keempat, dari lembar lain yang ternyata tertarik kuat oleh magnet, retak pada tekukan pertama, dan garis retaknya sejajar dengan goresan arah gulungan di permukaan pelat.

Empat gejala itu punya penjelasan fisika. Sudut yang membuka adalah pegas balik, yaitu bagian regangan elastis yang pulih ketika beban dilepas. Retak di sisi luar terjadi karena tepi ragum yang tajam memaksa regangan lebih besar daripada keuletan bahan, dan tekukan ulang menghabiskan sisa keuletan yang sudah dipakai pengerasan regangan. Lembar yang tertarik magnet termasuk keluarga feritik yang kurang mudah dibentuk, dan tekukan yang sejajar arah gulungan lebih mudah retak. Bab ini menjelaskan dasar-dasar itu untuk semua proses pembentukan logam.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pembentukan logam dalam keadaan padat: deformasi plastis dan pengerasan regangan, pengerjaan panas dan dingin, suhu rekristalisasi, pengerolan, penempaan, ekstrusi, penarikan, arah serat, menekuk pelat dan pegas balik, serta metalurgi serbuk. Dislokasi, slip, dan mekanisme pemulihan serta rekristalisasi dibahas di Bab 9 tentang struktur kristal dan cacat logam; difusi yang menjalankan rekristalisasi dan sintering di Bab 11 tentang difusi; anil untuk memulihkan keuletan di Bab 6 tentang perlakuan panas; uji tarik dan uji tekuk di Bab 5 tentang sifat mekanis dan pengujiannya; keluarga baja tahan karat di Bab 3 tentang baja tahan karat; keadaan keras dan lunak paduan tembaga dan aluminium di Bab 4 tentang tembaga dan aluminium; baut di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut dan sambungan ulir; bantalan luncur di Bab 4 · Mekanikal & Mekatronika tentang bantalan; dan kelelahan komponen di Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika tentang kekuatan komponen.

Rancangan cetakan tekan, gaya mesin, dan pelumas proses adalah pekerjaan pabrik. Kekuatan dan keuletan di contoh kerja hanya untuk berlatih menghitung; nilai untuk pekerjaan diambil dari sertifikat bahan atau data pabrik.

Deformasi plastis, pengerasan regangan, dan mampu bentuk

Logam dapat dibentuk tanpa patah karena ikatannya. Padatan logam mudah ditempa, ulet, dan menghantar panas serta listrik dengan baik, dan ketika logam dibentuk ulang, ion positif di dalam kisi logam saling menggeser. Pergeseran itu berlangsung lewat gerak dislokasi pada bidang kristal tertentu, seperti di Bab 9 tentang struktur kristal.

Pengerasan regangan (strain hardening) adalah kenaikan kekuatan dan penurunan keuletan logam karena dislokasi bertambah dan saling menghalangi selama deformasi plastis. Pengerjaan dingin menyebabkan slip pada deformasi plastis sehingga bahan mengeras, dan bahan dalam keadaan itu harus dianil untuk memulihkan keuletannya. Bila bahan mengeras selama deformasi, rentang deformasinya berkurang sebesar pengerasan itu. Inilah sebab braket ketiga retak: tekukan pertama sudah memakai sebagian keuletan, dan tekukan ulang meminta lebih dari sisanya.

Mampu bentuk (formability) adalah besar deformasi yang dapat diberikan pada suatu bahan sebelum bahan gagal. Untuk menghitung deformasi besar dipakai regangan sejati:

$\varepsilon = \ln\frac{L}{L_0} = \ln\frac{A_0}{A}$

dengan $\varepsilon$ regangan sejati (tanpa satuan), $L_0$ dan $L$ panjang awal dan akhir (mm), serta $A_0$ dan $A$ luas penampang awal dan akhir (mm²). Bentuk kedua berlaku karena volume logam hampir tetap selama deformasi plastis. Regangan sejati beberapa langkah dapat dijumlahkan, sedangkan persen reduksi tidak. Tegangan yang diperlukan untuk terus membentuk sering didekati dengan $\sigma = K\varepsilon^n$, dengan $\sigma$ tegangan alir (MPa), $K$ koefisien kekuatan (MPa), dan $n$ eksponen pengerasan regangan; $K$ dan $n$ hanya diambil dari data bahan.

Pengerjaan panas, pengerjaan dingin, dan suhu rekristalisasi

Pengerjaan panas (hot working) adalah pembentukan logam di atas suhu rekristalisasinya dan di bawah titik lebur, sehingga butir baru bebas regangan terus terbentuk selama deformasi. Pengerjaan dingin (cold working) adalah pembentukan logam di bawah suhu rekristalisasinya, sehingga dislokasi menumpuk dan logam mengeras. Yang menentukan adalah suhu relatif terhadap titik lebur, bukan apakah benda terasa panas.

Suhu rekristalisasi (recrystallization temperature) adalah suhu ketika butir baru bebas regangan tumbuh di dalam logam yang dikerjakan dingin dalam waktu yang wajar. Nilainya sekitar 0,3 sampai 0,5 kali suhu lebur mutlak, sebagai generalisasi kasar yang bergantung pada komposisi, regangan sebelumnya, dan waktu; angka lain yang juga dipakai adalah 0,3 sampai 0,4 untuk logam murni dan 0,5 untuk paduan. Suhu homolog (homologous temperature) adalah suhu mutlak dibagi titik lebur mutlak. Pembagian yang sering ditulis: dingin di bawah sekitar 0,3, hangat 0,3 sampai 0,5, dan panas di atas 0,5. Fisikanya difusi: atom memerlukan cukup energi panas untuk berpindah dan menata batas butir baru, seperti dibahas di Bab 11 tentang difusi. Angkanya empiris.

Perkiraan dari titik lebur setiap logam:

Rentangnya lebar karena aturannya kasar; suhu anil nyata diambil dari data bahan. Suhu rekristalisasi timbal di bawah suhu ruang, jadi menekuk pipa timbal di bangku kerja secara teknis adalah pengerjaan panas. Sebaliknya baja dan tembaga tetap dikerjakan dingin sampai beberapa ratus derajat Celsius. Pada 20 °C (293,15 K), suhu homolog timah sekitar 0,58, timbal 0,49, aluminium 0,31, tembaga 0,22, dan besi 0,16.

Pengerjaan panas memerlukan gaya kecil, memecah struktur dendrit coran yang dibahas di Bab 12 tentang pengecoran, dan tidak mengeraskan; tetapi permukaannya berkerak dan ukurannya kurang tepat. Pengerjaan dingin memberi ukuran tepat, permukaan halus, dan kekuatan lebih tinggi dengan keuletan lebih rendah. Pipa tembaga keras dan lunak di Bab 4 tentang tembaga dan aluminium adalah contoh keadaan hasil pengerjaan dingin dan anil.

Pengerolan, penempaan, ekstrusi, dan penarikan

Simbol $h_0$ dan $h$ adalah tebal awal dan akhir (mm), dan $A_0$, $A_f$, dan $A$ luas penampang awal dan akhir (mm²). Pengerolan pelat dilakukan panas lalu dingin untuk ukuran akhir. Pada pengerolan ulir dan bentuk, sebagian besar aliran logam terjadi karena gerak geser, ketahanan terhadap deformasi pengerolan terutama fungsi kekuatan luluh geser bahan, dan bila syaratnya dipenuhi, pengerolan termasuk proses pengerjaan logam tercepat; perkakas pengerolan pun jauh lebih jarang diganti daripada perkakas proses pemotongan yang sebanding.

Penyangga cetakan dan perkakas di mesin tempa dan pres disebut bolster. Poros engkol kompresor besar biasanya dibuat dari baja tempa, dan pipa dapat diekstrusi (tanpa kampuh) atau dilas (berkampuh). Keuletan (ductility) adalah sifat logam untuk dapat ditarik menjadi kawat.

Pelat penukar panas pelat di dapur dan laundry juga hasil pembentukan dingin: setiap logam yang dapat dikerjakan dingin cocok untuk penukar panas pelat, dan saluran alirnya dicetak tekan pada satu atau dua lembaran logam.

Arah serat, anisotropi, dan baut yang ulirnya digiling

Aliran serat (grain flow) adalah arah memanjang butir, inklusi, dan segregasi di dalam logam yang dibentuk, yang mengikuti arah aliran logam selama pembentukan. Pada benda tempa, aliran serat mengikuti bentuk benda sehingga ketahanan lelahnya lebih baik daripada benda yang dimesin dari batang, karena pemesinan memotong serat di permukaan. Anisotropi (anisotropy) adalah perbedaan sifat bahan menurut arah pengukurannya. Lembaran hasil pengerolan biasanya anisotrop: tekukan dengan garis tekuk sejajar arah pengerolan lebih mudah retak daripada tekukan melintang arah itu, seperti braket keempat pada kasus pembuka.

Baut dan sekrup memperlihatkan perbedaan yang sama. Ulir yang digiling dibentuk dengan menekan logam sehingga seratnya melengkung mengikuti profil ulir, sedangkan ulir yang dibubut memotong serat. Untuk memperoleh perbaikan ketahanan lelah, pengerolan harus dilakukan setelah perlakuan panas. Pengerolan juga menyisakan tegangan tekan di akar ulir. Karena itu baut pengganti yang dibubut dari batang bermutu sama tidak setara dengan baut pabrik untuk sambungan yang menerima beban berulang; kelas baut dan kegagalan sambungan ulir dibahas di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut dan sambungan ulir, dan kelelahan di Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika tentang kekuatan komponen.

Menekuk pelat: radius tekuk dan pegas balik

Pada tekukan, sisi luar memanjang dan sisi dalam memendek, sedangkan bidang netral di tengah tebal hampir tidak berubah panjang. Dari geometri tekukan, regangan serat luar kira-kira:

$\varepsilon_{luar} \approx \frac{t}{2R + t}$

dengan $t$ tebal pelat (mm) dan $R$ radius dalam tekukan (mm). Makin kecil radius, makin besar regangan di sisi luar. Radius tekuk minimum (minimum bend radius) adalah radius dalam terkecil yang masih dapat dipakai menekuk suatu pelat tanpa retak di sisi luar. Nilainya berbeda menurut bahan, keadaan keras atau lunak, tebal, dan arah pengerolan, dan diambil dari data pabrik bahan. Tepi rahang ragum yang tajam memaksa radius hampir nol, dan uji tekuk mengelilingi mandrel di Bab 5 tentang pengujian sifat mekanis memakai prinsip yang sama untuk memeriksa keuletan. Landasan kecil juga dipakai untuk pekerjaan pelat; alat sederhana seperti itu tetap harus memberi radius yang cukup.

Pegas balik (springback) adalah pembukaan sudut tekukan ketika beban dilepas karena bagian regangan elastis di dalam pelat pulih. Pegas balik makin besar bila perbandingan kekuatan luluh terhadap modulus elastis makin besar dan bila perbandingan radius tekuk terhadap tebal makin besar. Karena itu baja tahan karat yang mengeras cepat lebih banyak membuka sudutnya daripada baja karbon rendah, demikian pula aluminium yang modulusnya sepertiga baja menurut tabel di Bab 4 tentang tembaga dan aluminium. Pegas balik diatasi dengan menekuk lebih, menekan dasar tekukan, atau meregangkan pelat sambil menekuk. Bab ini tidak memberi rumus atau data pegas balik, jadi besar penekukan lebih ditentukan dari percobaan pada potongan bahan yang sama.

Lembar yang tertarik kuat magnet pada kasus pembuka termasuk keluarga feritik, yang menurut Bab 3 tentang baja tahan karat kurang mudah dibentuk daripada austenitik; daerah austenitik yang dibentuk dingin pun dapat sedikit tertarik magnet.

Metalurgi serbuk dan sintering

Sintering (sintering) adalah penyatuan serbuk logam yang dipadatkan menjadi benda padat dengan pemanasan di bawah titik lebur komponen utamanya. Sintering juga digambarkan sebagai pengubahan serbuk menjadi blok dengan panas dan tekanan besar. Fisikanya difusi atom di permukaan dan batas butir partikel, didorong turunnya energi permukaan, seperti di Bab 11 tentang difusi. Bagian hijau (green compact) adalah serbuk yang sudah dipadatkan menjadi bentuk benda tetapi belum disinter.

Pada atomisasi gas lembam, partikel serbuk berbentuk bulat dan biasanya berpermukaan halus; bagian hijau dikeluarkan dari cetakan karet lalu disinter di tungku biasa; potongan tirus balik dan lubang silang tidak praktis dibentuk dengan pemadatan cetakan dan harus dimesin setelah sintering; dan proses termal tambahan seperti perlakuan panas cenderung menurunkan ketepatan ukuran. Porositas (porosity) adalah banyaknya ruang kosong di bagian serbuk, dan porositas membuat kepadatan penuh sulit dicapai. Baja perkakas jalur serbuk dibuat tanpa menuang baja cair ke cetakan batangan.

Porositas itu dimanfaatkan pada bus perunggu berpori yang menyimpan oli, seperti disebut di Bab 4 · Mekanikal & Mekatronika tentang bantalan luncur. Bagian serbuk yang bekerja menjadi panas dan memuaikan oli di dalamnya, sehingga oli keluar ke permukaan luncur, dan pori dapat ditutup dengan resin melalui impregnasi berulang atau tekanan. Bus berpori yang dicuci dengan pelarut kehilangan oli di porinya dan mulai berbunyi; penanganannya mengikuti manual pabrik.

Fisika, aturan empiris, dan rekayasa pembentukan

Ringkasan hubungan gejala, hukum fisika, bagian empiris, dan rekayasa proses:

Fisika menjelaskan arah dan urutan. Angka yang dipakai untuk menekuk, mengerol, atau memesan bahan datang dari data bahan, uji, dan pengalaman pabrik.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: ekstrusi. Batang berdiameter 100 mm diekstrusi menjadi 25 mm. Rasionya $R = (100/25)^2 = 16$ dan regangan sejatinya $\ln 16 = 2{,}77$. Bilet sepanjang 0,5 m menjadi profil sekitar 8 m.

Contoh 2: penarikan kawat dua langkah. Kawat 4,0 mm ditarik ke 3,2 mm, lalu ke 2,6 mm. Reduksi luas langkah pertama $1 - (3{,}2/4{,}0)^2 = 36$ persen dan langkah kedua $1 - (2{,}6/3{,}2)^2 = 34$ persen, tetapi reduksi total $1 - (2{,}6/4{,}0)^2 = 57{,}75$ persen, bukan 70 persen. Regangan sejatinya $0{,}446 + 0{,}415 = 0{,}862$, sama dengan $\ln (4{,}0/2{,}6)^2 = 0{,}862$. Regangan sejati dapat dijumlahkan; persen reduksi tidak.

Contoh 3: radius tekukan braket. Untuk pelat 2 mm, radius 1 mm memberi regangan serat luar $2/(2 + 2) = 50$ persen, radius 2 mm memberi 33 persen, dan radius 4 mm memberi 20 persen. Bila bahan hanya diizinkan sekitar 20 persen di sisi luar, radius dalamnya sedikitnya $(2/0{,}20 - 2)/2 = 4$ mm. Tepi ragum yang tajam jelas di luar batas itu.

Contoh 4: membandingkan pegas balik. Regangan elastis saat luluh kira-kira $\sigma_y/E$. Dengan kekuatan luluh 250 MPa, baja ($E = 200$ GPa) memberi 0,125 persen dan aluminium ($E = 70$ GPa, dari tabel Bab 4 tentang tembaga dan aluminium) 0,357 persen, sekitar 2,9 kali. Baja tahan karat yang sudah mengeras sampai luluh 500 MPa memberi 0,25 persen, dua kali baja karbon rendah. Perbandingan ini menjelaskan arah pegas balik, bukan besar sudutnya.

Contoh 5: porositas bagian serbuk. Bus baja serbuk bermassa jenis 6,8 g/cm³ dibandingkan baja padat 7,85 g/cm³ menurut Bab 2 tentang besi dan baja. Massa jenis relatifnya $6{,}8/7{,}85 = 0{,}866$, jadi porositasnya sekitar 13 persen. Bus bervolume 5 cm³ menyimpan ruang pori sekitar 0,67 cm³.

Contoh 6: oli yang keluar ketika bus memanas. Oli 0,67 cm³ di pori bus pada Contoh 5 memanas 50 K. Dengan koefisien muai volume oli $7 \times 10^{-4}$ per kelvin, oli memuai 0,0235 cm³. Ruang pori ikut memuai dengan koefisien volume $3 \times 12 \times 10^{-6}$ per kelvin, dari muai panjang baja di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal, yaitu 0,0012 cm³. Selisihnya, 0,022 cm³ atau sekitar 3 persen isi oli, terdorong ke permukaan luncur; ketika dingin, oli kembali tertarik ke pori.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan keputusan ke pabrik, insinyur, atau penyelia bila:

1. Komponen penahan beban, misalnya braket angkat, kait, atau penggantung, retak atau berubah bentuk saat dibentuk atau dipasang. Ganti dengan komponen yang dirancang; jangan meluruskan dan memakai ulang.
2. Pekerjaan meminta meluruskan atau menekuk ulang komponen yang dikeraskan atau diperlakukan panas, seperti pegas, baut kelas tinggi, atau poros. Pemanasan dan penekukan mengubah sifatnya, seperti dibahas di Bab 6 tentang perlakuan panas.
3. Baut, pena, atau poros pengganti hendak dibubut dari batang untuk sambungan yang menerima beban berulang atau getaran tanpa persetujuan perancang.
4. Pelat atau pipa pengganti tidak berlabel mutu dan keadaannya, padahal gambar menyebut mutu dan keadaan tertentu.
5. Pekerjaan memakai mesin pres atau penekuk bertenaga yang belum dilatihkan, tanpa pelindung, atau tanpa isolasi energi.
6. Bus berpori atau bantalan sinter kering, berbunyi, atau pernah dicuci pelarut. Ikuti manual pabrik untuk pelumasan ulang atau ganti.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 9 tentang struktur kristal menjelaskan dislokasi, slip, dan rekristalisasi yang dipakai di sini, dan Bab 11 tentang difusi menjelaskan difusi yang menjalankan rekristalisasi dan sintering. Bab 12 tentang pengecoran menjelaskan struktur coran yang dipecah pengerjaan panas. Bab 6 membahas anil dan perlakuan panas, Bab 5 uji tarik dan uji tekuk, Bab 3 keluarga baja tahan karat, Bab 4 keadaan paduan tembaga dan aluminium, Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika baut, Bab 4 · Mekanikal & Mekatronika bantalan luncur berpori, dan Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika kelelahan komponen. Massa jenis baja di Contoh 5 berasal dari Bab 2 tentang besi dan baja, dan muai panjang baja di Contoh 6 dari Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal.

Latihan dan pembahasan

Referensi