Klasifikasi dan Standar Baja Di Cina
Mengapa berbagai jenis baja memiliki sifat yang bervariasi, dan bagaimana mereka dikategorikan di Tiongkok? Artikel ini menguraikan klasifikasi dan standar baja, menjelaskan sistematika...
Tahukah Anda bahwa elemen kecil yang tersembunyi di dalam baja dapat mengubah kinerjanya secara drastis? Blog ini menyelami dunia elemen paduan yang memukau, mengungkap bagaimana hidrogen, boron, karbon, nitrogen, oksigen, magnesium, aluminium, dan silikon membentuk kekuatan, daya tahan, dan kegunaan baja. Bersiaplah untuk mengungkap rahasia di balik komponen-komponen penting ini dan efeknya yang mengejutkan pada baja.
Hidrogen secara luas dikenal sebagai elemen yang paling merugikan dalam baja, dengan keberadaannya yang berpotensi menyebabkan penggetasan hidrogen dan pembentukan bintik-bintik putih, yang keduanya secara signifikan membahayakan kualitas dan kinerja baja.
Mirip dengan oksigen dan nitrogen, hidrogen menunjukkan kelarutan yang sangat rendah dalam baja padat. Selama proses pembuatan baja bersuhu tinggi, hidrogen dapat larut ke dalam baja cair. Jika tidak dikelola dengan baik, hidrogen dapat terperangkap selama pendinginan cepat, terakumulasi di dalam struktur mikro dan membentuk pori-pori mikro bertekanan tinggi. Fenomena ini secara dramatis dapat mengurangi plastisitas, ketangguhan, dan kekuatan fatik baja, yang berpotensi mengakibatkan keretakan parah dan patah getas yang dahsyat.
Kerentanan terhadap penggetasan hidrogen bervariasi pada struktur mikro baja yang berbeda. Baja martensitik sangat rentan, sedangkan baja feritik umumnya menunjukkan ketahanan yang lebih tinggi. Tingkat keparahan penggetasan hidrogen biasanya meningkat dengan meningkatnya tingkat kekerasan dan kandungan karbon, yang menyoroti pentingnya pemilihan material yang cermat dan proses perlakuan panas di lingkungan yang kaya hidrogen.
Yang menarik, meskipun efek hidrogen sebagian besar bersifat negatif, namun hidrogen dapat meningkatkan sifat magnetik tertentu dari baja. Secara khusus, hidrogen meningkatkan permeabilitas magnetik, yang dapat bermanfaat dalam beberapa aplikasi elektromagnetik. Namun, hal ini harus dibayar dengan meningkatnya koersivitas dan kehilangan besi. Penelitian telah menunjukkan bahwa penambahan hidrogen dapat meningkatkan koersivitas dengan faktor 0,5 hingga 2, yang memerlukan keseimbangan yang cermat dalam desain baja magnetik.
Untuk mengurangi masalah terkait hidrogen, produsen baja menggunakan berbagai strategi seperti degassing vakum, laju pendinginan terkendali, dan perlakuan panas pasca-produksi. Metode pengujian non-destruktif yang canggih, seperti probe hidrogen dan teknik ultrasonik, sangat penting untuk mendeteksi cacat yang disebabkan oleh hidrogen dan memastikan integritas baja dalam aplikasi yang kritis.
Fungsi utama boron dalam baja adalah untuk meningkatkan kemampuan pengerasannya secara signifikan, sehingga memungkinkan pengurangan penggunaan elemen paduan lain seperti nikel, kromium, dan molibdenum. Biasanya, boron ditambahkan dalam konsentrasi mulai dari 0,001% hingga 0,005%, dengan jumlah kecil ini mampu menggantikan 1,6% nikel, 0,3% kromium, atau 0,2% molibdenum.
Ketika mempertimbangkan boron sebagai pengganti molibdenum, sangat penting untuk dicatat bahwa meskipun molibdenum mengurangi penggetasan temper, boron mungkin sedikit meningkatkannya. Oleh karena itu, penggantian molibdenum secara total dengan boron tidak disarankan.
Penambahan boron pada baja karbon secara nyata meningkatkan kemampuan pengerasan, terutama meningkatkan kinerja bagian baja yang tebal melebihi 20 mm. Sifat ini memungkinkan baja 40B dan 40MnB berfungsi sebagai alternatif yang layak untuk baja 40Cr, sementara baja 20Mn2TiB dapat secara efektif menggantikan 20CrMnTi dalam aplikasi karburasi.
Namun, keampuhan boron berkurang dengan meningkatnya kandungan karbon dalam baja. Fenomena ini sangat relevan ketika memilih baja karburasi yang mengandung boron, karena kemampuan pengerasan lapisan karburasi pasca perawatan akan lebih rendah daripada material inti.
Untuk aplikasi baja pegas, di mana pendinginan penuh umumnya diperlukan, baja boron menghadirkan pilihan yang sangat baik karena penampang pegasnya yang ringkas. Namun, diperlukan kehati-hatian saat mempertimbangkan penambahan boron pada baja pegas silikon tinggi, karena interaksinya dapat menyebabkan hasil yang tidak terduga.
Boron juga menunjukkan afinitas yang kuat terhadap nitrogen dan oksigen. Pada baja rimming, penambahan sedikitnya 0,007% boron dapat secara efektif menghilangkan efek pengerasan akibat usia, sehingga meningkatkan stabilitas jangka panjang baja.
Untuk mengoptimalkan manfaat boron dalam baja, kontrol komposisi dan parameter pemrosesan yang tepat sangat penting. Teknik-teknik canggih seperti degassing vakum dan perlakuan panas atmosfer pelindung dapat digunakan untuk mempertahankan kandungan dan distribusi boron yang diinginkan di dalam matriks baja.
Karbon adalah elemen paduan paling penting dalam baja setelah besi, yang sangat memengaruhi sifat mekanik, struktur mikro, dan karakteristik pemrosesan. Kandungan karbon secara langsung memengaruhi kekuatan, keuletan, ketangguhan, dan kemampuan las baja, sehingga menjadikannya faktor penting dalam pemilihan material dan proses manufaktur.
Pada baja hypoeutectoid (kandungan karbon di bawah 0.8%), peningkatan kandungan karbon akan meningkatkan kekuatan dan kekerasan akibat pembentukan perlit dan efek penguatan atom karbon interstisial. Namun, hal ini harus dibayar dengan berkurangnya keuletan dan ketangguhan benturan, karena struktur mikro baja menjadi kurang lunak.
Sebaliknya, pada baja hypereutectoid (kandungan karbon di atas 1.0%), peningkatan lebih lanjut pada kandungan karbon mengakibatkan penurunan kekuatan. Fenomena ini terjadi karena pembentukan jaringan sementit yang rapuh di sepanjang batas butir austenit sebelumnya, yang dapat bertindak sebagai tempat inisiasi retakan di bawah tekanan.
Kemampuan las baja secara signifikan dipengaruhi oleh kandungan karbon, dengan penurunan kemampuan las yang signifikan yang teramati ketika kadar karbon melebihi 0,3%. Penurunan ini terutama disebabkan oleh peningkatan pengerasan dan kerentanan terhadap retak dingin di zona yang terpengaruh panas. Ketika kadar karbon meningkat, baja juga menjadi lebih rentan terhadap penggetasan dingin dan penuaan regangan, sementara ketahanan korosi atmosferiknya berkurang karena pembentukan karbida besi yang dapat bertindak sebagai katoda lokal, mempercepat proses korosi.
Pengaruh nitrogen (N) terhadap performa baja memiliki banyak sisi, memiliki kemiripan dengan karbon dan fosfor. Dengan meningkatnya kandungan nitrogen, secara signifikan meningkatkan kekuatan baja sekaligus mengurangi plastisitas, terutama berdampak pada ketangguhan dan kemampuan las. Selain itu, nitrogen berkontribusi terhadap peningkatan kerapuhan dingin pada baja.
Kadar nitrogen yang tinggi memperburuk kecenderungan penuaan, kerapuhan dingin dan panas, serta berdampak negatif pada sifat pengelasan dan tekukan dingin. Oleh karena itu, meminimalkan dan mengontrol kandungan nitrogen dalam baja sangat penting untuk mempertahankan karakteristik kinerja yang optimal.
Standar industri biasanya merekomendasikan untuk membatasi kandungan nitrogen tidak lebih dari 0,018% pada sebagian besar mutu baja. Namun, ketika dikombinasikan secara strategis dengan elemen seperti aluminium, niobium, atau vanadium, efek buruk nitrogen dapat dikurangi, dan kinerja baja dapat ditingkatkan. Interaksi sinergis ini memungkinkan nitrogen berfungsi sebagai elemen paduan yang bermanfaat dalam baja paduan rendah tertentu.
Dalam komposisi baja tahan karat tertentu, penambahan nitrogen yang terkontrol dapat menggantikan sebagian kromium, sehingga secara efektif mengurangi biaya material tanpa mengorbankan kinerja. Misalnya, pada baja tahan karat austenitik, nitrogen bertindak sebagai penstabil austenit dan berkontribusi pada penguatan larutan padat, yang memungkinkan berkurangnya kandungan nikel.
Penting untuk dicatat bahwa kontrol yang tepat terhadap kadar nitrogen dan interaksinya dengan elemen paduan lainnya sangat penting dalam mencapai keseimbangan sifat yang diinginkan dalam produksi baja. Teknik pembuatan baja yang canggih, seperti degassing vakum dan pendinginan terkontrol, memainkan peran penting dalam mengelola kadar nitrogen dan mengoptimalkan kinerja baja di berbagai aplikasi.
Oksigen memainkan peran penting dalam produksi baja, tetapi keberadaannya dapat memberikan efek yang merugikan pada produk akhir. Oksigen secara inheren hadir selama pembuatan baja, dan meskipun upaya deoksidasi menggunakan elemen seperti mangan, silikon, besi, dan aluminium pada tahap akhir, penghilangan total tetap tidak dapat dicapai.
Selama pemadatan, oksigen terlarut bereaksi dengan karbon di dalam baja cair, membentuk karbon monoksida. Reaksi ini dapat menyebabkan terbentuknya porositas gas atau lubang sembur, yang membahayakan integritas struktural baja.
Dalam baja, oksigen terutama terdapat sebagai inklusi oksida, seperti FeO (oksida besi), MnO (oksida mangan), SiO2 (silikon dioksida), dan Al2O3 (aluminium oksida). Inklusi non-logam ini bertindak sebagai konsentrator tegangan, mengurangi sifat mekanik baja, terutama kekuatan dan keuletannya. Keberadaan oksida-oksida ini secara signifikan berdampak pada kekuatan dan ketangguhan fatik, faktor krusial dalam banyak aplikasi teknik.
Pada baja listrik, khususnya baja silikon yang digunakan pada transformator dan motor listrik, kandungan oksigen memiliki efek yang nyata. Hal ini meningkatkan kehilangan zat besi, sehingga mengurangi efisiensi energi. Oksigen juga mengurangi permeabilitas magnetik dan magnetisasi saturasi, parameter kunci untuk kinerja elektromagnetik. Selain itu, oksigen mempercepat penuaan magnetik, degradasi sifat magnetik yang bergantung pada waktu, yang dapat memperpendek masa pakai komponen listrik.
Magnesium (Mg) memainkan peran penting dalam meningkatkan kualitas dan performa baja, terutama dalam mengendalikan inklusi dan meningkatkan sifat mekanik. Ketika ditambahkan dalam jumlah yang tepat, magnesium dapat secara signifikan memodifikasi struktur mikro baja, sehingga menghasilkan karakteristik material yang unggul.
Dalam produksi baja, magnesium bertindak sebagai deoxidizer dan desulfurizer yang kuat. Magnesium secara efektif mengurangi jumlah inklusi non-logam, mengurangi ukurannya, mendorong distribusi yang lebih seragam di seluruh matriks baja, dan memodifikasi morfologinya menjadi bentuk yang lebih menguntungkan. Peningkatan karakteristik inklusi ini berkontribusi pada peningkatan kebersihan baja dan kinerja material secara keseluruhan.
Untuk baja bantalan, yang membutuhkan kebersihan yang luar biasa dan struktur mikro yang seragam, penambahan sedikit magnesium telah menunjukkan manfaat yang luar biasa. Magnesium mempengaruhi ukuran dan distribusi karbida, komponen penting dalam baja bantalan. Dengan menyempurnakan struktur karbida, magnesium berkontribusi pada peningkatan ketahanan aus, umur kelelahan, dan kinerja bearing secara keseluruhan.
Dampak magnesium pada sifat mekanik baja sangat penting. Ketika kandungan magnesium dikontrol secara tepat antara 0,002% dan 0,003% menurut beratnya, baja menunjukkan peningkatan kekuatan yang signifikan tanpa mengorbankan keuletan. Secara khusus, kekuatan tarik dan kekuatan luluh meningkat lebih dari 5%, sementara plastisitas material pada dasarnya tidak berubah. Kombinasi unik antara kekuatan yang ditingkatkan dan keuletan yang dipertahankan ini sangat diinginkan dalam banyak aplikasi teknik, karena memungkinkan desain komponen yang lebih ringan namun lebih kuat.
Penting untuk dicatat bahwa untuk mencapai manfaat ini diperlukan kontrol yang tepat terhadap penambahan magnesium, karena jumlah yang berlebihan dapat menyebabkan efek yang merugikan. Oleh karena itu, teknik pemaduan yang canggih dan kontrol proses yang cermat sangat penting dalam meningkatkan potensi penuh magnesium dalam produksi baja.
Aluminium, sebuah deoxidizer yang kuat dan elemen paduan dalam produksi baja, menunjukkan kemampuan deoksidasi yang unggul dibandingkan dengan silikon dan mangan. Fungsi utamanya dalam metalurgi baja memiliki banyak segi dan sangat penting untuk meningkatkan berbagai sifat baja.
Penambahan aluminium pada baja berfungsi untuk memperhalus struktur butiran dan menstabilkan nitrogen, sehingga menghasilkan peningkatan substansial dalam ketangguhan benturan. Mekanisme penyempurnaan butiran ini secara signifikan mengurangi kerapuhan dingin dan mengurangi kecenderungan pengerasan akibat usia, sehingga meningkatkan kinerja mekanis dan umur panjang baja secara keseluruhan.
Pada kelas baja tertentu, kandungan aluminium yang tepat sangat penting. Sebagai contoh, baja struktural karbon grade D membutuhkan minimal 0,015% aluminium yang larut dalam asam. Dalam kasus lembaran canai dingin 08AL, yang dirancang untuk aplikasi deep drawing, kandungan aluminium yang larut dalam asam yang optimal berkisar antara 0.015% hingga 0.065%, untuk memastikan sifat mampu bentuk dan kekuatan yang tepat.
Aluminium juga berkontribusi pada peningkatan ketahanan korosi pada baja, terutama ketika digunakan secara sinergis dengan elemen paduan lainnya seperti molibdenum, tembaga, silikon, dan kromium. Kombinasi ini menciptakan lapisan pasif yang lebih kuat, sehingga meningkatkan ketahanan baja terhadap berbagai lingkungan korosif.
Pada baja kromium-molibdenum dan kromium, penambahan aluminium menyebabkan peningkatan ketahanan aus. Hal ini dicapai melalui pembentukan partikel aluminium oksida yang halus dan keras yang tersebar di seluruh matriks baja, yang berfungsi sebagai penghalang gerakan dislokasi dan meningkatkan kekerasan permukaan.
Namun, penting untuk dicatat bahwa efek aluminium tidak menguntungkan secara universal. Pada baja perkakas karbon tinggi, keberadaan aluminium dapat menyebabkan kerapuhan selama proses quenching, sehingga berpotensi mengganggu ketangguhan dan kinerja baja secara keseluruhan.
Meskipun aluminium menawarkan banyak keuntungan, aluminium juga menghadirkan tantangan dalam pemrosesan baja. Hal ini dapat mempengaruhi sifat pemrosesan termal, kinerja pengelasan, dan kemampuan mesin. Efek ini disebabkan oleh pembentukan inklusi aluminium oksida dengan titik leleh tinggi dan modifikasi struktur mikro baja, yang dapat menyebabkan peningkatan keausan pahat selama pemesinan dan potensi cacat las jika tidak dikelola dengan baik.
Silikon adalah elemen penting dalam pembuatan baja, berfungsi sebagai agen pereduksi dan deoksidasi yang penting. Pada baja karbon, kandungan silikon biasanya berada di bawah 0,5%, yang dimasukkan selama proses pembuatan baja untuk memenuhi peran penting ini.
Ketika dilarutkan ke dalam ferit dan austenit, silikon secara signifikan meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja. Efek penguatannya adalah yang kedua setelah fosfor, melebihi mangan, nikel, kromium, tungsten, molibdenum, dan vanadium. Namun, kandungan silikon yang melebihi 3% secara substansial dapat mengurangi plastisitas dan ketangguhan baja.
Pengaruh silikon terhadap sifat baja memiliki banyak aspek:
Dalam produksi baja, kandungan silikon dikontrol secara cermat. Untuk baja rimming, dibatasi hingga <0,07%. Jika perlu, paduan silikon-besi ditambahkan selama pembuatan baja untuk mencapai tingkat dan sifat silikon yang diinginkan.
Fosfor (P) dimasukkan ke dalam baja terutama melalui bijih besi dan umumnya dianggap sebagai elemen yang merugikan. Meskipun P dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan baja, namun secara signifikan mengganggu plastisitas dan ketangguhan benturan.
Pada suhu rendah, P menyebabkan "kerapuhan dingin", yang sangat mengurangi keuletan baja. Fenomena ini berdampak negatif pada kemampuan kerja dan kemampuan las baja dalam kondisi dingin. Tingkat keparahan kerapuhan dingin meningkat secara proporsional dengan kandungan P, sehingga perlu dilakukan kontrol yang ketat terhadap kadar fosfor dalam produksi baja.
Standar industri untuk kandungan P bervariasi berdasarkan kualitas baja:
Fosfor menunjukkan efek penguatan larutan padat yang kuat dan efek pengerasan pendinginan. Jika dikombinasikan dengan tembaga, fosfor meningkatkan ketahanan korosi atmosfer pada baja paduan rendah berkekuatan tinggi, meskipun dengan mengorbankan kinerja stamping dingin. Dalam hubungannya dengan sulfur dan mangan, P dapat meningkatkan kemampuan mesin sekaligus memperburuk kerapuhan temper dan sensitivitas kerapuhan dingin.
Khususnya, P meningkatkan resistivitas listrik dan dapat mengurangi gaya koersif dan kerugian arus pusar karena efek pengerasan butirannya. Dalam medan magnet yang lemah, baja dengan kandungan P yang lebih tinggi menunjukkan peningkatan induksi magnetik.
Untuk baja silikon, kandungan P harus dibatasi hingga ≤0.15% (misalnya, 0.07-0.10% pada baja silikon elektrik canai dingin). Meskipun P tidak secara signifikan menghalangi kerja panas baja silikon, namun dapat menyebabkan kerapuhan. Fosfor adalah elemen penstabil ferit yang paling kuat, dengan dampaknya pada suhu rekristalisasi dan pertumbuhan butir pada baja silikon 4-5 kali lipat dari silikon pada konsentrasi yang setara.
Singkatnya, meskipun P menawarkan beberapa sifat yang menguntungkan, efeknya yang merugikan pada sifat mekanik dan karakteristik pemrosesan baja memerlukan kontrol dan pertimbangan yang cermat dalam desain paduan dan proses manufaktur.
Belerang terutama dimasukkan ke dalam baja dari bijih besi dan kokas bahan bakar selama proses pembuatan baja. Secara umum, sulfur dianggap sebagai elemen yang merugikan dalam produksi baja karena dampak negatifnya terhadap berbagai sifat baja.
Dalam baja, sulfur sebagian besar ada sebagai besi sulfida (FeS). Sistem FeS-Fe membentuk senyawa eutektik dengan titik leleh rendah dengan titik leleh sekitar 985°C (1805°F). Mengingat suhu kerja panas baja biasanya melebihi 1150°C (2102°F), senyawa FeS dapat meleleh sebelum waktunya selama operasi kerja panas. Peleburan prematur ini menyebabkan fenomena yang dikenal sebagai "hot shortness" atau "hot brittleness", yang secara signifikan mengurangi keuletan dan ketangguhan baja, yang sering kali mengakibatkan retakan selama proses penempaan dan pengerolan.
Selain itu, sulfur berdampak buruk pada kemampuan las baja dan mengurangi ketahanan korosinya. Untuk mengurangi efek negatif ini, kandungan sulfur dalam baja dikontrol secara ketat. Untuk baja berkualitas tinggi, kandungan sulfur biasanya dibatasi hingga kurang dari 0,02% hingga 0,03%. Pada baja berkualitas, kisaran yang dapat diterima sedikit lebih tinggi, hingga 0,03% hingga 0,045%, sementara baja struktural umum dapat mengandung sulfur hingga 0,055% hingga 0,07%.
Meskipun secara umum memiliki efek yang merugikan, sulfur dapat bermanfaat dalam aplikasi tertentu. Misalnya, dalam produksi baja pemesinan bebas, seperti baja tahan karat grade tertentu (misalnya, AISI 303), sejumlah kecil sulfur (0,2% hingga 0,4%) ditambahkan secara sengaja untuk meningkatkan kemampuan pemesinan dan hasil akhir permukaan. Penambahan sulfur yang terkontrol ini memudahkan pemecahan chip dan mengurangi keausan pahat selama operasi pemesinan. Demikian pula, beberapa baja kecepatan tinggi dan baja perkakas menggunakan sulfur untuk meningkatkan karakteristik permukaan dan kemampuan mesin.
Kesimpulannya, meskipun sulfur secara umum dianggap sebagai pengotor dalam pembuatan baja, efeknya dapat merugikan dan menguntungkan tergantung pada aplikasi spesifik dan kelas baja. Kontrol yang cermat terhadap kandungan sulfur sangat penting dalam mencapai sifat mekanik dan karakteristik kinerja yang diinginkan dalam produk baja.
K/Na dapat digunakan sebagai pengubah yang kuat untuk menyferoidkan karbida pada besi putih, yang secara signifikan meningkatkan ketangguhannya hingga 200% dengan tetap mempertahankan karakteristik kekerasannya yang tinggi. Transformasi ini terjadi melalui promosi pembentukan bintil grafit dan pengurangan jaringan karbida yang rapuh.
Logam alkali ini juga memainkan peran penting dalam menyempurnakan struktur mikro besi ulet, mendorong pembentukan bintil grafit yang lebih banyak dan terdistribusi secara seragam. Dalam produksi besi vermicular (grafit yang dipadatkan), K/Na berperan sebagai agen penstabil, mempersempit jendela proses dan meningkatkan konsistensi dalam kontrol morfologi grafit.
Selain itu, K/Na sangat efektif dalam mendorong austenisasi pada paduan besi. Contoh penting adalah dampaknya pada baja mangan austenitik, di mana mereka dapat secara dramatis mengurangi rasio mangan terhadap karbon yang diperlukan dari 10:1-13:1 konvensional menjadi 4:1-5:1 yang lebih ekonomis. Pengurangan ini tidak hanya menurunkan biaya paduan tetapi juga meningkatkan ketahanan aus dan kemampuan pengerasan kerja baja, memperluas aplikasinya di lingkungan yang memiliki benturan tinggi dan abrasif.
Menambahkan kalsium ke dalam baja merupakan teknik metalurgi yang kuat yang menawarkan banyak manfaat di berbagai sifat baja dan tahap pemrosesan. Kalsium bertindak sebagai pemurni butiran yang kuat, desulfurizer parsial, dan pengubah inklusi non-logam, mirip dengan efek elemen tanah jarang dalam baja.
Penambahan kalsium secara signifikan meningkatkan ketahanan korosi dan keausan baja, sekaligus meningkatkan kinerjanya pada suhu tinggi dan rendah. Hal ini meningkatkan sifat mekanik penting seperti ketangguhan impak, kekuatan fatik, dan plastisitas. Selain itu, penambahan kalsium secara positif mempengaruhi kemampuan las baja, membuatnya lebih cocok untuk berbagai proses fabrikasi.
Dalam hal aplikasi spesifik, baja yang diberi perlakuan kalsium menunjukkan karakteristik cold heading yang unggul, ketahanan guncangan yang ditingkatkan, kekerasan yang meningkat, dan kekuatan kontak yang lebih baik. Sifat-sifat ini membuatnya sangat berharga dalam pembuatan pengencang, bantalan, dan komponen lain berkinerja tinggi yang mengalami kondisi pembebanan berat.
Untuk aplikasi baja tuang, penambahan kalsium menawarkan banyak keuntungan. Hal ini meningkatkan fluiditas baja cair, yang mengarah pada peningkatan kemampuan tuang dan permukaan akhir produk akhir. Khususnya, hal ini membantu menghilangkan anisotropi pada mikrostruktur cor, sehingga menghasilkan sifat yang lebih seragam di seluruh pengecoran. Keseragaman ini menghasilkan peningkatan ketahanan retak termal, sifat mekanik yang unggul, dan kemampuan mesin yang lebih baik dari komponen cor.
Selain itu, baja yang diberi perlakuan kalsium menunjukkan peningkatan ketahanan terhadap retak yang diinduksi hidrogen dan sobekan lamelar, yang keduanya merupakan faktor penting dalam aplikasi tekanan tinggi dan struktur las tertentu. Peningkatan kinerja ini dapat memperpanjang masa pakai peralatan dan perkakas yang dibuat dari baja yang diberi perlakuan kalsium secara signifikan.
Dalam produksi baja, kalsium biasanya dimasukkan sebagai bagian dari paduan induk, yang memiliki beberapa peran: sebagai deoxidizer untuk menghilangkan oksigen berbahaya, inokulan untuk mendorong pemadatan terkendali, dan agen microalloying untuk menyempurnakan struktur mikro dan sifat baja. Kontrol yang tepat terhadap penambahan kalsium dan interaksinya dengan elemen paduan lainnya sangat penting untuk mencapai keseimbangan sifat yang diinginkan pada produk baja akhir.
Titanium menunjukkan afinitas yang kuat untuk nitrogen, oksigen, dan karbon, dan afinitas yang lebih kuat untuk sulfur dibandingkan dengan besi, menjadikannya elemen yang efektif untuk deoksidasi dan untuk memperbaiki nitrogen dan karbon dalam baja.
Sebagai elemen pembentuk karbida yang ampuh, titanium mudah dipadukan dengan karbon untuk membentuk titanium karbida (TiC). Senyawa ini memiliki daya ikat yang kuat, stabilitas tinggi, dan ketahanan terhadap penguraian. Pelarutan TiC ke dalam baja terjadi secara perlahan, biasanya pada suhu melebihi 1000 ° C (1832 ° F).
Sebelum pelarutan, partikel titanium karbida memainkan peran penting dalam menghambat pertumbuhan butiran, yang berkontribusi pada penyempurnaan struktur mikro baja.
Afinitas titanium yang lebih besar terhadap karbon dibandingkan dengan kromium membuatnya menjadi tambahan yang berharga dalam baja tahan karat. Titanium secara efektif memperbaiki karbon, mengurangi penipisan kromium pada batas butir, dan akibatnya mengurangi atau menghilangkan kerentanan terhadap korosi antar butir.
Sebagai elemen pembentuk ferit yang kuat, titanium secara signifikan meningkatkan suhu A1 (eutektoid) dan A3 (transformasi austenit-ke-ferit) pada baja, yang memengaruhi perilaku transformasi fasanya.
Pada baja paduan rendah, titanium meningkatkan kekuatan dan keuletan. Hal ini dicapai melalui kemampuannya untuk memperbaiki nitrogen dan sulfur, membentuk karbida titanium, dan meningkatkan penghalusan butir selama proses perlakuan panas seperti normalisasi. Karbida yang diendapkan secara signifikan meningkatkan plastisitas dan ketangguhan benturan baja.
Baja struktural paduan yang mengandung titanium menunjukkan sifat mekanik dan karakteristik pemrosesan yang sangat baik. Namun, kelemahan utama adalah berkurangnya kemampuan pengerasannya, yang dapat memengaruhi pengerasan melalui ketebalan pada penampang yang lebih besar.
Pada baja tahan karat kromium tinggi, titanium biasanya ditambahkan dengan rasio 5:1 terhadap kandungan karbon. Penambahan ini meningkatkan ketahanan korosi (terutama terhadap korosi intergranular), meningkatkan ketangguhan, mendorong pertumbuhan butiran yang terkendali pada suhu tinggi, dan meningkatkan kemampuan las baja.
Penggunaan strategis titanium dalam berbagai kelas baja menunjukkan keserbagunaannya dalam menyesuaikan sifat mekanik, ketahanan korosi, dan karakteristik pemrosesan untuk memenuhi persyaratan aplikasi spesifik dalam industri mulai dari otomotif hingga kedirgantaraan dan pemrosesan kimia.
Vanadium menunjukkan afinitas yang kuat terhadap karbon, nitrogen, dan oksigen, membentuk senyawa yang stabil. Dalam baja, vanadium sebagian besar terdapat dalam bentuk karbida.
Fungsi utama vanadium dalam baja meliputi penyempurnaan struktur mikro dan ukuran butir, serta meningkatkan kemampuan pengerasan ketika dilarutkan dalam matriks austenit pada suhu tinggi. Namun, ketika hadir sebagai karbida, ia dapat menangkal efek ini dengan mengurangi kemampuan pengerasan. Vanadium juga secara signifikan meningkatkan ketahanan temper dari baja yang dikeraskan dan menginduksi fenomena pengerasan sekunder.
Kandungan vanadium dalam baja biasanya dibatasi hingga 0,5%, dengan pengecualian pada baja perkakas berkecepatan tinggi. Pada baja paduan rendah karbon konvensional, vanadium bertindak sebagai pemurni butiran, meningkatkan kekuatan, rasio luluh, ketangguhan suhu rendah, dan kemampuan las. Pada baja struktural paduan, bila digunakan bersama dengan mangan, kromium, molibdenum, dan tungsten, vanadium dapat memoderasi pengerasan dalam kondisi perlakuan panas standar.
Untuk baja pegas dan bantalan, penambahan vanadium meningkatkan kekuatan dan rasio luluh, khususnya batas proporsional dan batas elastis. Hal ini juga mengurangi sensitivitas karbon selama perlakuan panas, sehingga menghasilkan kualitas permukaan yang superior. Pada baja perkakas, vanadium memperhalus struktur butiran, mengurangi kerentanan terhadap panas berlebih, meningkatkan stabilitas temper, dan meningkatkan ketahanan aus, sehingga memperpanjang usia pakai perkakas.
Pada baja karburasi, vanadium memungkinkan pendinginan langsung pasca karburisasi, sehingga tidak memerlukan langkah pendinginan terpisah. Baja bantalan yang mengandung vanadium dan kromium menunjukkan dispersi karbida yang disempurnakan dan karakteristik kinerja yang unggul.
Pengaruh vanadium terhadap sifat baja sangat bergantung pada konsentrasi dan interaksinya dengan elemen paduan lainnya, sehingga memerlukan kontrol yang cermat dalam desain dan pemrosesan baja untuk mengoptimalkan sifat yang diinginkan untuk aplikasi tertentu.
Kromium memainkan peran penting dalam meningkatkan sifat berbagai baja dan paduan. Secara signifikan meningkatkan kemampuan pengerasan baja dan berkontribusi pada pengerasan sekunder, meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus baja karbon tanpa mengorbankan keuletan.
Ketika kandungan kromium melebihi 12%, maka akan memberikan ketahanan oksidasi suhu tinggi yang sangat baik dan ketahanan korosi pada baja, sekaligus meningkatkan kekuatan panasnya. Hal ini menjadikan kromium sebagai elemen paduan utama dalam baja tahan karat, baja tahan asam, dan baja tahan panas.
Pada baja karbon, kromium meningkatkan kekuatan dan kekerasan dalam kondisi pengerolan, sekaligus mengurangi perpanjangan dan penyusutan penampang. Namun, ketika kandungan kromium melampaui 15%, efek sebaliknya terjadi: kekuatan dan kekerasan menurun, sementara pemanjangan dan penyusutan penampang meningkat. Khususnya, komponen baja kromium dapat mencapai kualitas permukaan yang tinggi melalui proses penggilingan.
Selama tempering, fungsi utama kromium adalah untuk meningkatkan kemampuan pengerasan, sehingga menghasilkan sifat mekanik yang unggul setelah pendinginan dan tempering. Pada baja karburasi, ia membentuk karbida kromium, yang secara signifikan meningkatkan ketahanan aus permukaan. Baja pegas yang mengandung kromium menunjukkan ketahanan terhadap dekarburisasi selama perlakuan panas, karakteristik yang berharga untuk mempertahankan sifat yang diinginkan.
Untuk baja perkakas, kromium meningkatkan ketahanan aus, kekerasan, dan kekerasan merah (hot hardness), sekaligus meningkatkan stabilitas tempering. Kombinasi sifat ini menjadikan baja perkakas paduan kromium ideal untuk aplikasi suhu tinggi.
Dalam paduan elektrotermal, kromium berfungsi untuk meningkatkan ketahanan oksidasi, ketahanan listrik, dan kekuatan secara keseluruhan. Sifat-sifat ini sangat penting untuk aplikasi pada elemen pemanas dan komponen listrik bersuhu tinggi lainnya.
Keserbagunaan kromium sebagai elemen paduan menggarisbawahi pentingnya kromium dalam ilmu metalurgi dan material modern, yang memungkinkan pengembangan baja dan paduan dengan sifat yang disesuaikan untuk aplikasi industri tertentu.
Mangan (Mn) memainkan peran penting dalam meningkatkan sifat baja, terutama karena efektivitas biaya dan kompatibilitasnya dengan besi (Fe). Mangan secara signifikan meningkatkan kekuatan baja dengan pengaruh minimal terhadap plastisitas, menjadikannya elemen paduan yang diadopsi secara luas dalam industri baja.
Keberadaan Mn di mana-mana dalam produksi baja terlihat jelas di berbagai kelas. Dari baja stamping karbon rendah hingga baja berkekuatan tinggi (AHSS) canggih seperti baja fase ganda (DP), plastisitas yang diinduksi transformasi (TRIP), dan baja martensit (MS), Mn merupakan konstituen utama. Kandungannya bervariasi berdasarkan sifat mekanik dan aplikasi yang diinginkan.
Pada baja karbon rendah, kandungan Mn biasanya tetap berada di bawah 0,5%. Namun, seiring dengan meningkatnya kebutuhan kekuatan, begitu pula dengan kandungan Mn. Sebagai contoh, pada baja martensitik berkekuatan sangat tinggi, kadar Mn dapat mencapai hingga 3%, yang berkontribusi secara signifikan terhadap rasio kekuatan-terhadap-berat yang luar biasa.
Pengaruh Mn lebih dari sekadar peningkatan kekuatan. Mn meningkatkan kemampuan pengerasan baja, meningkatkan responsnya terhadap proses perlakuan panas. Efek ini dicontohkan dalam perbandingan antara baja 40Mn dan AISI 1040, di mana baja yang pertama menunjukkan kemampuan pengerasan yang unggul karena kandungan Mn yang lebih tinggi.
Fungsi penting lainnya dari Mn adalah kemampuannya untuk mengurangi efek merugikan dari sulfur (S) dalam baja. Selama proses pembuatan baja, Mn membentuk inklusi mangan sulfida (MnS) dengan titik leleh tinggi, yang secara efektif menetralisir dampak negatif belerang terhadap sifat baja, terutama kemampuan kerja panas dan keuletan.
Namun, penambahan Mn membutuhkan keseimbangan yang cermat. Meskipun meningkatkan kandungan Mn dapat menghasilkan kekuatan yang lebih tinggi, jumlah yang berlebihan dapat membahayakan plastisitas dan kemampuan las baja. Pertukaran ini memerlukan kontrol yang tepat dari kandungan Mn berdasarkan aplikasi yang dimaksudkan dan profil properti baja yang dibutuhkan.
Dalam pembuatan baja modern, optimalisasi kandungan Mn, sering kali bersama dengan elemen paduan lainnya, sangat penting untuk mengembangkan baja dengan kombinasi properti yang disesuaikan untuk memenuhi permintaan industri tertentu, mulai dari ringan otomotif hingga aplikasi struktural berkinerja tinggi.
Cobalt (Co) memainkan peran penting dalam meningkatkan sifat-sifat baja dan paduan khusus. Pada baja kecepatan tinggi, Co memberikan kekerasan panas yang luar biasa, menjaga performa cutting tool pada temperatur tinggi selama operasi pemesinan.
Ketika dipadukan dengan molibdenum dalam baja perkawinan, Co secara signifikan meningkatkan kekerasan dan sifat mekanik secara keseluruhan. Efek sinergis ini menghasilkan baja berkekuatan sangat tinggi dengan ketangguhan yang sangat baik, yang banyak digunakan dalam aplikasi kedirgantaraan dan pertahanan.
Co adalah elemen paduan yang penting dalam baja tahan panas dan bahan magnetik. Pada material yang terakhir, unsur ini berkontribusi pada saturasi magnetik yang tinggi dan suhu Curie yang lebih baik, yang sangat penting untuk magnet permanen dan baja listrik berkinerja tinggi.
Namun, dampak Co terhadap sifat baja sangat kompleks. Pada baja karbon, Co dapat mengurangi kemampuan pengerasan, sehingga berpotensi mengorbankan sifat mekanik secara menyeluruh. Efek ini terutama terlihat pada baja karbon sedang hingga tinggi, di mana pengerasan sangat penting untuk mencapai struktur mikro dan sifat yang diinginkan.
Co memperkuat ferit melalui pengerasan larutan padat. Ketika ditambahkan ke baja karbon selama perlakuan panas seperti anil atau normalisasi, ini meningkatkan kekerasan, kekuatan luluh, dan kekuatan tarik. Namun, hal ini harus dibayar dengan berkurangnya keuletan, yang dimanifestasikan sebagai penurunan perpanjangan dan pengurangan area.
Peningkatan kandungan Co dalam baja umumnya menyebabkan penurunan ketangguhan benturan. Pertukaran antara kekuatan dan ketangguhan ini harus diseimbangkan dengan hati-hati dalam desain paduan untuk aplikasi tertentu.
Ketahanan oksidasi Co yang sangat baik membuatnya sangat berharga dalam baja tahan panas dan superalloy. Superalloy berbasis Co, khususnya pada aplikasi turbin gas, menunjukkan kekuatan suhu tinggi yang unggul, ketahanan mulur, dan ketahanan korosi panas, sehingga memungkinkan suhu operasi yang lebih tinggi dan efisiensi mesin yang lebih baik.
Efek menguntungkan dari nikel dalam paduan baja sangat besar, meliputi peningkatan sifat mekanik, peningkatan karakteristik mikrostruktur, dan ketahanan korosi yang unggul. Atribut-atribut ini membuat baja yang mengandung nikel sangat diminati untuk berbagai aplikasi industri.
Nikel secara signifikan meningkatkan rasio kekuatan-ke-ketangguhan baja, sebuah faktor penting dalam banyak desain teknik. Nikel secara dramatis menurunkan suhu transisi ulet ke getas, dengan nilai mencapai di bawah -100°C pada kandungan 0,3% Ni, dan anjlok hingga -180°C ketika dikombinasikan dengan kobalt 4-5%. Ketangguhan suhu rendah yang luar biasa ini memperluas cakupan operasional baja yang mengandung nikel dalam aplikasi kriogenik.
Pengaruh nikel pada kemampuan pengerasan baja bergantung pada konsentrasi. Meskipun kandungan Ni 3.5% tidak mencukupi untuk pengerasan quench, meningkatkan kandungan nikel hingga 8% pada baja kromium memfasilitasi transformasi martensitik bahkan pada laju pendinginan yang sangat rendah. Karakteristik ini sangat berharga dalam produksi komponen berpenampang besar dan tebal di mana pengerasan menyeluruh menjadi tantangan.
Struktur atom nikel, dengan konstanta kisi yang mirip dengan austenit (γ-Fe), mendorong terbentuknya larutan padat yang kontinu. Kompatibilitas metalurgi ini meningkatkan kemampuan pengerasan baja dan berkontribusi pada struktur mikro yang lebih seragam. Selain itu, nikel mengurangi suhu transformasi kritis dan menstabilkan austenit, sehingga memungkinkan suhu pendinginan yang lebih rendah dan kemampuan pendinginan yang lebih baik.
Efek sinergis nikel dengan elemen paduan lainnya patut diperhatikan. Kombinasi nikel-kromium, nikel-tungsten, dan nikel-kromium-molibdenum secara signifikan meningkatkan kemampuan pengerasan. Baja nikel-molibdenum menunjukkan ketahanan lelah yang luar biasa, sementara baja nikel umumnya menunjukkan sifat kelelahan termal yang unggul, sehingga cocok untuk komponen yang mengalami siklus termal.
Dalam baja tahan karat, nikel memainkan peran penting dalam menstabilkan fase austenitik, sehingga meningkatkan ketahanan korosi di berbagai spektrum lingkungan. Hal ini membuat baja tahan karat yang mengandung nikel sangat diperlukan dalam pemrosesan kimia, produksi makanan, dan aplikasi kelautan.
Manfaat nikel yang sering diabaikan dalam baja adalah kemampuannya untuk menghambat pertumbuhan butir pada suhu tinggi. Karakteristik ini membantu mempertahankan struktur mikro berbutir halus, yang sangat penting untuk menjaga sifat mekanis dan mencegah penggetasan selama proses layanan suhu tinggi atau perlakuan panas.
Tembaga (Cu) memainkan peran penting dalam meningkatkan sifat-sifat baja, terutama dalam meningkatkan ketahanan korosi atmosferiknya. Ketika dipadukan dengan baja karbon rendah, Cu membentuk patina pelindung pada permukaan, yang secara signifikan memperpanjang masa pakai material di lingkungan korosif. Efek sinergis dari Cu dan fosfor (P) tidak hanya meningkatkan ketahanan terhadap korosi tetapi juga meningkatkan kekuatan dan rasio luluh baja tanpa mengorbankan kemampuan lasnya.
Rel baja yang mengandung 0.20% hingga 0.50% Cu (umumnya disebut sebagai baja U-Cu) menunjukkan ketahanan korosi yang luar biasa, dengan daya tahan 2-5 kali lebih besar daripada baja karbon standar. Hal ini membuatnya sangat berharga dalam aplikasi yang terpapar pada kondisi lingkungan yang keras, seperti infrastruktur pesisir atau fasilitas pemrosesan bahan kimia.
Pada konsentrasi yang lebih tinggi, khususnya ketika kandungan Cu melebihi 0,75%, baja dapat mengalami efek pengerasan setelah perlakuan larutan padat dan penuaan berikutnya. Fenomena ini dapat dimanfaatkan untuk lebih meningkatkan kekuatan dan kekerasan material melalui proses perlakuan panas yang terkontrol.
Pada konsentrasi yang lebih rendah, pengaruh Cu terhadap sifat baja sebanding dengan pengaruh nikel, meskipun tidak terlalu terasa. Namun, sangat penting untuk diperhatikan bahwa kandungan Cu yang berlebihan (biasanya di atas 1%) dapat menimbulkan tantangan pemrosesan selama operasi pengerjaan panas. Hal ini disebabkan oleh pembentukan fasa kaya Cu dengan titik leleh rendah pada batas butir, yang berpotensi mengakibatkan shortage panas atau penggetasan tembaga.
Manfaat tembaga lebih dari sekadar baja karbon. Pada baja tahan karat austenitik, penambahan 2-3% Cu secara signifikan meningkatkan ketahanan terhadap media korosif seperti asam sulfat, asam fosfat, dan asam klorida. Selain itu, ini meningkatkan ketahanan paduan terhadap retak korosi tegangan, faktor penting dalam aplikasi yang menuntut seperti peralatan pemrosesan kimia atau lingkungan laut.
Galium (Ga), logam pasca-transisi, terletak di blok-p pada tabel periodik dan menunjukkan sifat unik dalam metalurgi baja. Dalam sistem besi-karbon, galium mikro larut dalam fase ferit (α-Fe), membentuk larutan padat substitusi. Tidak seperti banyak elemen paduan lainnya, galium tidak membentuk karbida, oksida, nitrida, atau sulfida dalam baja, yang memengaruhi perilakunya selama perlakuan panas dan servis.
Pada daerah dua fasa austenit (γ) + ferit (α), mikrogalium menunjukkan difusi preferensial dari austenit ke ferit karena kelarutannya yang lebih tinggi pada struktur kubik berpusat pada tubuh (BCC) ferit dibandingkan dengan struktur kubik berpusat pada muka (FCC) austenit. Perilaku difusi ini menyebabkan peningkatan konsentrasi galium dalam fasa ferit, yang berpotensi mempengaruhi kinetika transformasi fasa dan struktur mikro akhir baja.
Mekanisme utama galium mempengaruhi sifat mekanik baja adalah melalui penguatan larutan padat. Sebagai atom substitusi dalam kisi besi, atom galium menciptakan distorsi lokal, menghambat gerakan dislokasi dan dengan demikian meningkatkan kekuatan dan kekerasan baja. Namun, besarnya efek penguatan ini umumnya kurang terasa dibandingkan dengan elemen paduan tradisional seperti mangan atau molibdenum.
Mengenai ketahanan korosi, galium memiliki dampak minimal pada perilaku korosi baja secara keseluruhan. Tidak seperti elemen seperti kromium atau nikel, yang secara signifikan dapat meningkatkan ketahanan korosi melalui pembentukan lapisan pasif, galium tidak secara substansial mengubah sifat elektrokimia permukaan baja. Efeknya yang terbatas pada ketahanan korosi terutama disebabkan oleh sifat non-oksida yang membentuk matriks baja.
Arsenik (As) dalam bijih menimbulkan tantangan selama produksi besi dan baja, dengan penghilangan terbatas yang dapat dicapai melalui sintering konvensional. Namun, pemanggangan dengan proses kloridasi menawarkan metode yang lebih efektif untuk menghilangkan As. Selama peleburan tanur tiup, residu As berintegrasi ke dalam besi kasar, sehingga memerlukan pengelolaan yang cermat.
Ketika kandungan As dalam baja melebihi 0,1%, maka secara signifikan akan berdampak pada sifat material, meningkatkan kerapuhan dan mengorbankan kemampuan las. Untuk mengurangi dampak buruk ini, kontrol yang ketat terhadap kadar As dalam bijih sangat penting, dengan ambang batas maksimum yang direkomendasikan sebesar 0,07%.
Keberadaan As dalam baja menunjukkan pengaruh yang kompleks pada sifat mekanik. Pada baja bulat karbon rendah, As cenderung meningkatkan titik leleh (σs) dan kekuatan tarik (σb). Namun, hal ini harus dibayar dengan berkurangnya keuletan, yang dibuktikan dengan berkurangnya perpanjangan. Selain itu, As menunjukkan dampak negatif yang nyata pada ketangguhan impak suhu ruangan (Akv) baja bulat karbon, faktor penting untuk banyak aplikasi.
Pertimbangan metalurgi ini menggarisbawahi pentingnya manajemen As yang tepat di seluruh proses pembuatan besi dan pembuatan baja, menyeimbangkan manfaat potensial terhadap efek yang merugikan untuk memastikan kualitas dan kinerja baja yang optimal.
Selenium (Se) memainkan peran penting dalam meningkatkan kemampuan mesin berbagai logam, termasuk baja karbon, baja tahan karat, dan tembaga. Penggabungannya menghasilkan permukaan akhir yang lebih baik, dengan bagian-bagian yang menunjukkan penampilan yang cerah dan bersih. Peningkatan ini terutama disebabkan oleh kemampuan selenium untuk membentuk inklusi yang mudah digeser, yang memfasilitasi pemecahan chip dan mengurangi keausan pahat selama operasi pemesinan.
Dalam bidang khusus baja silikon berorientasi induksi magnetik tinggi, mangan diselenide (MnSe2) sering digunakan sebagai inhibitor. MnSe2 menunjukkan karakteristik inklusi yang lebih unggul dibandingkan dengan mangan sulfida (MnS), terutama dalam kemampuannya untuk mengontrol pertumbuhan butiran rekristalisasi awal. Penghambatan yang ditingkatkan ini berperan penting dalam mendorong pertumbuhan butir rekristalisasi sekunder yang selektif. Hasilnya adalah tekstur yang sangat berorientasi (110) [001], yang sangat penting untuk mencapai sifat magnetik yang optimal pada baja listrik yang digunakan pada inti transformator dan aplikasi kelistrikan berefisiensi tinggi lainnya. Pengoptimalan tekstur ini menyebabkan berkurangnya rugi-rugi inti dan meningkatkan efisiensi transformator secara keseluruhan.
Zirkonium (Zr) adalah elemen pembentuk karbida yang kuat, yang menunjukkan sifat-sifat yang serupa dengan niobium, tantalum, dan vanadium dalam paduan baja. Karakteristiknya yang unik menjadikannya bahan tambahan yang berharga dalam berbagai aplikasi metalurgi berkinerja tinggi.
Penggabungan sejumlah kecil Zr menghasilkan beberapa efek menguntungkan pada struktur mikro dan sifat baja:
Efek-efek ini secara sinergis berkontribusi pada peningkatan ketangguhan suhu rendah dan kemampuan bentuk yang unggul, khususnya bermanfaat untuk meningkatkan kinerja stamping lembaran baja.
Zr menemukan aplikasi yang luas dalam produksi:
Kontrol yang tepat dari kandungan Zr, biasanya dalam kisaran 0,05-0,15%, sangat penting untuk mengoptimalkan manfaatnya sekaligus menghindari potensi masalah seperti pembentukan karbida yang berlebihan atau penggetasan.
Niobium (Nb) dan tantalum adalah elemen yang terkait erat, sering ditemukan bersama di alam, dan menunjukkan peran yang sama dalam metalurgi baja. Kedua elemen tersebut dapat larut sebagian dalam larutan padat, berkontribusi pada penguatan matriks baja.
Kehadiran Nb secara signifikan meningkatkan respons pendinginan baja ketika dilarutkan dalam fase austenitik. Namun, ketika hadir sebagai karbida atau partikel oksida, Nb bertindak sebagai penghalus butiran dan mengurangi kemampuan pengerasan baja. Hal ini juga meningkatkan stabilitas temper dan menginduksi efek pengerasan sekunder, yang bermanfaat untuk mencapai sifat mekanik tertentu.
Microalloying dengan niobium menawarkan keuntungan unik: meningkatkan kekuatan baja tanpa mengorbankan plastisitas atau ketangguhan. Karakteristik ini sangat berharga pada baja paduan rendah kekuatan tinggi (HSLA) modern. Nb memperhalus struktur butiran, meningkatkan ketangguhan benturan, dan menurunkan suhu transisi ulet ke getas. Ketika kandungan Nb melebihi 8 kali lipat dari karbon, maka secara efektif dapat mengikat hampir semua karbon di dalam baja, sehingga menghasilkan ketahanan penggetasan hidrogen yang sangat baik.
Pada baja tahan karat austenitik, Nb bertindak sebagai elemen penstabil, mencegah sensitisasi dan korosi antar butir dalam lingkungan pengoksidasi. Hal ini dicapai melalui pembentukan karbida niobium yang stabil, yang mencegah pengendapan karbida kromium pada batas butir. Selain itu, Nb meningkatkan performa baja pada suhu tinggi, khususnya kekuatan mulur, melalui kemampuan pengikatan karbon dan efek pengerasan presipitasi.
Untuk baja paduan rendah konvensional, penambahan Nb menghasilkan peningkatan kekuatan luluh dan ketangguhan impak sekaligus mengurangi temperatur transisi ulet ke getas. Kombinasi sifat ini sangat menguntungkan untuk struktur yang dilas. Pada baja struktural paduan karburasi dan tempering, Nb meningkatkan kemampuan pengerasan sekaligus meningkatkan ketangguhan dan kinerja suhu rendah. Pada baja tahan karat martensitik rendah karbon, Nb mengurangi kecenderungan pengerasan udara, mengurangi penggetasan temper, dan meningkatkan kekuatan mulur, menjadikannya elemen paduan serbaguna untuk berbagai kelas dan aplikasi baja.
Molibdenum (Mo) secara signifikan meningkatkan sifat baja, meningkatkan kemampuan pengerasan, ketahanan panas, dan ketahanan terhadap penggetasan temper. Mo juga meningkatkan magnet sisa, koersivitas, dan ketahanan korosi di lingkungan tertentu.
Pada baja yang dipadamkan dan ditemper, Mo meningkatkan kemampuan pengerasan, sehingga memungkinkan perlakuan panas yang efektif pada bagian penampang yang besar. Mo meningkatkan stabilitas temper, meningkatkan ketahanan baja terhadap pelunakan pada suhu tinggi. Karakteristik ini memungkinkan pelepasan tegangan yang lebih efisien dan keuletan yang lebih baik dalam kondisi suhu tinggi tanpa mengorbankan kekuatan.
Untuk baja karburasi, Mo mengurangi pembentukan jaringan karbida kontinu pada batas butir di lapisan karburasi. Hal ini mengurangi kandungan austenit yang tertahan, sehingga meningkatkan ketahanan aus permukaan. Struktur mikro yang disempurnakan menghasilkan kekuatan fatik dan ketangguhan benturan yang lebih baik.
Mo sangat penting dalam penempaan baja die, mempertahankan kekerasan yang konsisten pada suhu tinggi dan meningkatkan ketahanan terhadap deformasi plastis, retak fatik termal, dan keausan abrasif. Hal ini mengarah pada umur die yang lebih panjang dan peningkatan kualitas komponen dalam operasi penempaan panas.
Pada baja tahan karat dan tahan asam, Mo secara signifikan meningkatkan ketahanan korosi, terutama terhadap asam organik (misalnya asam format, asetat, oksalat), zat pengoksidasi (hidrogen peroksida), dan berbagai bahan kimia industri (asam sulfat, asam sulfat, sulfat, zat pewarna asam, zat pemutih). Khususnya, penambahan Mo secara efektif memerangi korosi sumuran dan celah yang disebabkan oleh ion klorida, masalah umum di lingkungan pengolahan laut dan kimia.
Baja kecepatan tinggi W12Cr4V4Mo, yang mengandung sekitar 1% Mo, menunjukkan ketahanan aus yang luar biasa, stabilitas temper, dan kekerasan merah (hot hardness). Komposisi ini mengoptimalkan keseimbangan antara pembentuk karbida (W, Cr, V, Mo) dan matriks, sehingga menghasilkan kinerja pemotongan dan umur pahat yang unggul dalam aplikasi pemesinan berkecepatan tinggi.
Timah (Sn) memainkan peran yang kompleks dalam metalurgi baja, dengan efeknya yang sangat bervariasi tergantung pada aplikasi spesifik dan komposisi paduan. Dalam produksi baja secara umum, Sn sering dianggap sebagai pengotor yang merugikan karena potensinya untuk menyebabkan kerapuhan panas, penggetasan temper, dan keretakan. Hal ini dapat mempengaruhi kemampuan las dan diklasifikasikan sebagai salah satu 'elemen gelandangan' dalam baja, di samping unsur-unsur seperti tembaga, arsenik, antimon, dan fosfor.
Namun, Sn menunjukkan sifat yang menguntungkan dalam aplikasi baja khusus. Pada baja elektrik, khususnya baja silikon berorientasi butiran, Sn berkontribusi pada peningkatan sifat magnetik. Hal ini dicapai dengan mempengaruhi struktur butir dan pengembangan tekstur. Sn cenderung memisahkan diri pada batas butir, sehingga menghambat pertumbuhan butir selama pemrosesan. Efek penghalusan butir ini bergantung pada konsentrasi; kandungan Sn yang lebih tinggi mengarah pada kontrol ukuran butir yang lebih efektif. Struktur butiran yang lebih halus yang dihasilkan berkontribusi pada berkurangnya kehilangan inti pada baja listrik.
Lebih jauh lagi, Sn mendorong pembentukan tekstur {100} Goss yang menguntungkan pada baja silikon berorientasi butiran. Peningkatan tekstur ini mengarah pada peningkatan permeabilitas magnetik dan magnetostriksi yang lebih rendah, keduanya merupakan sifat yang diinginkan untuk bahan inti transformator. Intensitas induksi magnetik dapat ditingkatkan secara signifikan dengan penambahan Sn yang terkontrol.
Dalam produksi besi tuang, sejumlah kecil Sn (biasanya <0,1 wt%) dapat menguntungkan. Hal ini meningkatkan ketahanan aus dan mempengaruhi fluiditas logam cair, yang sangat penting untuk proses pengecoran. Untuk besi tuang lunak mutiara, yang menggabungkan kekuatan tinggi dengan ketahanan aus yang baik, Sn ditambahkan selama peleburan untuk mendorong pembentukan perlit. Namun, kontrol yang tepat terhadap kandungan Sn sangat penting, karena jumlah yang berlebihan dapat mengganggu spheroidisasi grafit pada besi tuang ulet.
Sn juga dapat diaplikasikan pada baja potong bebas, di mana ia meningkatkan kemampuan mesin. Dalam paduan ini, Sn cenderung memisahkan diri di sekitar inklusi dan pada batas butir. Meskipun tidak secara signifikan mengubah morfologi inklusi sulfida (faktor kunci dalam baja potong bebas), perilaku segregasi Sn meningkatkan pembentukan chip dan kerusakan selama operasi pemesinan. Peningkatan kemampuan mesin yang optimal biasanya diamati ketika kandungan Sn melebihi 0,05 wt%, meskipun jumlah yang tepat tergantung pada kelas baja tertentu dan elemen paduan lainnya yang ada.
Kesimpulannya, meskipun Sn umumnya tidak diinginkan dalam produksi baja curah, penggunaannya yang ditargetkan pada kelas baja khusus dapat menghasilkan manfaat kinerja yang signifikan. Kuncinya terletak pada kontrol komposisi yang tepat dan memahami interaksi kompleks antara Sn dan elemen paduan lainnya dalam struktur mikro baja.
Setelah memasukkan antimon (Sb) ke dalam baja silikon orientasi magnetik tinggi, ia memperhalus ukuran butiran selama proses rekristalisasi primer dan sekunder. Penyempurnaan ini mengarah pada rekristalisasi sekunder yang lebih lengkap, sehingga menghasilkan sifat magnetik yang lebih baik.
Setelah pengerolan dingin dan dekarburisasi baja yang mengandung Sb, komponen tekstur {110} dan {110} diperkuat. Orientasi ini menguntungkan untuk mendorong rekristalisasi sekunder, sehingga meningkatkan jumlah inti rekristalisasi sekunder. Modifikasi mikrostruktural ini berkontribusi pada peningkatan performa magnetik dan kualitas material secara keseluruhan.
Pada baja struktural yang mengandung Sb yang didesain untuk aplikasi pengelasan, Sb menunjukkan perilaku pengendapan yang unik di bawah temperatur austenisasi. Sb secara istimewa mengendap di sekitar inklusi mangan sulfida (MnS) dan di sepanjang batas butir austenit sebelumnya. Pengayaan Sb di sekitar inklusi MnS ini memiliki tujuan ganda: memperbaiki struktur mikro baja dan meningkatkan ketangguhannya. Struktur mikro yang disempurnakan berkontribusi pada peningkatan sifat mekanik, sementara peningkatan ketangguhan sangat bermanfaat untuk struktur yang dilas, yang berpotensi mengurangi risiko patah getas di zona yang terpengaruh panas.
Tungsten (W) dalam baja menunjukkan fungsi ganda: sebagian larut dalam besi untuk membentuk larutan padat sekaligus menghasilkan karbida. Efeknya sebanding dengan molibdenum (Mo), meskipun secara umum kurang terasa jika dibandingkan dengan basis per berat.
Kontribusi utama W pada sifat baja meliputi peningkatan stabilitas temper, peningkatan kekerasan merah (hot hardness), peningkatan ketahanan panas, dan ketahanan aus yang unggul, terutama karena pembentukan karbida tungsten. Karakteristik ini membuat baja paduan W sangat cocok untuk aplikasi perkakas, seperti baja kecepatan tinggi dan baja tempa panas.
Pada baja pegas berkualitas tinggi, W bertindak sebagai pembentuk karbida tahan api, yang menghambat pengerasan karbida dan mempertahankan kekuatan suhu tinggi pada suhu tinggi. Selain itu, W mengurangi sensitivitas baja terhadap panas berlebih, meningkatkan kemampuan pengerasan, dan meningkatkan kekerasan secara keseluruhan.
Sebagai contoh, baja pegas 65SiMnWA mencapai kekerasan tinggi bahkan setelah pengerolan panas dan pendinginan udara. Baja pegas yang mengandung W, dengan penampang melintang hingga 50mm², dapat dipadamkan dengan oli untuk mencapai kekerasan tinggi dan menanggung beban yang cukup besar dengan tetap mempertahankan ketahanan panas hingga 350°C.
Baja pegas tahan panas berkekuatan tinggi 30W4Cr2VA mencontohkan manfaat penambahan W. Grade ini menunjukkan kemampuan pengerasan yang sangat baik dan dapat mencapai kekuatan tarik 1470-1666 MPa setelah quenching pada 1050-1100°C dan temper pada 550-650°C. Aplikasi utamanya adalah dalam pembuatan pegas yang dirancang untuk lingkungan bersuhu tinggi hingga 500°C.
W secara signifikan meningkatkan ketahanan abrasi dan performa pemotongan baja, menjadikannya elemen paduan yang sangat penting dalam baja perkakas. Pembentukan karbida tungsten yang keras dan stabil berkontribusi pada peningkatan ketahanan aus dan retensi tepi pada cutting tool, terutama yang beroperasi pada suhu tinggi atau dalam kondisi yang berat.
Singkatnya, penambahan tungsten pada baja memberikan kombinasi kekuatan suhu tinggi, ketahanan aus, dan sifat pemotongan yang lebih baik, sehingga baja paduan W sangat diperlukan dalam berbagai aplikasi berkinerja tinggi, khususnya di sektor baja perkakas dan pegas.
Timbal (Pb) meningkatkan kemampuan mesin baja dengan bertindak sebagai pelumas internal selama operasi pemotongan. Baja yang mengandung timbal dalam jumlah yang terkendali menunjukkan sifat mekanik yang sangat baik dan tetap dapat menerima proses perlakuan panas. Namun, karena masalah lingkungan dan efek yang merugikan pada proses daur ulang baja bekas, penggunaan timbal sebagai elemen paduan telah secara bertahap dihapuskan demi alternatif yang lebih ramah lingkungan.
Kelarutan timbal yang terbatas dalam besi (Fe) mencegah pembentukan larutan padat atau senyawa intermetalik. Sebaliknya, timbal akan tersegregasi ke batas butir, mengadopsi morfologi bulat. Pemisahan ini dapat menyebabkan penggetasan temper pada baja dalam kisaran suhu kritis 200-480°C (392-896°F). Selain itu, keberadaan timbal pada batas butir dapat secara signifikan mengganggu kemampuan las, yang mengarah pada pembentukan retakan selama proses pengelasan. Fenomena metalurgi ini memerlukan pertimbangan yang cermat dalam desain paduan dan parameter pemrosesan untuk baja bertimbal, terutama dalam aplikasi yang melibatkan suhu tinggi atau operasi pengelasan.
Performa pemotongan baja dapat ditingkatkan secara signifikan dengan memasukkan bismut (Bi) 0,1-0,4% ke dalam komposisi baja potong bebas. Ketika didistribusikan secara seragam di dalam matriks baja, partikel Bi meleleh saat bersentuhan dengan alat potong, bertindak sebagai pelumas yang efektif. Mekanisme ini mencegah panas berlebih pada pahat, memungkinkan kecepatan potong yang lebih tinggi, dan meningkatkan kemampuan mesin secara keseluruhan.
Perkembangan terbaru telah melihat penambahan Bi ke berbagai kelas baja tahan karat untuk meningkatkan karakteristik pemesinannya. Pada baja potong bebas, Bi dapat hadir dalam tiga bentuk yang berbeda: sebagai partikel independen di dalam matriks baja, dienkapsulasi oleh inklusi sulfida, atau pada antarmuka antara matriks baja dan fase sulfida.
Penelitian telah menunjukkan bahwa peningkatan kandungan Bi pada ingot baja potong bebas S-Bi menyebabkan penurunan laju deformasi inklusi mangan sulfida (MnS). Keberadaan logam Bi dalam baja secara efektif menghambat deformasi sulfida selama proses penempaan ingot baja, sehingga berkontribusi pada peningkatan kontrol mikrostruktur.
Dalam aplikasi besi tuang, penambahan 0,002-0,005% Bi telah menunjukkan banyak manfaat. Ini meningkatkan kinerja pengecoran besi tuang yang dapat ditempa, meningkatkan kecenderungan pemutihan, mengurangi waktu anil, dan mengoptimalkan keuletan komponen akhir. Selain itu, memperkenalkan 0.005% Bi ke besi cor nodular menghasilkan peningkatan ketahanan seismik dan peningkatan kekuatan tarik.
Namun, penggabungan Bi ke dalam baja menghadirkan tantangan teknis karena volatilitasnya yang tinggi pada suhu pembuatan baja pada umumnya (sekitar 1500°C), sehingga menyulitkan distribusi yang seragam. Untuk mengatasi masalah ini, produsen internasional telah mengembangkan pendekatan inovatif, seperti menggunakan pelat paduan Bi-Mn dengan titik leleh yang lebih rendah yaitu 1050°C sebagai bahan tambahan. Terlepas dari kemajuan ini, tingkat pemanfaatan Bi tetap relatif rendah, sekitar 20%.
Di bidang baja listrik, produsen baja besar seperti Nippon Steel & Sumitomo Metal, POSCO, dan lainnya telah melaporkan bahwa penambahan Bi secara signifikan dapat meningkatkan sifat magnetik baja silikon berorientasi butir, khususnya nilai B8 (induksi magnetik pada 800 A/m). Khususnya, lebih dari seratus paten baja silikon berorientasi magnetik tinggi yang melibatkan penambahan Bi telah diajukan oleh Nippon Steel & Sumitomo Metal dan JFE. Inovasi-inovasi ini telah menghasilkan nilai induksi magnetik mencapai 1,90T, dengan beberapa kasus luar biasa mencapai 1,99T, yang menandai peningkatan substansial dalam kinerja baja elektrik.
Unsur tanah jarang (REE) mencakup seri lantanida (nomor atom 57-71), serta skandium (21) dan yttrium (39), dengan total 17 unsur. Unsur-unsur ini memiliki sifat kimia yang mirip, sehingga membuat pemisahannya menjadi sulit. Tanah jarang campuran, yang lebih hemat biaya, mengacu pada kombinasi REE yang tidak terpisah.
Dalam produksi baja, REE memiliki banyak fungsi:
REE, bersama dengan Ca, Ti, Zr, Mg, dan Be, sangat efektif dalam memodifikasi inklusi sulfida. Ketika ditambahkan dalam jumlah yang tepat, mereka mengubah inklusi oksida dan sulfida menjadi partikel bola yang kecil dan tersebar. Transformasi ini mengurangi efek merugikan dari mangan sulfida (MnS) dan inklusi lainnya pada sifat baja.
Dalam produksi baja pada umumnya, belerang terdapat terutama sebagai besi sulfida (FeS) dan mangan sulfida (MnS). Kandungan mangan yang tinggi mendorong pembentukan MnS, yang meskipun memiliki titik leleh yang tinggi dan kemampuan untuk mencegah terjadinya shortage panas, namun dapat memanjang selama proses deformasi. Inklusi MnS yang memanjang ini secara signifikan mengurangi plastisitas, ketangguhan, dan kekuatan fatik baja. Penambahan REE sangat penting dalam memodifikasi inklusi ini untuk meningkatkan pemrosesan deformasi.
REE juga meningkatkan ketahanan oksidasi dan korosi baja, melampaui efek silikon, aluminium, dan titanium. REE meningkatkan fluiditas baja, mengurangi inklusi non-logam, dan meningkatkan struktur mikro yang padat dan murni. Peran utama REE dalam baja adalah pemurnian, modifikasi inklusi, dan paduan.
Seiring dengan meningkatnya kontrol kandungan oksigen dan sulfur dalam produksi baja, teknik pemurnian tradisional dan modifikasi inklusi menjadi kurang penting. Namun, teknologi pemurnian baru dan efek paduan yang memanfaatkan REE semakin menonjol. Sebagai contoh, REE meningkatkan ketahanan oksidasi paduan aluminium ferrokrom dan mempertahankan struktur butiran halus pada suhu tinggi. Hal ini menghasilkan peningkatan kekuatan pada suhu tinggi dan masa pakai yang lebih lama secara signifikan pada paduan elektrotermal.
Singkatnya, elemen tanah jarang memainkan peran multifaset dalam produksi baja modern, menawarkan manfaat unik dalam hal kontrol mikrostruktural, modifikasi inklusi, dan peningkatan properti. Aplikasinya terus berkembang seiring dengan kemajuan teknik produksi baja, membuka jalan baru untuk pengembangan baja berkinerja tinggi.
Sebagai pendiri MachineMFG, saya telah mendedikasikan lebih dari satu dekade karier saya untuk industri pengerjaan logam. Pengalaman saya yang luas telah memungkinkan saya untuk menjadi ahli di bidang fabrikasi lembaran logam, permesinan, teknik mesin, dan peralatan mesin untuk logam. Saya terus berpikir, membaca, dan menulis tentang subjek-subjek ini, terus berusaha untuk tetap menjadi yang terdepan di bidang saya. Biarkan pengetahuan dan keahlian saya menjadi aset bagi bisnis Anda.
ID 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR