Kimia: Unsur dan Senyawa Kunci dalam Metalurgi Baja

Definisi dan Sifat Dasar

Kimia dalam konteks industri baja secara luas merujuk pada berbagai unsur dan senyawa kimia yang secara sengaja atau tidak sengaja hadir dalam baja. Kimia ini mempengaruhi mikrostruktur baja, sifat mekanik, ketahanan korosi, dan kinerja keseluruhan. Mereka mencakup elemen paduan yang ditambahkan selama pembuatan baja dan kotoran yang mungkin ada akibat kontaminasi bahan baku atau kondisi proses.

Dari perspektif dasar, "kimia" adalah istilah kolektif daripada spesies kimia tertentu. Namun, dalam praktiknya, sering kali merujuk pada elemen paduan kunci seperti karbon (C), mangan (Mn), kromium (Cr), nikel (Ni), molibdenum (Mo), vanadium (V), dan lainnya, serta senyawa seperti oksida, sulfida, dan karbida yang terbentuk dalam matriks baja.

Dari segi struktur atom atau molekuler, elemen-elemen ini memiliki konfigurasi elektronik yang berbeda yang mempengaruhi perilaku mereka dalam baja. Misalnya, karbon (nomor atom 6) ada terutama sebagai atom interstitial dalam kisi besi, membentuk karbida atau larutan padat. Kromium (nomor atom 24) adalah logam transisi yang mampu membentuk lapisan oksida yang stabil, berkontribusi pada ketahanan korosi.

Secara fisik, sifat-sifat kimia ini bervariasi secara luas. Unsur-unsur murni seperti mangan atau nikel bersifat logam dengan penampilan mengkilap, densitas tinggi, dan titik lebur tertentu. Misalnya, mangan meleleh pada suhu sekitar 1246°C, sementara kromium meleleh pada suhu sekitar 1907°C. Densitas mereka berkisar dari sekitar 7,2 g/cm³ (mangan) hingga 7,19 g/cm³ (kromium). Sifat-sifat ini mempengaruhi bagaimana mereka ditangani selama pembuatan baja dan perilaku mereka pada suhu tinggi.

Keadaan fisik dari kimia ini dalam baja dapat berupa larutan padat, presipitat, inklusi, atau fase terpisah. Distribusi dan bentuk mereka secara signifikan mempengaruhi mikrostruktur dan sifat baja.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Kimia memiliki banyak peran penting dalam metalurgi baja. Mereka memodifikasi mikrostruktur baja, mempengaruhi transformasi fase, dan menentukan sifat mekanik dan kimia. Elemen paduan seperti kromium dan nikel meningkatkan ketahanan korosi dan ketangguhan, sementara karbon terutama mengontrol kekerasan dan kekuatan.

Mereka mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dengan menstabilkan fase tertentu seperti ferit, austenit, martensit, atau karbida. Misalnya, karbon mendorong transformasi martensitik, sementara kromium menstabilkan ferit dan membentuk karbida kromium, mempengaruhi ukuran butir dan distribusi fase.

Kimia juga membantu mengklasifikasikan baja ke dalam berbagai kategori—baja karbon, baja paduan, baja tahan karat—berdasarkan komposisinya. Klasifikasi ini membimbing metode pemrosesan dan aplikasi akhir.

Konteks Sejarah

Pemakaian kimia secara sengaja dalam baja dimulai pada abad ke-19, dengan munculnya baja paduan. Pengembangan baja tahan karat pada awal abad ke-20, terutama dengan penambahan kromium, menandai tonggak penting.

Memahami efek berbagai kimia pada ketahanan korosi, kekuatan, dan duktilitas berkembang melalui penelitian yang luas selama pertengahan abad ke-20. Baja landmark seperti AISI 304 (baja tahan karat austenitik dengan sekitar 18% Cr dan 8% Ni) mencontohkan pentingnya kimia dalam mencapai sifat yang diinginkan.

Keberadaan dalam Baja

Dalam baja biasa, kimia hadir dalam rentang konsentrasi tertentu. Karbon berkisar dari 0,02% dalam baja karbon rendah hingga lebih dari 2% dalam baja karbon tinggi. Elemen paduan seperti mangan (0,3–2%), kromium (hingga 26%), nikel (hingga 20%), molibdenum (0,2–0,5%), dan vanadium (0,1–0,2%) ditambahkan secara sengaja.

Beberapa kimia, seperti sulfur dan fosfor, dianggap sebagai kotoran, sering kali dikendalikan pada tingkat minimal (misalnya, sulfur <0,005%) untuk mencegah efek merugikan. Elemen-elemen ini dapat ada sebagai larutan padat, presipitat, atau inklusi, mempengaruhi sifat baja.

Bentuk kimia dalam baja bervariasi: elemen paduan biasanya berada dalam larutan padat atau terpresipitasi sebagai karbida, nitride, atau oksida, tergantung pada kondisi pemrosesan.

Efek dan Mekanisme Metalurgi

Pengaruh Mikrostruktur

Kimia secara signifikan mempengaruhi ukuran butir, stabilitas fase, dan perilaku transformasi. Misalnya, karbon meningkatkan kemampuan pengerasan dengan menstabilkan martensit, sementara kromium membentuk karbida stabil yang memperhalus batas butir dan menghambat pertumbuhan butir.

Elemen paduan seperti vanadium membentuk karbida halus (VC), yang mengikat batas butir dan meningkatkan kekuatan. Mangan meningkatkan pembentukan austenit dan menurunkan suhu transformasi, mempengaruhi respons perlakuan panas baja.

Interaksi antara kimia sangat kompleks; misalnya, molibdenum secara sinergis meningkatkan ketahanan korosi dan kemampuan pengerasan ketika dikombinasikan dengan kromium dan nikel. Interaksi ini menentukan evolusi mikrostruktur selama pendinginan dan perlakuan panas.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Kimia secara langsung mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan tarik, duktilitas, ketangguhan, dan kekerasan. Peningkatan kandungan karbon umumnya meningkatkan kekuatan dan kekerasan tetapi mengurangi duktilitas.

Ketahanan korosi sangat dipengaruhi oleh kimia seperti kromium, nikel, dan molibdenum. Misalnya, baja tahan karat dengan ≥10,5% Cr membentuk lapisan oksida pasif, memberikan ketahanan korosi yang sangat baik.

Sifat fisik seperti konduktivitas termal dan listrik dipengaruhi oleh kimia; misalnya, elemen paduan seperti molibdenum dan kromium cenderung mengurangi konduktivitas termal.

Dari segi kimia, kimia mempengaruhi perilaku oksidasi; baja kaya kromium membentuk lapisan oksida yang stabil, meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi.

Mekanisme Penguatan

Mekanisme penguatan termasuk penguatan larutan padat, pengerasan presipitat, dan penguatan batas butir. Elemen paduan seperti vanadium dan niobium membentuk presipitat halus (VC, NbC) yang menghambat pergerakan dislokasi, meningkatkan kekuatan.

Dari segi kuantitatif, konsentrasi yang lebih tinggi dari elemen tertentu berkorelasi dengan peningkatan kekuatan; misalnya, penambahan 0,1% vanadium dapat meningkatkan kekuatan luluh sekitar 50 MPa karena pengerasan presipitat.

Perubahan mikrostruktur seperti pembentukan karbida atau nitride bertanggung jawab atas peningkatan sifat ini, sering kali disesuaikan melalui perlakuan panas dan desain paduan.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Sumber alami utama dari kimia ini termasuk bijih mineral seperti hematit, magnetit, kromit, dan bijih mangan. Bahan baku ini menjalani proses pengolahan, peleburan, dan pemurnian untuk menghasilkan bahan berkualitas metalurgi.

Misalnya, kromium diekstraksi dari bijih kromit melalui proses pemanggangan dan pelindian, sementara mangan diperoleh dari bijih mangan melalui reduksi dan elektrolisis.

Ketersediaan global bervariasi; Afrika Selatan, Rusia, dan Kazakhstan adalah produsen utama kromit, sementara China, Afrika Selatan, dan Australia mendominasi pasokan mangan. Pentingnya strategis mereka berasal dari peran kritis mereka dalam memproduksi baja berkinerja tinggi.

Bentuk Penambahan

Kimia ditambahkan dalam berbagai bentuk, termasuk unsur murni, oksida, ferroalloy, atau master alloy. Misalnya, ferokromium (paduan Fe-Cr) digunakan untuk memperkenalkan kromium, sementara feromangan menyediakan mangan.

Persiapan melibatkan proses peleburan dan paduan, sering kali dalam tungku busur listrik atau penamb