Kromium (Cr): Unsur Alloying yang Penting untuk Ketahanan Korosi Baja

Definisi dan Sifat Dasar

Chromium (Cr) adalah logam transisi dengan nomor atom 24, yang termasuk dalam Grup 6 tabel periodik. Logam ini ditandai dengan kekerasannya yang luar biasa, titik lebur yang tinggi, dan ketahanan terhadap korosi, menjadikannya elemen paduan yang penting dalam produksi baja. Struktur atom chromium memiliki kisi kristal kubik berpusat badan (BCC), dengan elektron yang tersusun dalam konfigurasi [Ar]3d^5 4s^1, yang memberikan sifat kimia dan fisik yang khas.

Dalam bentuk murninya, chromium tampak sebagai logam abu-abu baja yang berkilau dengan permukaan yang mengkilap dan reflektif. Logam ini memiliki densitas sekitar 7,19 g/cm³, titik lebur 1907°C, dan titik didih 2671°C. Titik lebur dan kekerasannya yang tinggi berkontribusi pada stabilitasnya pada suhu tinggi, yang sangat penting dalam proses pembuatan baja. Chromium juga terkenal karena ketahanan korosinya yang tinggi, terutama di lingkungan yang mengoksidasi, karena pembentukan lapisan oksida tipis yang melekat pada permukaannya.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Peran utama chromium dalam metalurgi baja adalah untuk meningkatkan ketahanan korosi, kekerasan, dan stabilitas pada suhu tinggi. Chromium bertindak sebagai elemen paduan yang kuat yang membentuk oksida chromium yang stabil, yang melindungi baja dari oksidasi dan korosi. Sifat ini sangat penting dalam produksi baja tahan karat dan paduan tahan korosi lainnya.

Dari segi pengembangan mikrostruktur, chromium mendorong pembentukan karbida dan larutan padat yang memperhalus ukuran butir dan meningkatkan sifat mekanik. Chromium mempengaruhi transformasi fase, menstabilkan konstituen mikrostruktural tertentu seperti ferrit dan martensit, yang penting untuk mencapai kekuatan dan ketangguhan yang diinginkan.

Chromium berperan penting dalam mendefinisikan klasifikasi baja, terutama baja tahan karat, di mana kandungannya biasanya melebihi 10,5%. Kehadirannya menentukan apakah baja diklasifikasikan sebagai ferritik, martensitik, atau austenitik, masing-masing dengan sifat yang berbeda sesuai untuk berbagai aplikasi.

Konteks Sejarah

Penggunaan chromium dalam baja dimulai pada awal abad ke-20, dengan kemajuan signifikan terjadi selama tahun 1910-an dan 1920-an. Pengembangan baja tahan karat pada tahun 1910-an, terutama kelas Austenitik 18-8 (304), menandai tonggak penting dalam menunjukkan manfaat metalurgi chromium.

Seiring waktu, pemahaman tentang efek chromium terhadap ketahanan korosi dan mikrostruktur berkembang melalui penelitian dan percobaan industri yang luas. Kelas baja landmark seperti 410, 430, dan 316 menunjukkan fleksibilitas penambahan chromium, yang mengarah pada adopsi luas di sektor-sektor yang membutuhkan daya tahan tinggi dan ketahanan korosi.

Keberadaan dalam Baja

Chromium biasanya ditambahkan ke baja dalam konsentrasi berkisar antara 0,5% hingga lebih dari 30%, tergantung pada sifat yang diinginkan. Dalam baja paduan rendah, tingkat chromium sekitar 0,5–2%, terutama untuk meningkatkan ketahanan korosi dan kemampuan pengerasan. Dalam baja tahan karat, kandungan chromium biasanya melebihi 10,5%, sering mencapai 18–20% untuk kelas standar.

Chromium dapat diperkenalkan ke dalam baja sebagai penambahan paduan yang disengaja atau sebagai kotoran dalam limbah daur ulang. Chromium ada terutama dalam larutan padat dalam matriks baja, membentuk karbida atau oksida chromium yang stabil, atau sebagai bagian dari inklusi kompleks. Distribusi dan bentuknya sangat mempengaruhi mikrostruktur dan sifat baja.

Efek Metalurgi dan Mekanisme

Pengaruh Mikrostruktur

Chromium mempengaruhi mikrostruktur dengan menstabilkan fase ferritik dan martensitik, tergantung pada konsentrasi dan perlakuan panasnya. Chromium mendorong pembentukan karbida kaya chromium (Cr_23C_6, Cr_7C_3), yang berkontribusi pada pengerasan sekunder dan ketahanan aus.

Chromium mempengaruhi suhu transformasi, secara signifikan menurunkan suhu transformasi austenit menjadi ferrit, sehingga memungkinkan produksi baja ferritik pada laju pendinginan yang lebih rendah. Chromium juga berinteraksi dengan elemen paduan lainnya seperti molibdenum dan nikel, memodifikasi stabilitas fase dan kinetika.

Afinitas chromium terhadap oksigen menyebabkan pembentukan lapisan oksida pelindung, yang mempengaruhi mikrostruktur permukaan dan perilaku korosi. Interaksinya dengan karbon menghasilkan presipitasi karbida, yang mempengaruhi kekuatan batas butir dan ketangguhan.

Efek pada Sifat Kunci

Chromium meningkatkan ketahanan korosi dengan membentuk film oksida chromium yang stabil dan pasif (Cr_2O_3) pada permukaan baja, yang mencegah oksidasi lebih lanjut. Efek ini sangat penting di lingkungan yang terpapar kelembapan, asam, dan suhu tinggi.

Dari segi mekanis, chromium meningkatkan kekerasan dan kekuatan tarik melalui penguatan larutan padat dan presipitasi karbida. Chromium meningkatkan ketahanan aus dan umur lelah, terutama dalam aplikasi dengan stres tinggi.

Dari segi fisik, keberadaan chromium dapat sedikit mengurangi konduktivitas termal dan listrik karena peningkatan hamburan elektron dan fonon. Chromium juga mempengaruhi sifat magnetik, dengan kandungan chromium yang lebih tinggi umumnya mengurangi permeabilitas magnetik.

Dari segi kimia, chromium meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi, menjadikannya penting dalam baja suhu tinggi seperti paduan tahan panas dan superalloy.

Mekanisme Penguatan

Chromium berkontribusi pada penguatan terutama melalui penguatan larutan padat dan pengerasan presipitasi. Sebagai solut, atom chromium mendistorsi kisi baja, menghambat pergerakan dislokasi dan meningkatkan kekuatan hasil.

Presipitasi karbida chromium di batas butir dan dalam matriks lebih lanjut meningkatkan kekuatan dan kekerasan. Hubungan kuantitatif menunjukkan bahwa peningkatan kandungan chromium hingga ambang tertentu berkorelasi dengan peningkatan kekuatan dan ketahanan korosi, tetapi tingkat yang berlebihan dapat menyebabkan kerapuhan atau segregasi karbida.

Dari segi mikrostruktur, pembentukan karbida halus yang terdistribusi secara merata dan film oksida meningkatkan ketahanan baja terhadap deformasi dan propagasi retak, sehingga meningkatkan daya tahan secara keseluruhan.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Chromium terutama diperoleh dari bijih kromit (FeCr_2O_4), yang ditambang secara luas di negara-negara seperti Afrika Selatan, Kazakhstan, India, dan Turki. Proses ekstraksi melibatkan pengolahan, diikuti dengan peleburan dalam tungku busur listrik atau tungku busur terendam untuk memproduksi paduan ferrochromium.

Proses pemurnian mencakup pelindian, elektrowinning, dan paduan untuk menghasilkan logam chromium murni yang cocok untuk pembuatan baja. Pasokan global chromium sangat signifikan secara strategis, dengan faktor geopolitik yang mempengaruhi ketersediaan dan harga.

Bentuk Penambahan

Dalam pembuatan baja, chromium paling sering ditambahkan sebagai paduan ferrochromium, yang mengandung 50–70% chromium. Paduan ini dilebur langsung ke dalam bak baja, memberikan cara yang terkontrol dan efisien untuk memperkenalkan chromium.

Logam chromium murni juga dapat ditambahkan dalam bentuk bubuk atau granula, terutama dalam aplikasi khusus yang memerlukan kontrol yang tepat. Oksida chromium (Cr_2O_3) kurang umum tetapi dapat digunakan dalam proses pelapisan atau paduan tertentu.

Tingkat pemulihan chromium selama pembuatan baja tinggi, sering melebihi 95%, terutama ketika ferrochromium digunakan. Hasil tergantung pada komposisi paduan, kondisi tungku, dan kimia terak.

Waktu dan Metode Penambahan

Chromium biasanya ditambahkan selama tahap peleburan atau pemurnian, setelah bak baja mencapai suhu yang diinginkan. Waktu penambahan memastikan pencampuran yang menyeluruh dan distribusi yang merata.

Dalam proses tungku busur listrik (EAF) atau tungku oksigen dasar (BOF), ferrochromium diperkenalkan melalui tuyeres atau ladle, dengan pengadukan untuk mempromosikan homogenitas. Waktu penambahan yang tepat mem