Ferrochrome: Unsur Paduan Penting dalam Produksi Baja

Definisi dan Sifat Dasar

Ferrochrome (FeCr) adalah ferroalloy yang terdiri terutama dari besi (Fe) dan kromium (Cr). Ini diproduksi dengan mengaloy kromium dengan besi, biasanya melalui peleburan bijih kromit dalam tungku busur listrik. Ferrochrome berfungsi sebagai aditif penting dalam pembuatan baja, memberikan ketahanan terhadap korosi dan kekerasan.

Secara struktural, ferrochrome adalah aloi dengan struktur kristalin logam di mana atom kromium terlarut dalam matriks besi. Komposisi atomnya bervariasi tergantung pada kelasnya tetapi umumnya mengandung 50-70% kromium berdasarkan berat, dengan sisanya adalah besi dan kotoran minor.

Secara fisik, ferrochrome tampak sebagai bahan granular atau berbongkah yang berwarna abu-abu logam. Ia memiliki densitas tinggi, biasanya sekitar 6,7–7,2 g/cm³, karena konstituen metaliknya. Titik lelehnya berkisar antara 1700°C hingga 1900°C, tergantung pada komposisi spesifiknya, menjadikannya cocok untuk proses pembuatan baja suhu tinggi.

Ferrochrome menunjukkan konduktivitas listrik dan termal yang baik, karakteristik dari aloi logam. Ia tahan terhadap oksidasi pada suhu tinggi tetapi dapat teroksidasi di hadapan udara pada suhu tinggi, membentuk oksida kromium. Ketahanan fisiknya dan titik leleh yang tinggi menjadikannya komponen penting dalam industri baja.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Peran utama ferrochrome dalam metalurgi baja adalah sebagai sumber kromium yang meningkatkan ketahanan terhadap korosi, kekerasan, dan kekuatan suhu tinggi. Ia ditambahkan selama pembuatan baja untuk menghasilkan baja tahan karat dan baja aloi lainnya dengan daya tahan yang lebih baik.

Ini mempengaruhi mikrostruktur baja dengan menstabilkan karbida dan mendorong pembentukan fase tertentu seperti martensit atau ferrit, tergantung pada kondisi pengaloyan. Kromium dari ferrochrome membentuk karbida dan oksida kromium yang stabil, yang berkontribusi pada sifat baja.

Ferrochrome membantu mendefinisikan klasifikasi baja, terutama dalam baja tahan karat (misalnya, 304, 316) di mana kandungan kromium minimum (biasanya di atas 10,5%) sangat penting. Penambahannya memungkinkan produksi berbagai kelas baja dengan ketahanan korosi dan sifat mekanik yang disesuaikan.

Konteks Sejarah

Penggunaan ferrochrome dalam pembuatan baja dimulai pada awal abad ke-20, bertepatan dengan pengembangan baja tahan karat. Munculnya teknologi tungku busur listrik pada tahun 1950-an secara signifikan meningkatkan produksi ferrochrome dan integrasinya ke dalam pembuatan baja.

Kemajuan dalam pemahaman efek metalurgi dari kromium mengarah pada komposisi aloi dan teknik pemrosesan yang dioptimalkan. Kelas baja landmark seperti AISI 304 dan 316, yang diperkenalkan pada pertengahan abad ke-20, menunjukkan pentingnya ferrochrome dalam mencapai baja tahan karat.

Keberadaan dalam Baja

Ferrochrome biasanya ditambahkan dalam konsentrasi berkisar antara 0,5% hingga 20% berdasarkan berat, tergantung pada kelas baja. Dalam baja tahan karat, kandungan kromium biasanya antara 10,5% dan 26%, dengan ferrochrome sebagai sumber kromium utama.

Dalam banyak kasus, ferrochrome ditambahkan secara sengaja untuk mencapai efek pengaloyan yang diinginkan. Namun, dalam beberapa kasus, kromium residu dari bahan baku dapat dianggap sebagai kotoran, terutama dalam baja aloi rendah atau baja karbon.

Di dalam matriks baja, kromium dari ferrochrome ada terutama dalam larutan padat atau sebagai presipitat stabil, seperti karbida kromium, tergantung pada sejarah termal dan komposisi aloi.

Efek Metalurgi dan Mekanisme

Pengaruh Mikrostruktur

Kromium dari ferrochrome mempengaruhi perbaikan butir dengan menstabilkan mikrostruktur ferritik atau martensitik, tergantung pada laju pendinginan dan kondisi pengaloyan. Ia meningkatkan suhu transformasi, seperti suhu Ms (martensite start) dan Ac (austenite), yang mempengaruhi respons perlakuan panas.

Kromium berinteraksi dengan elemen pengaloy lainnya seperti karbon, molibdenum, dan nikel, membentuk karbida dan oksida kompleks yang memodifikasi stabilitas fase dan evolusi mikrostruktur. Interaksi ini mempengaruhi kekerasan, ketangguhan, dan ketahanan korosi baja.

Dalam baja tahan karat, kromium mendorong pembentukan lapisan oksida kromium pasif di permukaan, yang sangat penting untuk ketahanan terhadap korosi. Ia juga mempengaruhi pembentukan fase ferritik atau martensitik yang stabil, tergantung pada strategi pengaloyan.

Efek pada Sifat Kunci

Kromium meningkatkan sifat mekanik seperti kekuatan, kekerasan, dan ketahanan aus, terutama dalam baja tahan karat dan baja aloi tinggi. Ia juga meningkatkan ketahanan korosi dengan membentuk film oksida pelindung, menjadikan baja cocok untuk lingkungan yang agresif.

Secara fisik, kromium berkontribusi pada sifat magnetik baja, terutama pada kelas ferritik, dan mempengaruhi konduktivitas termal dan listrik, meskipun efek ini sekunder dibandingkan dengan manfaat terkait korosinya.

Kimiawi, kromium meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi, memungkinkan baja untuk bertahan dalam atmosfer oksidatif selama layanan. Ia juga memberikan beberapa derajat ketahanan terhadap korosi pitting dan celah, yang penting untuk aplikasi maritim dan kimia.

Mekanisme Penguatan

Kromium berkontribusi pada penguatan terutama melalui penguatan larutan padat dan pengerasan presipitat. Pelarutannya dalam matriks besi menghambat pergerakan dislokasi, meningkatkan kekuatan hasil.

Karbida kromium mengendap di batas butir, memberikan efek penahan yang menghambat pertumbuhan butir dan meningkatkan ketahanan creep. Hubungan kuantitatif menunjukkan bahwa peningkatan kandungan kromium berkorelasi dengan kekuatan tarik dan kekerasan yang lebih tinggi, hingga batas kelarutan.

Dari segi mikrostruktur, pembentukan karbida dan oksida kaya kromium memperhalus ukuran butir dan menstabilkan fase, yang lebih berkontribusi pada kekuatan dan daya tahan.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Bijih kromit (FeCr₂O₄) adalah sumber alami utama kromium. Ini ditambang secara luas di negara-negara seperti Afrika Selatan, Kazakhstan, India, dan Turki.

Ekstraksi melibatkan pengolahan untuk memusatkan kromit, diikuti dengan peleburan dalam tungku busur listrik dengan sumber karbon seperti kokas atau batubara. Proses ini mengurangi kromit menjadi ferrochrome, yang kemudian disempurnakan untuk mencapai komposisi yang diinginkan.

Ketersediaan global kromit dan ferrochrome sangat penting untuk produksi baja, dengan pentingnya strategis terkait dengan stabilitas pasokan dan faktor geopolitik.

Bentuk Penambahan

Ferrochrome biasanya ditambahkan sebagai aloi cair selama pembuatan baja, baik langsung ke dalam tungku atau melalui penambahan ladle. Ini dapat disuplai dalam berbagai kelas, seperti ferrochrome karbon tinggi (HCFeCr) atau charge chrome, tergantung pada kandungan kromium.

Persiapan melibatkan peleburan dan pengaloyan dalam tungku busur listrik, dengan kontrol yang hati-hati untuk mencegah kehilangan oksidasi. Tingkat pemulihan umumnya tinggi, sering kali melebihi 95%, tetapi tergantung pada kondisi proses.

Waktu dan Metode Penambahan

Ferrochrome biasanya ditambahkan selama tahap peleburan, baik pada muatan tungku atau selama pemurnian, untuk memastikan distribusi yang merata. Waktu penambahan sangat penting untuk memungkinkan pengaloyan dan pembentukan fase yang tepat.

Distribusi homogen dicapai melalui pengadukan atau agitasi elektromagnetik, memastikan kandungan kromium yang konsisten di seluruh baja. Penjadwalan yang tepat meminimalkan kehilangan kromium akibat oksidasi atau terjebaknya terak.

Kontrol Kualitas

Analisis kimia melalui spektrometri atau kimia basah memverifikasi kandungan kromium dalam ferrochrome dan baja akhir. Pengambilan sampel selama proses memastikan tingkat penambahan memenuhi spesifikasi.

Teknik seperti analisis termogravimetri dan analisis terak membantu mendet