Timah (Pb): Perannya dan Dampaknya dalam Metalurgi dan Manufaktur Baja

Definisi dan Sifat Dasar

Timah (Pb) adalah elemen logam yang padat, lunak, dan dapat ditempa dengan nomor atom 82. Ini termasuk dalam Grup 14 (IVA) tabel periodik, yang terletak di antara logam pasca-transisi. Struktur atomnya terdiri dari kisi kristal kubik berpusat muka (FCC), yang memberikan kelembutan dan kelenturan khasnya.

Secara fisik, timah tampak sebagai logam putih kebiruan yang menjadi kusam abu-abu saat terpapar udara. Kerapatannya sekitar 11,34 g/cm³, menjadikannya salah satu logam umum yang paling padat. Titik leleh timah relatif rendah pada 327,46°C (621,43°F), dan memiliki titik didih 1749°C (3180°F). Kerapatan yang tinggi dan titik leleh yang rendah mempengaruhi perilakunya selama pemrosesan baja, terutama dalam paduan dan pembentukan inklusi.

Timah menunjukkan konduktivitas listrik dan termal yang buruk dibandingkan dengan logam lainnya, tetapi ketahanan korosinya sangat mencolok, terutama terhadap asam. Ini relatif lunak, dengan kekerasan Mohs sekitar 1,5, dan dapat dengan mudah terdeformasi di bawah tekanan mekanis. Sifat fisik ini membuat timah cocok untuk peran metalurgi tertentu dalam pembuatan baja, terutama sebagai aditif atau modifikasi kotoran.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Dalam metalurgi baja, timah berfungsi terutama sebagai pelumas dan bantuan pengecoran. Penambahannya mengurangi gesekan selama proses kerja panas seperti penggulungan dan ekstrusi, sehingga meningkatkan hasil akhir permukaan dan mengurangi keausan alat. Timah juga bertindak sebagai deoksidator dan modifikasi terak, mempengaruhi kebersihan dan karakteristik inklusi baja.

Pengaruh timah terhadap perkembangan mikrostruktur adalah halus tetapi signifikan. Ia cenderung terpisah di batas butir atau di dalam inklusi, mempengaruhi pertumbuhan butir dan transformasi fase. Kehadirannya dapat memodifikasi proses pembekuan, menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus dalam beberapa jenis baja tertentu.

Timah digunakan secara sengaja dalam klasifikasi baja tertentu, terutama dalam baja yang mudah diproses, di mana ia meningkatkan kemampuan pemesinan. Inklusi ini membantu menghasilkan baja dengan pembentukan chip yang lebih baik dan mengurangi gaya pemotongan, memfasilitasi operasi pemesinan kecepatan tinggi.

Konteks Sejarah

Penggunaan timah dalam produksi baja dimulai pada awal abad ke-20, dengan perannya menjadi menonjol dalam pengembangan baja yang mudah diproses selama tahun 1920-an dan 1930-an. Awalnya, timah ditambahkan untuk meningkatkan kemampuan pemesinan, tetapi pemahaman awal tentang efeknya terhadap mikrostruktur dan ketahanan korosi berkembang selama beberapa dekade berikutnya.

Perkembangan signifikan terjadi pada tahun 1950-an dan 1960-an, ketika metalurgis menyadari pengaruh timah terhadap morfologi inklusi dan kualitas permukaan. Kelas baja yang terkenal seperti 12L14 yang mudah diproses dan paduan serupa mengandung timah sebagai elemen paduan kunci, menetapkan standar untuk kemampuan pemesinan dan hasil akhir permukaan.

Kejadian dalam Baja

Timah biasanya hadir dalam baja pada konsentrasi berkisar antara 0,15% hingga 0,35% berdasarkan berat dalam baja yang mudah diproses. Ini ditambahkan secara sengaja sebagai elemen paduan untuk meningkatkan kemampuan pemesinan, sering kali dalam bentuk ferrosilicon timah atau sebagai aditif timah dalam baja cair.

Dalam baja, timah ada terutama sebagai inklusi diskrit atau sebagai larutan padat, tergantung pada kondisi pemrosesan. Ia cenderung terpisah di batas butir atau di dalam inklusi non-logam, seperti sulfida atau oksida, mempengaruhi mikrostruktur dan sifat baja.

Timah umumnya dianggap sebagai kotoran dalam baja struktural, di mana keberadaannya diminimalkan atau dihindari. Namun, dalam aplikasi khusus, kandungan timah yang terkontrol sangat penting untuk mencapai kemampuan pemesinan dan kualitas permukaan yang diinginkan.

Efek dan Mekanisme Metalurgi

Pengaruh Mikrostruktur

Timah mempengaruhi mikrostruktur baja terutama melalui perilaku segregasinya selama pembekuan. Ia cenderung berkumpul di daerah interdendritik dan batas butir, bertindak sebagai situs nukleasi untuk pembentukan inklusi. Segregasi ini dapat memperhalus ukuran butir dan mempengaruhi transformasi fase, terutama dalam baja yang mudah diproses.

Kehadiran timah dapat sedikit menurunkan suhu transformasi, mempengaruhi kinetika perubahan fase seperti pembentukan pearlite atau bainite. Ia berinteraksi dengan elemen paduan lainnya seperti sulfur, mangan, dan fosfor, membentuk inklusi kompleks yang mempengaruhi stabilitas mikrostruktur.

Selain itu, segregasi timah di batas butir dapat menghambat pertumbuhan butir selama perlakuan panas, berkontribusi pada mikrostruktur yang lebih halus. Efek ini meningkatkan kemampuan pemesinan dan hasil akhir permukaan tetapi juga dapat mempengaruhi ketangguhan jika tidak dikendalikan dengan baik.

Efek pada Sifat Kunci

Pemasukan timah dalam baja mempengaruhi beberapa sifat kunci:

• Sifat Mekanis: Timah meningkatkan kemampuan pemesinan dengan bertindak sebagai pelumas di antarmuka alat-bahan kerja. Ini mengurangi gaya pemotongan dan keausan alat, memungkinkan kecepatan pemesinan yang lebih tinggi. Namun, timah yang berlebihan dapat mengurangi kelenturan dan ketangguhan, terutama jika terpisah di batas butir.

• Sifat Fisik: Kerapatan tinggi timah berkontribusi pada berat keseluruhan komponen baja, yang mungkin menguntungkan atau merugikan tergantung pada aplikasinya. Titik leleh yang rendah memfasilitasi distribusinya selama pencairan tetapi juga dapat menyebabkan masalah segregasi.

• Sifat Kimia: Timah meningkatkan ketahanan korosi dalam lingkungan tertentu, terutama dalam kondisi asam, dengan membentuk film pelindung atau terpisah di lokasi korosi. Sebaliknya, ia dapat mempromosikan korosi lokal jika hadir dalam konsentrasi tinggi.

• Sifat Magnetik: Timah bersifat diamagnetik dan tidak secara signifikan mempengaruhi sifat magnetik baja, tetapi kehadirannya dapat mempengaruhi permeabilitas magnetik dalam baja tertentu yang khusus.

Mekanisme Penguatan

Kontribusi utama timah terhadap penguatan dalam baja adalah melalui modifikasi mikrostruktur daripada penguatan larutan padat. Segregasinya di batas butir dan inklusi bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, mirip dengan penguatan batas butir.

Secara kuantitatif, penambahan timah pada tingkat yang khas (0,2%) dapat meningkatkan kemampuan pemesinan tanpa secara substansial mengorbankan kekuatan. Namun, konsentrasi yang lebih tinggi dapat menyebabkan kerapuhan atau mengurangi ketangguhan, terutama jika inklusi kaya timah bergabung.

Dari segi mikrostruktur, pembentukan inklusi yang dipicu oleh timah dan segregasi batas butir memperhalus mikrostruktur, menghasilkan hasil akhir permukaan yang lebih baik dan kemampuan pemesinan. Efek ini dimanfaatkan dalam baja yang mudah diproses, di mana keseimbangan antara kekuatan, kelenturan, dan kemampuan pemesinan dicapai melalui kandungan timah yang terkontrol.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Timah diperoleh terutama dari deposit mineral seperti galena (PbS), yang merupakan bijih timah yang paling melimpah. Proses ekstraksi melibatkan pemanggangan galena untuk mengubah sulfida menjadi oksida, diikuti dengan reduksi dalam tungku tiup atau proses peleburan untuk menghasilkan timah logam.

Metode pemurnian termasuk pemurnian elektrolitik dan pemurnian api untuk mencapai tingkat kemurnian tinggi yang cocok untuk aplikasi metalurgi. Secara global, produksi timah terkonsentrasi di negara-negara seperti China, Australia, dan Amerika Serikat, yang memasok industri baja dengan timah kelas metalurgi.

Pentingnya strategis timah dalam pembuatan baja berasal dari perannya dalam meningkatkan kemampuan pemesinan dan kualitas permukaan, menjadikannya aditif yang berharga meskipun ada kekhawatiran lingkungan.

Bentuk Penambahan

Dalam pembuatan