Magnesium: Elemen Paduan Kunci dan Deoksidator dalam Produksi Baja
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Sifat Dasar
Magnesium (Mg) adalah logam alkali tanah yang ringan dengan nomor atom 12. Ia ditandai dengan penampilan putih perak dan termasuk dalam Grup 2 tabel periodik, yang terletak di antara logam alkali tanah. Struktur atom magnesium terdiri dari kisi kristal kubik berpusat tubuh (BCC), dengan setiap atom dikelilingi oleh delapan tetangga terdekat, yang berkontribusi pada kekuatan dan duktilitasnya yang moderat.
Dalam bentuk murninya, magnesium menunjukkan densitas sekitar 1,738 g/cm³, menjadikannya salah satu logam struktural teringan yang digunakan dalam industri. Titik lelehnya adalah 650°C, dan titik didihnya adalah 1090°C. Magnesium sangat reaktif, terutama pada suhu tinggi, dan mudah teroksidasi di udara, membentuk lapisan oksida pelindung yang memberikan ketahanan terhadap korosi. Sifat fisiknya, termasuk konduktivitas termal dan listrik yang baik, densitas rendah, dan kemudahan dalam pemesinan, menjadikannya berharga dalam berbagai aplikasi, termasuk pembuatan baja.
Peran dalam Metalurgi Baja
Fungsi Utama
Magnesium memainkan peran penting dalam metalurgi baja terutama sebagai deoksidator dan desulfurizer. Ia secara efektif menghilangkan oksigen dan sulfur dari baja cair, membentuk inklusi magnesium oksida (MgO) dan magnesium sulfida (MgS) yang stabil, yang lebih mudah untuk dikendalikan dan dihilangkan. Ini menghasilkan baja yang lebih bersih dengan sifat mekanik yang lebih baik.
Selain itu, magnesium mempengaruhi perkembangan mikrostruktur baja dengan memodifikasi karakteristik inklusi dan memperhalus ukuran butir. Ia mendorong pembentukan inklusi non-logam yang berbentuk bulat dan kurang merugikan terhadap ketangguhan. Penambahan magnesium juga dapat membantu mengendalikan pembentukan fase tertentu, seperti karbida dan nitride, sehingga mempengaruhi klasifikasi dan kinerja baja.
Konteks Sejarah
Penggunaan magnesium dalam pembuatan baja dimulai pada awal abad ke-20, awalnya sebagai deoksidator untuk meningkatkan kebersihan baja. Efektivitasnya dalam mengendalikan kandungan sulfur dan oksigen menyebabkan adopsi yang luas selama pertengahan 1900-an, terutama dalam baja paduan berkualitas tinggi. Seiring waktu, pemahaman tentang pengaruhnya terhadap morfologi inklusi dan penyempurnaan mikrostruktur berkembang, yang mengarah pada pengoptimalan kelas baja.
Perkembangan signifikan termasuk pengenalan baja yang diperlakukan magnesium dalam produksi baja paduan rendah kekuatan tinggi (HSLA) dan baja tahan karat. Kelas baja penting seperti AISI 4140 dan jenis baja tahan karat tertentu mengandung magnesium untuk meningkatkan ketangguhan dan ketahanan korosi, masing-masing.
Keberadaan dalam Baja
Magnesium biasanya hadir dalam baja pada konsentrasi berkisar antara 0,005% hingga 0,05% berdasarkan berat, tergantung pada kelas baja dan sifat yang diinginkan. Ia sengaja ditambahkan selama pembuatan baja, sering kali dalam bentuk magnesium ferrosilicide (Mg₂Si) atau bubuk magnesium, untuk mencapai kontrol inklusi dan efek mikrostruktur tertentu.
Dalam baja, magnesium ada terutama dalam bentuk inklusi MgO dan MgS yang halus dan bulat, yang tersebar di seluruh matriks. Inklusi ini berfungsi sebagai situs nukleasi untuk penyempurnaan butir dan mempengaruhi sifat mekanik. Magnesium umumnya dianggap sebagai elemen paduan yang menguntungkan daripada sebagai kotoran, asalkan tingkatnya dikendalikan dengan hati-hati.
Efek dan Mekanisme Metalurgi
Pengaruh Mikrostruktur
Magnesium mempengaruhi mikrostruktur baja terutama melalui modifikasi inklusi dan penyempurnaan butir. Penambahannya menghasilkan pembentukan inklusi MgO dan MgS yang bulat, yang bertindak sebagai situs nukleasi yang efektif selama pembekuan, menghasilkan struktur butir yang lebih halus.
Ia juga mempengaruhi suhu transformasi, seperti titik Ac₃ dan Ms, dengan mengubah stabilitas fase seperti ferit, perlit, dan bainit. Magnesium dapat memodifikasi kinetika transformasi fase, mendorong mikrostruktur yang diinginkan untuk aplikasi tertentu.
Interaksi dengan elemen paduan lainnya, seperti aluminium, kalsium, dan sulfur, sangat penting. Misalnya, magnesium dapat membentuk inklusi kompleks dengan aluminium dan kalsium, lebih lanjut memperhalus morfologi inklusi dan meningkatkan kebersihan baja.
Efek pada Sifat Kunci
Kehadiran magnesium meningkatkan sifat mekanik dengan mempromosikan mikrostruktur yang lebih halus, yang meningkatkan kekuatan dan ketangguhan. Inklusi bulat mengurangi titik konsentrasi stres, meningkatkan duktilitas dan ketahanan benturan.
Secara fisik, magnesium sedikit meningkatkan konduktivitas termal baja dan dapat mempengaruhi sifat magnetik, terutama pada baja tahan karat. Secara kimia, magnesium meningkatkan ketahanan korosi dengan mengendalikan kimia inklusi dan mengurangi pembentukan inklusi sulfida yang merugikan yang mendorong pitting.
Mekanisme Penguatan
Mekanisme penguatan utama yang terkait dengan magnesium melibatkan rekayasa inklusi dan penyempurnaan butir. Inklusi MgO dan MgS yang halus dan bulat menghambat pergerakan dislokasi, berkontribusi pada peningkatan kekuatan hasil.
Penyempurnaan mikrostruktur akibat situs nukleasi yang diinduksi magnesium menghasilkan ukuran butir yang lebih kecil, yang menurut hubungan Hall-Petch, meningkatkan kekuatan dan ketangguhan. Hubungan kuantitatif menunjukkan bahwa peningkatan kandungan magnesium dalam rentang optimal dapat meningkatkan kekuatan tarik beberapa poin persentase, tergantung pada kelas baja.
Metode Produksi dan Penambahan
Sumber Alami
Magnesium sebagian besar diperoleh dari sumber mineral seperti magnesit (MgCO₃), dolomit (CaMg(CO₃)₂), dan karnalit (KMgCl₃·6H₂O). Mineral-mineral ini diproses melalui kalsinasi dan reduksi selanjutnya untuk menghasilkan magnesium oksida (MgO) atau logam magnesium.
Metode pemurnian termasuk elektrolisis larutan magnesium klorida (dari air laut atau air garam) atau reduksi termal MgO dengan ferrosilikon atau agen reduksi lainnya. Secara global, negara-negara seperti China, Rusia, dan Amerika Serikat adalah produsen utama, dengan magnesium menjadi elemen yang strategis penting untuk pembuatan baja.
Bentuk Penambahan
Magnesium ditambahkan ke baja dalam berbagai bentuk, termasuk magnesium ferrosilicide (Mg₂Si), bubuk magnesium, atau paduan induk yang mengandung magnesium. Mg₂Si adalah yang paling umum karena kemudahan penanganan dan pelepasan magnesium yang terkontrol selama pembuatan baja.
Persiapan melibatkan peleburan dan paduan senyawa magnesium dengan bahan yang kaya besi atau silikon untuk menghasilkan penambahan yang stabil. Tingkat pemulihan tinggi, sering kali melebihi 95%, dengan hasil tergantung pada kontrol proses dan kimia terak.
Waktu dan Metode Penambahan
Magnesium biasanya diperkenalkan selama tahap pemurnian ladle, setelah peleburan primer, untuk memungkinkan kontrol yang tepat atas efeknya. Penambahan magnesium pada tahap ini memastikan distribusi yang lebih baik dan modifikasi inklusi.
Metode termasuk menyuntikkan magnesium ferrosilicide langsung ke dalam baja cair atau menambahkan bubuk magnesium dengan pengadukan untuk mempromosikan distribusi yang homogen. Waktu dan pengadukan yang tepat sangat penting untuk mencegah reaksi lokal dan memastikan mikrostruktur yang seragam.
Kontrol Kualitas
Verifikasi penambahan magnesium melibatkan analisis spektroskopi sampel baja, menggunakan metode seperti spektroskopi emisi optik (OES) atau analisis plasma yang dikopel induktif (ICP). Teknik-teknik ini mengukur kandungan magnesium dengan akurat.
Memantau morfologi inklusi melalui mikroskopi dan menganalisis kimia inklusi melalui mikroskop elektron pemindaian (SEM) membantu menilai efektivitas penambahan magnesium. Kontrol proses termasuk menyesuaikan kimia terak dan suhu untuk mengoptimalkan efek metalurgi magnesium.
Rentang Konsentrasi dan Efek yang Umum
| Klasifikasi Baja | Rentang Konsentrasi Umum | Tujuan Utama | Efek Kunci |
|---|---|---|---|