Mangan (Mn): Unsur Paduan Penting dalam Produksi Baja

Definisi dan Sifat Dasar

Mangan (Mn) adalah logam transisi dengan nomor atom 25, yang terletak di Grup 7 tabel periodik. Logam ini ditandai dengan penampilan abu-abu perak, kekerasan tinggi, dan kerapuhan dalam bentuk murni. Sebagai unsur, mangan menunjukkan beberapa keadaan oksidasi, terutama +2, +3, +4, +6, dan +7, dengan +2 dan +4 yang paling relevan dalam metalurgi baja.

Secara fisik, mangan adalah logam keras dan rapuh dengan densitas sekitar 7,43 g/cm³. Titik lelehnya sekitar 1244°C, dan titik didihnya mendekati 2095°C. Sifat fisik mangan membuatnya cocok untuk paduan, karena dapat dimasukkan ke dalam baja tanpa volatilitas atau ketidakstabilan fase yang signifikan.

Dalam keadaan alaminya, mangan terjadi terutama sebagai oksida dan silikat, dengan mineral yang paling umum adalah pirolusit (MnO₂). Ekstraksi industri melibatkan penambangan bijih mangan, diikuti oleh proses pengolahan dan pemurnian untuk menghasilkan paduan atau senyawa mangan berkualitas tinggi yang cocok untuk pembuatan baja.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Mangan memainkan peran penting sebagai unsur paduan dalam baja, terutama berfungsi sebagai deoksidator dan desulfurizer. Mangan meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan, dan ketangguhan baja dengan mempengaruhi perkembangan mikrostruktur selama pendinginan dan perlakuan panas.

Ini mendorong pembentukan fase austenit dan ferrit yang stabil, sehingga memperhalus ukuran butir dan meningkatkan sifat mekanik. Mangan juga membantu mengontrol pembentukan inklusi yang tidak diinginkan dan mengurangi risiko kerentanan panas dengan memodifikasi kimia terak.

Dalam klasifikasi baja, mangan sangat penting untuk memproduksi berbagai kelas, termasuk baja karbon, baja paduan, dan baja paduan rendah kekuatan tinggi (HSLA). Kehadirannya menentukan sifat tertentu seperti ketahanan aus, duktilitas, dan kemampuan pengelasan.

Konteks Sejarah

Penggunaan mangan dalam produksi baja dimulai pada akhir abad ke-19, ketika diakui akan efek menguntungkannya terhadap kualitas baja. Awalnya, mangan ditambahkan sebagai kotoran minor, tetapi pengaruh positifnya terhadap kemampuan pengerasan dan ketangguhan menyebabkan praktik paduan yang disengaja.

Perkembangan signifikan terjadi pada awal abad ke-20 dengan munculnya paduan yang terkontrol, memungkinkan produksi baja struktural berkualitas tinggi. Pengembangan baja kaya mangan, seperti baja Hadfield (baja austenitik tinggi mangan), menunjukkan pentingnya dalam aplikasi khusus seperti rel kereta api dan pelindung.

Sepanjang abad ke-20, penelitian menjelaskan mekanisme mangan dalam pengendalian mikrostruktur, yang mengarah pada strategi penambahan yang dioptimalkan dan pengembangan kelas baja canggih dengan sifat yang disesuaikan.

Keberadaan dalam Baja

Dalam komposisi baja yang khas, konsentrasi mangan berkisar antara 0,3% hingga 2,0% berdasarkan berat, tergantung pada kelas baja dan aplikasi yang dimaksudkan. Untuk baja karbon standar, mangan ditambahkan secara sengaja untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan.

Dalam beberapa kasus, mangan muncul sebagai kotoran, terutama dalam baja daur ulang, di mana kandungan mangan residu dapat mempengaruhi sifat. Dalam baja, mangan ada terutama dalam larutan padat, tetapi juga dapat membentuk sulfida dan oksida mangan, yang dapat bertindak sebagai inklusi yang mempengaruhi kebersihan baja.

Efek dan Mekanisme Metalurgi

Pengaruh Mikrostruktur

Mangan secara signifikan mempengaruhi transformasi fase dalam baja. Ini menstabilkan austenit pada suhu yang lebih tinggi, sehingga meningkatkan kemampuan pengerasan. Selama pendinginan, mangan menunda transformasi austenit menjadi perlit atau bainit, memungkinkan pengembangan mikrostruktur yang terkontrol.

Ini juga mempengaruhi suhu transformasi fase, seperti titik Ms (martensite start) dan Mf (martensite finish), memungkinkan kontrol yang tepat atas proses perlakuan panas. Mangan berinteraksi dengan unsur paduan lainnya seperti karbon, kromium, dan molibdenum, memodifikasi efek mereka pada mikrostruktur.

Lebih lanjut, mangan mendorong pembentukan karbida dan sulfida yang halus dan stabil, yang dapat mempengaruhi kekuatan batas butir dan ketangguhan. Kehadirannya mengurangi kemungkinan pertumbuhan butir selama pemrosesan suhu tinggi, menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Dari segi mekanis, mangan meningkatkan kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan ketangguhan, terutama pada baja yang dikuatkan dan dipanaskan. Ini meningkatkan duktilitas dan ketahanan benturan, menjadikan baja lebih tahan terhadap beban dinamis.

Dari segi fisik, mangan meningkatkan konduktivitas termal dan permeabilitas magnet baja, yang sangat penting dalam aplikasi listrik dan magnetik. Ini juga mempengaruhi ketahanan korosi; baja kaya mangan cenderung memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap bentuk korosi tertentu, terutama ketika dikombinasikan dengan unsur paduan lainnya.

Dari segi kimia, mangan mengurangi kecenderungan untuk kerentanan panas dengan mengikat sulfur sebagai sulfida mangan, yang kurang merugikan dibandingkan sulfida besi. Ini meningkatkan kemampuan pengelasan dan mengurangi retak selama pengerjaan panas.

Mekanisme Penguatan

Mangan berkontribusi pada penguatan baja terutama melalui penguatan larutan padat dan pengerasan presipitasi. Atom-atomnya mendistorsi kisi kristal, menghambat pergerakan dislokasi dan meningkatkan kekuatan luluh.

Presipitasi karbida mangan (Mn₃C) selama perlakuan panas lebih lanjut meningkatkan kekuatan dan kekerasan. Hubungan antara kandungan mangan dan kekuatan umumnya linier dalam rentang tertentu, dengan tingkat mangan yang lebih tinggi berkorelasi dengan peningkatan kemampuan pengerasan dan kekuatan.

Dari segi mikrostruktur, pengaruh mangan pada pemurnian butir dan stabilitas fase menghasilkan baja dengan sifat mekanik yang unggul, terutama dalam aplikasi berkinerja tinggi.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Mangan diperoleh terutama dari deposit mineral seperti pirolusit (MnO₂), psilomelane, dan oksida mangan lainnya. Ekstraksi melibatkan penambangan, penghancuran, dan proses pengolahan untuk memusatkan bijih mangan.

Metode pemurnian termasuk pengeringan, pelindian, dan elektrolisis untuk menghasilkan paduan ferromangan dan silikomangan. Paduan ini berfungsi sebagai sumber utama untuk pembuatan baja, menawarkan bentuk yang nyaman untuk penambahan paduan.

Sumber daya mangan global melimpah, dengan produsen utama termasuk Afrika Selatan, Australia, China, dan Gabon. Pentingnya strategis mangan berasal dari perannya yang penting dalam produksi baja dan cadangannya yang terbatas serta sensitif secara geopolitik.

Bentuk Penambahan

Dalam pembuatan baja, mangan ditambahkan terutama sebagai paduan ferromangan (FeMn) atau silikomangan (SiMn). Ferroalloy ini mengandung kandungan mangan yang bervariasi, biasanya 70-80% Mn, dan diproduksi melalui proses peleburan.

Logam mangan murni kurang umum digunakan karena biaya, tetapi dapat digunakan dalam aplikasi khusus. Oksida mangan jarang ditambahkan secara langsung tetapi dapat digunakan dalam proses pemurnian tertentu.

Penanganan memerlukan kontrol yang hati-hati untuk mencegah oksidasi dan kehilangan selama peleburan. Ferroalloy biasanya ditambahkan di dalam tungku atau ladle selama pemurnian, memastikan pelarutan yang efisien dan distribusi yang merata.

Waktu dan Metode Penambahan

Mangan umumnya diperkenalkan selama tahap peleburan, baik di dalam tungku (BOF, EAF) atau selama pemurnian ladle. Waktu ini memastikan pelarutan lengkap dan distribusi yang homogen.

Menambahkan mangan lebih awal dalam proses memungkinkan ia bereaksi dengan sulfur dan oksigen, membentuk sulfida dan oksida yang stabil. Ini meningkatkan kebersihan baja dan pengendalian mikrostruktur.

Teknik homogenisasi, seperti pengadukan atau agitasi elektromagnetik, digunakan untuk mencapai distribusi mangan yang merata, yang penting untuk sifat yang konsisten.

Kontrol Kualitas

Teknik analitis seperti spektrometri emisi optik (OES), plasma yang diinduksi secara kopel (ICP), dan fluoresensi