Metalloid: Kunci Metalloid dalam Paduan Baja dan Proses Manufaktur

Definisi dan Sifat Dasar

Metaloid adalah elemen metaloid yang ditandai dengan sifat-sifat yang berada di antara logam dan non-logam. Dalam konteks metalurgi baja, ini sering merujuk pada elemen seperti silikon (Si), boron (B), atau germanium (Ge), yang menunjukkan perilaku metaloid dan mempengaruhi sifat baja secara signifikan. Elemen-elemen ini memiliki struktur atom/molekul campuran, dengan susunan atom yang mencakup karakteristik ikatan logam dan kovalen.

Sebagai elemen dalam tabel periodik, metaloid biasanya terletak di sepanjang garis "tangga" yang memisahkan logam dan non-logam. Misalnya, silikon (nomor atom 14) adalah metaloid dengan struktur kristalin yang mirip dengan berlian, menunjukkan jaringan kovalen. Boron (nomor atom 5) membentuk senyawa kompleks dan menunjukkan struktur kristalin atau amorf tergantung pada bentuknya.

Secara fisik, metaloid dalam baja sering diperkenalkan dalam jumlah kecil, tetapi sifat fisiknya relevan dengan fungsinya. Silikon, misalnya, muncul sebagai bubuk kristalin atau amorf berwarna abu-abu gelap dengan densitas sekitar 2,33 g/cm³. Ia meleleh pada suhu sekitar 1.414°C dan memiliki titik lebur yang tinggi, menjadikannya cocok untuk aplikasi baja suhu tinggi. Boron, sebaliknya, biasanya ditambahkan sebagai senyawa boron atau paduan ferroboron, dengan titik lebur sekitar 2.300°C, dan muncul sebagai padatan rapuh berwarna gelap.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Metaloid seperti silikon dan boron memiliki peran penting dalam pembuatan baja, terutama sebagai elemen paduan yang memodifikasi mikrostruktur dan meningkatkan sifat tertentu. Silikon adalah deoksidator yang kuat, mengurangi kandungan oksigen selama produksi baja, dan bertindak sebagai penguat larutan padat. Boron, bahkan dalam jumlah kecil, secara dramatis meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan, terutama pada baja paduan rendah.

Elemen-elemen ini mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dengan mempengaruhi transformasi fase. Silikon menstabilkan ferit dan menekan pembentukan karbida, yang mengarah pada struktur butir yang lebih halus. Boron meningkatkan transformasi martensit, memungkinkan baja mencapai kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi pada laju pendinginan yang lebih rendah.

Metaloid sangat penting untuk mendefinisikan klasifikasi baja. Misalnya, baja silikon dikategorikan sebagai baja listrik dengan sifat magnetik tertentu, sementara baja boron diakui karena kemampuan pengerasan dan ketahanan aus yang tinggi.

Konteks Sejarah

Penggunaan silikon dalam baja dimulai pada awal abad ke-20, awalnya sebagai deoksidator untuk meningkatkan kebersihan baja. Perannya dalam baja listrik diakui pada tahun 1930-an, yang mengarah pada pengembangan kelas baja listrik kaya silikon.

Signifikansi metalurgi boron ditemukan pada tahun 1950-an ketika para peneliti mengamati pengaruh mendalamnya terhadap kemampuan pengerasan baja. Pemahaman tentang peran boron dalam baja mikro paduan berkembang dengan cepat, yang mengarah pada pengembangan baja paduan rendah berkekuatan tinggi dengan kandungan boron yang dioptimalkan.

Kelas baja landmark seperti baja listrik silikon (misalnya, baja 2% Si) dan baja berkekuatan tinggi paduan rendah (HSLA) yang mengandung boron menggambarkan pentingnya metaloid ini dalam teknologi baja modern.

Keberadaan dalam Baja

Dalam baja, kandungan silikon biasanya berkisar antara 0,5% hingga 4,0% berdasarkan berat, tergantung pada kelas dan aplikasi. Baja listrik sering mengandung 2-3% Si, sementara baja struktural mungkin memiliki tingkat yang lebih rendah sekitar 0,2-0,5%. Boron biasanya ditambahkan dalam jumlah jejak, sering kurang dari 0,005%, sebagai ferroboron atau senyawa boron.

Silikon ditambahkan secara sengaja sebagai elemen paduan, sedangkan boron, meskipun efektif pada konsentrasi rendah, kadang-kadang dapat menjadi kontaminan jika hadir secara tidak sengaja. Dalam baja, metaloid ini terutama berada dalam larutan padat, tetapi boron juga dapat membentuk borida kompleks atau presipitat yang mempengaruhi mikrostruktur.

Efek dan Mekanisme Metalurgi

Pengaruh Mikrostruktur

Silikon mempengaruhi mikrostruktur dengan menstabilkan ferit dan menekan pembentukan semenit, yang mengarah pada ukuran butir yang lebih halus. Ia juga mendorong pembentukan mikrostruktur yang seragam dan halus selama pemrosesan termomekanik.

Boron meningkatkan pembentukan martensit selama pendinginan dengan menurunkan suhu transformasi, sehingga meningkatkan kemampuan pengerasan. Ia berinteraksi dengan karbon dan nitrogen untuk membentuk borida, yang dapat bertindak sebagai situs nukleasi atau memperkuat matriks.

Silikon dan boron berinteraksi dengan elemen paduan lainnya seperti mangan, kromium, dan molibdenum, mempengaruhi stabilitas fase dan kinetika transformasi. Kehadiran silikon dapat memperlambat presipitasi karbida, sementara efek boron sangat tergantung pada konsentrasi.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Sifat mekanik sangat dipengaruhi: silikon meningkatkan kekuatan tarik dan kekerasan melalui penguatan larutan padat, sementara boron meningkatkan ketangguhan dan ketahanan aus karena pengaruhnya pada mikrostruktur.

Secara fisik, silikon meningkatkan konduktivitas listrik dalam baja listrik, yang penting untuk inti transformator, dan meningkatkan permeabilitas magnetik. Penambahan boron meningkatkan saturasi magnet baja dan mengurangi kerugian inti.

Secara kimia, silikon meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi, menjadikannya cocok untuk aplikasi suhu tinggi. Boron meningkatkan ketahanan korosi pada kelas baja tertentu dengan menstabilkan lapisan oksida pelindung.

Mekanisme Penguatan

Silikon terutama memperkuat baja melalui penguatan larutan padat, di mana atom-atomnya mendistorsi kisi, menghambat pergerakan dislokasi. Mekanisme penguatan boron melibatkan promosi transformasi martensit dan pembentukan borida yang menghambat pergerakan dislokasi.

Secara kuantitatif, peningkatan 1% dalam kandungan silikon dapat meningkatkan kekuatan tarik sekitar 20-30 MPa, tergantung pada kelas baja. Efek boron pada kemampuan pengerasan dapat mencapai peningkatan hingga 50% dalam kedalaman pengerasan dengan penambahan jejak (~0,001%).

Dari segi mikrostruktur, kehadiran silikon memperhalus ukuran butir, sementara boron memodifikasi perilaku transformasi, yang mengarah pada peningkatan kekuatan dan ketangguhan.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Silikon terutama diperoleh dari mineral silika (SiO₂) seperti kuarsa dan pasir. Proses ekstraksi melibatkan reduksi karbothermik dalam tungku busur listrik, menghasilkan paduan ferrosilicon dengan kandungan silikon yang bervariasi.

Boron diperoleh dari mineral kaya boron seperti boraks dan kernit. Secara komersial, boron diproduksi melalui pemrosesan kimia, kemudian dipaduan dengan besi untuk menghasilkan ferroboron atau ditambahkan sebagai senyawa boron.

Ketersediaan global ferrosilicon dan ferroboron sangat tinggi, dengan produsen utama di China, Rusia, dan AS. Elemen-elemen ini sangat penting untuk pembuatan baja, terutama dalam baja berkinerja tinggi.

Bentuk Penambahan

Silikon ditambahkan terutama sebagai paduan ferrosilicon, yang biasanya mengandung 75-90% Si. Paduan ferroboron, dengan 4-10% B, umum untuk penambahan boron. Sebagai alternatif, boron dapat diperkenalkan melalui boron oksida (B₂O₃) atau boron karbida (B₄C), terutama dalam aplikasi khusus.

Persiapan melibatkan peleburan dan paduan dalam tungku busur listrik atau metalurgi ladle. Penanganan memerlukan tindakan pencegahan terhadap debu dan inhalasi, terutama untuk bubuk.

Waktu dan Metode Penambahan

Silikon biasanya ditambahkan selama tahap peleburan tungku atau dalam pemurnian ladle untuk memastikan distribusi yang merata. Boron sering diperkenalkan selama pemurnian sekunder, tepat sebelum pengecoran, untuk memaksimalkan efeknya pada mikrostruktur.

Distribusi homogen