Oksida dalam Baja: Peran, Pembentukan, dan Dampaknya pada Metalurgi

Definisi dan Sifat Dasar

Oksida mengacu pada senyawa kimia yang terdiri dari oksigen dan satu atau lebih elemen logam atau non-logam. Dalam konteks industri baja, istilah ini sering merujuk pada oksida logam, yang merupakan senyawa yang terbentuk ketika oksigen bereaksi dengan logam atau metaloid, seperti oksida besi (Fe₂O₃, Fe₃O₄), oksida mangan (MnO, MnO₂), atau inklusi oksida lainnya.

Secara struktural, oksida logam biasanya merupakan senyawa ionik atau kovalen yang ditandai dengan kisi kristal. Misalnya, oksida besi menunjukkan berbagai struktur kristal, seperti hematit (α-Fe₂O₃) dengan struktur rombohedral dan magnetit (Fe₃O₄) dengan struktur spinel terbalik.

Secara fisik, oksida dalam industri baja umumnya berbentuk padat, sering kali muncul sebagai serbuk, inklusi, atau film permukaan. Penampilannya bervariasi dari coklat kemerahan (hematit) hingga hitam atau metalik (magnetit). Kepadatan berkisar dari sekitar 3,5 hingga 5,2 g/cm³, tergantung pada oksida tertentu. Titik lebur biasanya tinggi; misalnya, Fe₂O₃ meleleh pada sekitar 2.200°C, sementara MnO meleleh pada sekitar 1.530°C. Titik lebur yang tinggi ini mempengaruhi perilaku mereka selama proses pembuatan baja.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Oksida memainkan peran penting dalam pembuatan baja, terutama sebagai inklusi, film permukaan, atau fase yang mempengaruhi mikrostruktur dan sifat. Mereka sering berasal dari bahan baku, pelapis refraktori, atau fluks yang ditambahkan, dan dapat dikendalikan secara sengaja atau dianggap sebagai kotoran.

Dalam metalurgi, oksida bertindak sebagai deoksidator, menghilangkan oksigen terlarut dari baja cair untuk mencegah reaksi yang tidak diinginkan. Mereka juga mempengaruhi pembentukan inklusi non-logam, yang dapat disesuaikan untuk meningkatkan kebersihan baja dan sifat mekaniknya.

Oksida berkontribusi untuk mendefinisikan klasifikasi baja, seperti baja bersih dengan inklusi oksida minimal atau baja khusus dengan fase oksida yang terkontrol untuk sifat tertentu. Misalnya, rekayasa inklusi melibatkan manipulasi jenis dan distribusi oksida untuk meningkatkan ketangguhan atau kemampuan mesin.

Konteks Sejarah

Penggunaan oksida dalam produksi baja sudah ada sejak zaman kuno, di mana oksida alami seperti hematit berfungsi sebagai sumber besi. Pemahaman tentang efeknya berkembang pesat selama abad ke-19 dan ke-20 dengan perkembangan teknik pemurnian modern.

Kemunculan pembuatan baja dengan oksigen dasar pada pertengahan abad ke-20 menandai titik balik, menekankan deoksidasi dan kontrol inklusi melalui pembentukan oksida. Kelas baja yang terkenal, seperti baja paduan rendah berkekuatan tinggi (HSLA), menggabungkan inklusi oksida yang terkontrol untuk mengoptimalkan kinerja.

Kejadian dalam Baja

Oksida hadir dalam baja pada konsentrasi yang bervariasi, biasanya berkisar dari jumlah jejak hingga beberapa ratus bagian per juta (ppm). Dalam baja yang telah dideoksidasi, inklusi oksida dibentuk dan distabilkan secara sengaja, sering kali dalam bentuk alumina (Al₂O₃), silika (SiO₂), atau oksida mangan.

Dalam beberapa kasus, oksida dianggap sebagai kotoran, berasal dari bahan baku atau kontaminasi lingkungan. Mereka ada sebagai inklusi yang terdispersi, film permukaan, atau dalam matriks baja sebagai presipitat halus, mempengaruhi sifat dan perilaku pemrosesan.

Bentuk oksida dalam baja dapat berupa partikel terpisah, film pada batas butir, atau inklusi komposit yang kompleks. Morfologi dan distribusinya sangat penting untuk kinerja baja.

Efek Metalurgi dan Mekanisme

Pengaruh Mikrostruktur

Oksida secara signifikan mempengaruhi mikrostruktur baja dengan bertindak sebagai situs nukleasi selama pembekuan dan transformasi fase. Inklusi oksida halus dapat mendorong pemurnian butir, meningkatkan ketangguhan.

Mereka mempengaruhi suhu transformasi, seperti titik Ac₃ dan Ms, dengan mengubah kimia lokal dan stabilitas fase. Misalnya, inklusi oksida dapat menghambat atau mendorong pertumbuhan fase ferit atau martensit tergantung pada sifat dan distribusinya.

Interaksi dengan elemen paduan lainnya adalah hal yang umum; misalnya, oksida mangan dapat bereaksi dengan sulfur untuk membentuk MnS, mempengaruhi komposisi dan morfologi inklusi. Interaksi ini mempengaruhi stabilitas dan evolusi fitur mikrostruktur selama perlakuan panas.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Inklusi oksida mempengaruhi sifat mekanik dengan bertindak sebagai konsentrator stres atau situs inisiasi retakan, yang dapat mengurangi duktilitas dan ketangguhan jika tidak terkontrol. Sebaliknya, partikel oksida yang terdistribusi dengan baik dapat meningkatkan kekuatan melalui mekanisme penguatan dispersi.

Secara fisik, oksida mempengaruhi konduktivitas termal dan listrik; baja kaya oksida umumnya menunjukkan konduktivitas yang lebih rendah. Sifat magnetik juga terpengaruh, terutama pada baja dengan inklusi magnetit atau maghemite, yang dapat mengubah permeabilitas magnetik.

Kimiawi, oksida dapat meningkatkan ketahanan korosi dengan membentuk film permukaan pelindung, seperti lapisan alumina. Namun, beberapa inklusi oksida juga dapat mendorong korosi lokal jika mereka bertindak sebagai situs katodik.

Mekanisme Penguatan

Oksida berkontribusi pada penguatan terutama melalui penguatan dispersi, di mana partikel oksida halus menghambat pergerakan dislokasi. Mekanisme Orowan menggambarkan bagaimana dislokasi melengkung di sekitar partikel-partikel ini, meningkatkan kekuatan hasil.

Secara kuantitatif, efek penguatan tergantung pada ukuran partikel oksida, fraksi volume, dan distribusi. Misalnya, kepadatan partikel oksida nanoscale yang lebih tinggi dapat secara signifikan meningkatkan kekuatan tanpa mengorbankan duktilitas.

Secara mikrostruktur, inklusi oksida juga dapat memperhalus ukuran butir selama pemrosesan termomekanik, lebih lanjut berkontribusi pada kekuatan melalui hubungan Hall-Petch.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Sumber alami oksida termasuk bijih mineral seperti hematit, magnetit, dan bijih mangan. Bijih ini ditambang dan diproses melalui benefisiasi, penghancuran, dan kalsinasi untuk menghasilkan konsentrat.

Pemurnian melibatkan proses peleburan dan reduksi, seperti operasi tanur tinggi, di mana oksida besi direduksi menjadi besi metalik. Langkah pemurnian tambahan menghilangkan kotoran dan mengontrol pembentukan oksida.

Ketersediaan global sumber mineral ini tinggi, dengan produsen utama di China, Australia, Brasil, dan India. Pentingnya strategis mereka terletak pada penyediaan bahan baku untuk pembuatan baja dan fluks berbasis oksida.

Bentuk Penambahan

Dalam pembuatan baja, oksida diperkenalkan dalam berbagai bentuk:

• Oksida murni: seperti serbuk Fe₂O₃ atau MnO, digunakan dalam aplikasi laboratorium atau khusus.
• Ferroalloy: paduan seperti ferromangan atau ferrosilikon mengandung fase oksida dan ditambahkan untuk menyesuaikan kandungan oksida.
• Fluks: kalsium oksida (CaO), magnesium oksida (MgO), dan fluks lainnya ditambahkan untuk memodifikasi kimia terak dan mengontrol inklusi oksida.

Persiapan melibatkan penanganan serbuk, peleburan, atau proses paduan, dengan mempertimbangkan reaktivitas dan keselamatan penanganan. Tingkat pemulihan tergantung pada kondisi proses dan bentuk penambahan, biasanya melebihi 90% dalam lingkungan yang terkontrol.

Waktu dan Metode Penambahan

Oksida biasanya ditambahkan selama tahap tertentu:

• Selama peleburan: untuk deoksidasi baja atau