Fosfor (P): Perannya dan Dampaknya dalam Metalurgi dan Manufaktur Baja

Definisi dan Sifat Dasar

Fosfor $P$ adalah unsur kimia dengan nomor atom 15, yang termasuk dalam Grup 15 (Grup VA) tabel periodik. Ini adalah unsur non-logam yang ada dalam beberapa alotrop, dengan fosfor putih, merah, dan hitam sebagai bentuk yang paling umum. Dalam konteks pembuatan baja, fosfor terutama dianggap sebagai kotoran atau elemen paduan yang terkontrol, tergantung pada kelas baja.

Secara fisik, fosfor adalah padatan rapuh, waxy, dan transparan pada suhu kamar, dengan penampilan waxy yang khas. Kerapatannya bervariasi tergantung pada alotrop; fosfor putih memiliki kerapatan sekitar 1,82 g/cm³, sedangkan fosfor merah sedikit kurang padat. Titik lebur fosfor putih adalah sekitar 44,2°C, dengan sublima yang terjadi langsung dari padatan menjadi uap, sedangkan fosfor merah meleleh sekitar 590°C. Titik didihnya adalah sekitar 280°C untuk fosfor putih, tetapi nilai-nilai ini kurang relevan dalam pengolahan baja. Fosfor sangat reaktif, terutama dengan oksigen, dan dengan mudah membentuk senyawa seperti fosfat dan fosfida.

Dalam aplikasi industri baja, sifat fisik fosfor mempengaruhi perilakunya selama peleburan dan pembekuan. Reaktivitasnya yang tinggi dan kecenderungannya untuk membentuk senyawa stabil memerlukan kontrol yang hati-hati selama pembuatan baja untuk mencegah efek yang tidak diinginkan. Struktur atom unsur ini, dengan lima elektron valensi, memfasilitasi kemampuannya untuk membentuk ikatan kovalen, terutama dengan oksigen dan logam, yang mempengaruhi perannya dalam metalurgi.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Dalam metalurgi baja, fosfor berfungsi terutama sebagai kotoran yang mempengaruhi mikrostruktur dan sifat baja. Ketika hadir dalam konsentrasi rendah, ia dapat meningkatkan karakteristik tertentu, tetapi pada tingkat yang lebih tinggi, ia cenderung membuat baja menjadi rapuh. Perannya sebagai elemen paduan umumnya terbatas, tetapi penambahan yang terkontrol kadang-kadang digunakan secara sengaja untuk memodifikasi sifat tertentu.

Fosfor mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dengan tersegregasi di batas butir, yang dapat mempengaruhi pertumbuhan butir dan transformasi fase. Ia cenderung mendorong pembentukan fase pearlite dan ferrite, mempengaruhi kekerasan dan ketangguhan. Secara khusus, fosfor meningkatkan kemampuan pengerasan baja dan dapat meningkatkan kekuatan jika dikontrol dengan hati-hati.

Secara historis, fosfor telah digunakan untuk memproduksi kelas baja tertentu dengan sifat spesifik, seperti peningkatan kekuatan atau perbaikan kemampuan mesin. Kehadirannya sering kali merupakan hasil dari bahan baku yang digunakan atau proses pemurnian, tetapi penambahan yang disengaja jarang dilakukan karena efek merugikannya pada konsentrasi tinggi.

Konteks Historis

Penggunaan fosfor dalam baja dimulai pada awal abad ke-20, awalnya sebagai kotoran yang diperkenalkan melalui bahan baku seperti besi pig dan limbah. Para pembuat baja awal mengamati bahwa fosfor dapat membuat baja menjadi rapuh, yang mengarah pada pengembangan teknik dephosphorization selama pemurnian. Pemahaman tentang efek fosfor pada mikrostruktur dan sifat baja berkembang secara signifikan selama pertengahan abad ke-20, dengan penelitian yang berfokus pada pengendalian tingkatnya.

Perkembangan penting termasuk penerapan proses pembuatan baja dengan oksigen dasar yang secara efektif mengurangi kandungan fosfor, memungkinkan produksi baja berkualitas tinggi dengan fosfor rendah. Kelas baja tertentu, seperti baja paduan rendah kekuatan tinggi (HSLA) dan baja listrik, memiliki batasan fosfor yang ketat untuk memastikan kinerja optimal.

Kejadian dalam Baja

Fosfor biasanya hadir dalam baja pada konsentrasi yang berkisar dari tingkat jejak hingga sekitar 0,1% berdasarkan berat. Dalam sebagian besar baja komersial, terutama yang ditujukan untuk aplikasi struktural, kandungan fosfor dijaga di bawah 0,04% untuk mencegah kerapuhan. Dalam beberapa baja khusus, seperti besi cor tertentu atau baja fosfor tinggi yang digunakan untuk tujuan tertentu, tingkat yang lebih tinggi mungkin ditoleransi atau bahkan ditambahkan secara sengaja.

Dalam baja, fosfor ada terutama dalam larutan padat atau sebagai inklusi fosfida, seperti fosfida besi (Fe₃P). Inklusi ini dapat mengendap di batas butir atau di dalam matriks, mempengaruhi sifat mekanik dan korosi. Bentuk dan distribusi fosfor dalam baja adalah faktor kritis yang mempengaruhi perilaku keseluruhannya.

Efek Metalurgi dan Mekanisme

Pengaruh Mikrostruktur

Fosfor mempengaruhi mikrostruktur baja terutama melalui segregasi dan presipitasi. Selama pembekuan, fosfor cenderung tersegregasi di batas butir, yang dapat menyebabkan kerapuhan dengan melemahkan kohesi batas. Segregasi ini mendorong pembentukan fase rapuh dan memfasilitasi inisiasi retakan di bawah stres.

Ia juga mempengaruhi suhu transformasi fase, secara signifikan menurunkan suhu transformasi austenit menjadi ferrit, yang dapat mengubah respons perlakuan panas. Fosfor berinteraksi dengan elemen paduan lainnya seperti sulfur, mangan, dan silikon, mempengaruhi pembentukan inklusi dan stabilitas berbagai konstituen mikrostruktur.

Dalam hal pembentukan fase, fosfor menstabilkan fase ferrit dan pearlite, yang dapat menguntungkan atau merugikan tergantung pada aplikasinya. Kehadirannya juga dapat menghambat pembentukan karbida dan nitride tertentu, mempengaruhi mikrostruktur keseluruhan.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Dari segi mekanis, fosfor umumnya mengurangi ketangguhan dan ketangguhan, terutama pada konsentrasi yang lebih tinggi, dengan membuat batas butir menjadi rapuh. Ia meningkatkan kecenderungan untuk retakan intergranular dan mengurangi kekuatan impak. Sebaliknya, dalam jumlah kecil, fosfor dapat berkontribusi pada peningkatan kekuatan dan kekerasan melalui penguatan larutan padat.

Secara fisik, fosfor mempengaruhi konduktivitas termal dan listrik secara negatif, karena ia memperkenalkan keadaan kotoran yang menyebarkan elektron dan fonon. Efeknya pada sifat magnetik juga signifikan; fosfor dapat mengubah permeabilitas magnetik dan koersivitas, yang relevan dalam baja listrik.

Dari segi kimia, fosfor cenderung mengurangi ketahanan korosi, terutama di lingkungan di mana serangan intergranular mungkin terjadi. Ia mendorong oksidasi pada suhu tinggi, yang mengarah pada peningkatan laju oksidasi dan potensi masalah pengelupasan selama pemrosesan suhu tinggi.

Mekanisme Penguatan

Fosfor berkontribusi pada penguatan terutama melalui penguatan larutan padat dan pengerasan presipitasi. Atom-atomnya dalam matriks baja menghambat pergerakan dislokasi, meningkatkan kekuatan hasil. Derajat penguatan berkorelasi dengan konsentrasi fosfor; namun, tingkat yang berlebihan menyebabkan kerapuhan.

Secara kuantitatif, peningkatan kekuatan hasil yang khas sekitar 10 MPa per 0,01% fosfor telah diamati dalam baja tertentu, meskipun ini bervariasi dengan mikrostruktur dan elemen paduan lainnya. Pembentukan presipitat fosfida, seperti Fe₃P, lebih lanjut menghambat pergerakan dislokasi, memberikan penguatan tambahan.

Dari segi mikrostruktur, segregasi yang diinduksi fosfor di batas butir dapat menghambat pergeseran batas butir, berkontribusi pada kekuatan suhu tinggi tetapi dengan mengorbankan ketangguhan. Menyeimbangkan efek ini sangat penting dalam desain baja.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Fosfor masuk ke dalam pembuatan baja terutama melalui bahan baku seperti besi pig, limbah, dan konsentrat bijih. Bijih fosfor tinggi, seperti batu fosfat, adalah sumber umum di daerah dengan akses terbatas ke bahan baku fosfor rendah.

Metode pemurnian untuk mendapatkan baja fosfor rendah termasuk proses tungku oksigen dasar (BOF) dengan dephosphorization yang efektif, sering melibatkan fluks seperti kapur (CaO) untuk mendorong penghilangan fosfor melalui pembentukan terak. Pembuatan baja dengan tungku busur listrik (EAF) juga mencakup perlakuan terak untuk mengurangi tingkat fosfor.

Secara global, ketersediaan bahan baku fosfor rendah mempengaruhi penting