Spelter dalam Baja: Perannya dan Signifikansinya dalam Metalurgi

Definisi dan Sifat Dasar

Spelter adalah istilah yang secara historis digunakan untuk merujuk pada seng dalam berbagai bentuk, terutama dalam konteks pembuatan baja dan metalurgi. Dalam industri baja, istilah ini paling umum merujuk pada bahan berbasis seng yang digunakan sebagai tambahan paduan atau pelapis, atau seng dalam bentuk yang dimurnikan untuk tujuan paduan.

Secara kimia, seng (Zn) adalah logam transisi dengan nomor atom 30, yang terletak di Grup 12 tabel periodik. Seng menunjukkan struktur kristal heksagonal rapat (hcp) pada suhu kamar, dengan titik lebur sekitar 419,5°C dan titik didih 907°C. Berat atom seng adalah 65,38 g/mol.

Secara fisik, seng muncul sebagai logam putih kebiruan yang berkilau dengan densitas relatif rendah sekitar 7,14 g/cm³. Seng bersifat rapuh pada suhu kamar tetapi menjadi mudah dibentuk ketika dipanaskan di atas 100°C. Sifat fisik seng membuatnya cocok untuk galvanisasi dan paduan dalam produksi baja.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Dalam pembuatan baja, spelter terutama merujuk pada seng yang digunakan sebagai bahan pelapis (galvanisasi) atau sebagai elemen paduan dalam kelas baja khusus. Peran metalurgi utama seng adalah memberikan ketahanan terhadap korosi ketika digunakan sebagai agen galvanisasi, membentuk lapisan oksida pelindung pada permukaan baja.

Ketika dipadukan dengan baja, seng mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dengan mendorong pembentukan fase tertentu selama pembekuan dan perlakuan panas. Seng dapat memperhalus ukuran butir dan memodifikasi transformasi fase, yang berdampak pada sifat mekanik.

Penambahan seng sangat penting dalam memproduksi baja galvanis, yang menggabungkan kekuatan baja dengan ketahanan korosi seng. Seng juga berperan dalam memproduksi pelapis kaya seng dan baja paduan tertentu dengan sifat yang disesuaikan.

Konteks Historis

Penggunaan seng dalam produksi baja dimulai pada awal abad ke-20, dengan munculnya teknologi galvanisasi yang semakin menonjol pada tahun 1920-an. Pengembangan proses galvanisasi celup panas merevolusi daya tahan baja, menjadikan seng sebagai komponen penting.

Memahami efek metalurgi seng berkembang pesat selama pertengahan abad ke-20, yang mengarah pada komposisi pelapis dan formulasi paduan yang dioptimalkan. Kelas baja landmark seperti baja struktural galvanis dan baja berkekuatan tinggi yang mengandung seng menunjukkan pentingnya seng.

Keberadaan dalam Baja

Dalam baja, seng biasanya hadir dalam konsentrasi yang berkisar dari jumlah jejak hingga 0,2% berdasarkan berat dalam baja galvanis. Dalam baja paduan, seng dapat ditambahkan secara sengaja dalam jumlah kecil (hingga 0,5%) untuk memodifikasi sifat.

Seng dapat diperkenalkan sebagai logam murni, seng oksida (ZnO), atau sebagai bagian dari ferroseng berbasis seng (misalnya, paduan ferroseng). Dalam baja galvanis, seng ada sebagai pelapis atau sebagai elemen paduan minor dalam matriks baja.

Bentuk seng dalam baja bervariasi: dapat hadir sebagai larutan padat, sebagai presipitat halus, atau sebagai inklusi tergantung pada kondisi pemrosesan. Distribusi dan bentuknya secara signifikan mempengaruhi sifat akhir baja.

Efek Metalurgi dan Mekanisme

Pengaruh Mikrostruktur

Seng mempengaruhi mikrostruktur dengan mempengaruhi stabilitas fase dan perilaku transformasi. Selama pembekuan, seng dapat mendorong pembentukan fitur mikrostruktur tertentu seperti ferit, perlit, atau bainit, tergantung pada tingkat paduan dan laju pendinginan.

Ini mengubah suhu transformasi, terutama menurunkan suhu ac3 dan Acm, yang mempengaruhi jadwal perlakuan panas. Seng juga dapat berinteraksi dengan elemen paduan lainnya seperti karbon, mangan, dan fosfor, memodifikasi efek mereka pada mikrostruktur.

Dalam galvanisasi, seng membentuk ikatan metalurgi dengan baja, menciptakan pelapis yang tahan korosi. Dalam baja paduan, seng dapat mengendap sebagai fase intermetalik halus, memperhalus ukuran butir dan meningkatkan ketangguhan.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Seng meningkatkan ketahanan korosi, terutama dalam baja galvanis, dengan membentuk lapisan oksida yang stabil yang melindungi baja yang mendasarinya dari oksidasi dan serangan lingkungan. Seng juga memberikan peningkatan kekuatan dan duktilitas yang moderat ketika dipadukan dalam jumlah kecil.

Namun, seng yang berlebihan dapat menyebabkan rapuh atau hot shortness selama pengerjaan panas, mengurangi duktilitas dan ketangguhan. Kehadiran seng dapat mempengaruhi konduktivitas termal dan listrik, umumnya mengurangi sifat-sifat ini sedikit karena efek paduannya.

Dalam hal sifat kimia, seng meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi dan dapat bertindak sebagai anoda pengorbanan dalam skenario korosi, melindungi substrat baja.

Mekanisme Penguatan

Seng berkontribusi pada kekuatan terutama melalui penguatan larutan padat dan pengerasan presipitasi. Ketika seng terlarut dalam baja, ia menghambat pergerakan dislokasi, meningkatkan kekuatan hasil.

Presipitasi fase kaya seng selama pendinginan atau perlakuan panas lebih lanjut meningkatkan kekuatan dan kekerasan. Hubungan kuantitatif menunjukkan bahwa penambahan kecil (hingga 0,2%) dapat meningkatkan kekuatan tarik beberapa MPa, tergantung pada komposisi baja dan pemrosesan.

Dari segi mikrostruktur, seng yang mengendap memperhalus batas butir dan menghambat pertumbuhan butir, berkontribusi pada peningkatan ketangguhan dan ketahanan terhadap kelelahan.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Seng terutama diperoleh dari bijih mineral seperti sfalerit (ZnS). Proses ekstraksi melibatkan pemanggangan, pelindian, dan elektrorefining untuk menghasilkan logam seng berkualitas tinggi.

Seng yang dimurnikan tersedia secara global, dengan produsen utama terletak di negara-negara seperti China, Australia, dan Amerika Serikat. Pentingnya strategisnya dalam pembuatan baja berasal dari penggunaannya yang luas dalam galvanisasi dan paduan.

Bentuk Penambahan

Dalam pembuatan baja, seng ditambahkan dalam berbagai bentuk: sebagai logam murni, bubuk seng oksida, atau ferroseng berbasis seng. Ferroseng seperti paduan ferroseng seng umum digunakan untuk penambahan yang terkontrol.

Persiapan melibatkan proses peleburan dan pemurnian untuk menghasilkan seng berkualitas metalurgi, yang kemudian diperkenalkan ke dalam lelehan baja melalui ladle atau sistem injeksi. Tingkat pemulihan tergantung pada kondisi proses tetapi biasanya melebihi 95% dalam operasi yang terkontrol dengan baik.

Waktu dan Metode Penambahan

Seng biasanya ditambahkan selama tahap pemurnian ladle, setelah peleburan baja awal, untuk memastikan distribusi yang homogen. Dalam galvanisasi, seng diterapkan setelah pembekuan sebagai pelapis.

Waktu penambahan sangat penting untuk mencegah penguapan seng atau reaksi dengan elemen lain. Homogenisasi dicapai melalui pengadukan atau agitasi elektromagnetik, memastikan pembentukan paduan atau pelapis yang seragam.

Kontrol Kualitas

Tingkat penambahan yang tepat diverifikasi melalui analisis spektroskopi, seperti spektroskopi emisi optik (OES) atau metode plasma yang dikopel induktif (ICP). Teknik-teknik ini mendeteksi konsentrasi seng dengan akurasi tinggi.

Memantau kimia terak dan suhu membantu mencegah reaksi yang tidak diinginkan seperti hot shortness atau penguapan seng. Pengambilan sampel secara teratur dan penyesuaian proses menjaga efek metalurgi yang konsisten.

Kisaran Konsentrasi dan Efek yang Umum