Sulfur (S): Perannya dan Dampaknya dalam Metalurgi dan Manufaktur Baja

Definisi dan Sifat Dasar

Belerang $S$ adalah unsur kimia non-logam dengan nomor atom 16. Ia termasuk dalam Grup 16 (VIA) tabel periodik, yang terletak di antara kalsiogen. Dalam bentuk elemennya, belerang sebagian besar ada sebagai padatan kristalin kuning yang terdiri dari molekul S₈ yang tersusun dalam struktur oktatom siklik.

Secara fisik, belerang tampak sebagai zat yang berwarna kuning cerah, rapuh, dan berbentuk serbuk pada suhu kamar. Kerapatannya sekitar 2,07 g/cm³ dalam bentuk kristalin. Belerang meleleh pada suhu sekitar 115,21°C (239,38°F) untuk membentuk cairan kental yang tidak berwarna, dan mendidih pada suhu sekitar 444,6°C (832,3°F). Ia menunjukkan konduktivitas listrik yang buruk dan tidak larut dalam air tetapi larut dalam pelarut organik seperti karbon disulfida.

Dalam konteks industri baja, belerang terutama dianggap sebagai kotoran, meskipun jumlah yang terkontrol dapat mempengaruhi sifat baja. Kehadirannya dalam baja biasanya diminimalkan karena efek merugikannya, tetapi dalam aplikasi khusus tertentu, sifat belerang dimanfaatkan secara sengaja.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Peran utama belerang dalam pembuatan baja adalah sebagai kotoran yang mempengaruhi kemampuan mesin dan kerja panas baja. Secara historis, belerang dianggap sebagai unsur yang merugikan karena cenderung membuat baja menjadi rapuh dan mempromosikan retak. Namun, dalam baja yang mudah diproses, belerang sengaja ditambahkan dalam jumlah terkontrol untuk meningkatkan kemampuan mesin dengan membentuk inklusi mangan sulfida (MnS) yang bertindak sebagai pemecah chip.

Belerang mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dengan membentuk inklusi sulfida yang dapat terpisah di batas butir, mempengaruhi pertumbuhan butir dan transformasi fase. Inklusi ini dapat berfungsi sebagai titik awal untuk retakan jika tidak terkontrol, tetapi ketika dikelola dengan baik, mereka dapat meningkatkan sifat tertentu.

Kehadiran belerang membantu mengklasifikasikan baja ke dalam kategori yang berbeda. Misalnya, baja rendah belerang (<0,005%) digunakan di mana ketangguhan dan keuletan sangat penting, sedangkan tingkat belerang yang lebih tinggi (hingga 0,15%) digunakan dalam baja yang mudah diproses.

Konteks Historis

Pengenalan efek belerang dalam baja dimulai pada awal abad ke-20, dengan pengembangan baja yang mudah diproses pada tahun 1930-an. Awalnya dianggap hanya sebagai kotoran yang berbahaya, penelitian mengungkapkan bahwa penambahan belerang yang terkontrol dapat secara signifikan meningkatkan kemampuan mesin tanpa mengorbankan sifat mekanik secara parah.

Tonggak penting termasuk standarisasi batas kandungan belerang dalam kelas baja dan pengembangan paduan yang mengandung belerang yang dirancang khusus untuk aplikasi pemesinan. Munculnya inklusi mangan sulfida sebagai peningkat kemampuan mesin menandai titik penting dalam pemahaman peran metalurgi belerang.

Kejadian dalam Baja

Belerang biasanya hadir dalam baja sebagai kotoran, dengan konsentrasi berkisar dari tingkat jejak (<0,005%) dalam baja struktural berkualitas tinggi hingga tingkat yang lebih tinggi (hingga 0,15%) dalam baja yang mudah diproses. Ia juga dapat ditambahkan secara sengaja sebagai inklusi mangan sulfida (MnS).

Dalam baja, belerang sebagian besar ada dalam bentuk inklusi sulfida, seperti MnS, yang tersebar dalam mikrostruktur. Inklusi ini biasanya non-logam dan dapat berupa larutan padat atau presipitat, tergantung pada riwayat termal dan komposisi baja.

Efek Metalurgi dan Mekanisme

Pengaruh Mikrostruktur

Belerang mempengaruhi mikrostruktur terutama melalui pembentukan inklusi MnS, yang cenderung terpisah di sepanjang batas butir dan dalam matriks. Inklusi ini dapat memodifikasi perilaku pertumbuhan butir selama kerja panas dan perlakuan panas, sering bertindak sebagai titik pengikat yang menghambat pembesaran butir.

Belerang mempengaruhi suhu transformasi, secara signifikan menurunkan suhu transformasi austenit menjadi perlit, yang dapat mengubah laju pendinginan dan perkembangan fase. Ia berinteraksi dengan elemen paduan lainnya seperti mangan, fosfor, dan oksigen, mempengaruhi komposisi dan distribusi inklusi.

Efek pada Sifat Kunci

Dari segi mekanis, belerang umumnya mengurangi ketangguhan dan keuletan karena efek membuat rapuhnya, terutama pada konsentrasi yang lebih tinggi. Ia dapat mempromosikan hot shortness, yang menyebabkan retakan selama proses kerja panas. Sebaliknya, dalam baja yang mudah diproses, inklusi MnS yang diinduksi oleh belerang memfasilitasi pemecahan chip, meningkatkan kemampuan mesin.

Secara fisik, kehadiran belerang dapat sedikit mengurangi konduktivitas termal dan listrik, karena inklusi non-logam. Ia juga mempengaruhi sifat magnetik dengan mempengaruhi mikrostruktur baja dan distribusi inklusi.

Dari segi kimia, belerang mengurangi ketahanan korosi, terutama di lingkungan di mana inklusi sulfida dapat bertindak sebagai titik awal untuk korosi lokal. Perilaku oksidasi juga terpengaruh, karena senyawa belerang dapat mempromosikan pembentukan skala dan pengelupasan selama oksidasi suhu tinggi.

Mekanisme Penguatan

Kontribusi belerang terhadap penguatan bersifat tidak langsung, terutama melalui pembentukan inklusi MnS yang dapat menghambat pergerakan dislokasi. Inklusi ini bertindak sebagai penghalang mikrostruktur, memberikan derajat penguatan dispersi.

Dari segi kuantitatif, penambahan belerang dalam baja yang mudah diproses (sekitar 0,1%) dapat meningkatkan kemampuan mesin sekitar 20-30%, tetapi dengan mengorbankan keuletan dan ketangguhan. Perubahan mikrostruktur, seperti peningkatan kepadatan inklusi, bertanggung jawab atas modifikasi sifat ini.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Belerang secara alami melimpah di banyak deposit mineral, terutama dalam bijih sulfida seperti pirit (FeS₂), galena (PbS), dan sfalerit (ZnS). Ekstraksi utama melibatkan pemanggangan bijih sulfida untuk mengubah belerang menjadi sulfur dioksida (SO₂), yang kemudian diproses menjadi asam sulfat atau belerang elemental.

Proses pemurnian termasuk proses Frasch, yang melibatkan penyuntikan air superpanas ke dalam deposit belerang bawah tanah untuk menghasilkan belerang cair, dan proses Claus, yang memulihkan belerang dari gas industri. Secara global, belerang diproduksi sebagai produk sampingan dari pemurnian minyak dan pengolahan gas alam, menjadikannya tersedia secara luas dan penting secara strategis.

Bentuk Penambahan

Dalam pembuatan baja, belerang ditambahkan dalam bentuk ferrous sulfide (FeS) atau sebagai bagian dari inklusi mangan sulfida (MnS). Ia juga dapat diperkenalkan melalui ferroalloy seperti ferrosilicon atau ferromanganese, yang mengandung belerang sebagai kotoran atau aditif.

Persiapan melibatkan elemen paduan yang dapat bereaksi dengan belerang untuk membentuk sulfida yang stabil. Penanganan memerlukan tindakan pencegahan untuk mencegah kehilangan belerang melalui oksidasi atau penguapan selama peleburan.

Waktu dan Metode Penambahan

Belerang biasanya diperkenalkan selama proses pembuatan baja, baik di dalam tungku selama peleburan atau dalam metalurgi ladle selama pemurnian sekunder. Untuk baja yang mudah diproses, belerang ditambahkan lebih awal untuk mempromosikan pembentukan MnS, memastikan distribusi yang merata.

Distribusi homogen dicapai melalui pengadukan yang tepat dan pengendalian suhu, memfasilitasi pembentukan inklusi sulfida yang halus dan terdispersi secara merata. Dalam beberapa kasus, belerang ditambahkan setelah deoksidasi untuk mencegah kehilangan dan mengontrol ukuran inklusi.

Kontrol Kualitas

Verifikasi kandungan belerang melibatkan metode spektroskopi seperti spektroskopi emisi optik (OES) atau fluoresensi sinar-X (XRF). Analisis inklusi menggunakan mikroskop