Titanium (Ti): Meningkatkan Kekuatan Baja, Ketahanan Korosi & Daya Tahan

Definisi dan Sifat Dasar

Titanium (Ti) adalah logam transisi yang ditandai dengan rasio kekuatan-terhadap-berat yang luar biasa, ketahanan terhadap korosi, dan biokompatibilitas. Ini adalah unsur kimia dengan nomor atom 22, yang terletak di Grup 4 tabel periodik, dan diklasifikasikan sebagai logam transisi. Struktur atomnya memiliki susunan kubik berpusat badan (BCC) pada suhu tinggi dan struktur heksagonal rapat (HCP) pada suhu kamar, yang berkontribusi pada sifat fisiknya yang unik.

Dalam bentuk murninya, titanium muncul sebagai padatan logam berwarna abu-abu perak dengan permukaan yang berkilau. Ia memiliki densitas sekitar 4,51 g/cm³, yang sekitar 60% dari baja, menjadikannya sangat diinginkan untuk aplikasi yang sensitif terhadap berat. Titik lelehnya adalah 1.668°C (3.034°F), dan ia menunjukkan kekuatan yang sangat baik pada suhu tinggi, mempertahankan integritas struktural di bawah kondisi yang menuntut.

Secara fisik, titanium ringan, dapat ditempa, dan menunjukkan konduktivitas termal dan listrik yang baik dibandingkan dengan logam transisi lainnya. Ketahanan korosinya berasal dari film oksida yang stabil (TiO₂) yang terbentuk secara spontan di permukaannya, melindunginya dari oksidasi dan lingkungan kimia yang agresif. Sifat-sifat ini menjadikan titanium sebagai elemen paduan dan aditif yang menarik dalam pembuatan baja, terutama di mana daya tahan dan pengurangan berat sangat penting.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Peran metalurgi utama titanium dalam baja adalah sebagai elemen paduan yang memperhalus ukuran butir, menstabilkan mikrostruktur, dan meningkatkan sifat mekanik. Ia bertindak sebagai pembentuk karbida dan nitride yang kuat, membentuk presipitat TiC dan TiN yang stabil yang menghambat pertumbuhan butir selama perlakuan panas. Stabilisasi mikrostruktur ini meningkatkan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan terhadap creep.

Titanium mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dengan mengontrol transformasi fase, terutama pada baja yang memiliki kekuatan tinggi dan tahan korosi. Ia membantu dalam memproduksi butir yang halus dan seragam, yang penting untuk mencapai sifat mekanik yang diinginkan. Kemampuannya untuk membentuk presipitat yang stabil juga berkontribusi pada mekanisme pengerasan presipitasi.

Dalam klasifikasi baja, titanium sering digunakan dalam baja tahan karat, baja paduan rendah berkekuatan tinggi (HSLA), dan baja khusus. Ia membantu mendefinisikan kelas baja dengan ketahanan korosi yang ditingkatkan, kekuatan tinggi, dan kemampuan las yang lebih baik. Kehadirannya juga dapat mengurangi pembentukan fase berbahaya seperti fase sigma, sehingga meningkatkan stabilitas baja.

Konteks Sejarah

Pemasukan titanium ke dalam produksi baja dimulai pada pertengahan abad ke-20, didorong oleh kebutuhan akan material dengan ketahanan korosi dan kinerja mekanik yang superior. Penelitian awal berfokus pada kemampuannya dalam membentuk karbida dan nitride, yang mengarah pada pengembangan baja tahan karat yang distabilkan.

Perkembangan signifikan terjadi pada tahun 1960-an dan 1970-an, dengan pengakuan akan peran titanium dalam mengontrol pertumbuhan butir dan meningkatkan sifat pada suhu tinggi. Kelas baja yang terkenal seperti baja tahan karat yang distabilkan Ti (misalnya, kelas 321 dan 347) menunjukkan manfaat dari penambahan titanium, terutama dalam lingkungan dirgantara, pengolahan kimia, dan laut.

Pemahaman tentang efek metalurgi titanium telah berkembang melalui penelitian yang luas, yang mengarah pada praktik penambahan yang dioptimalkan dan pengembangan standar untuk baja yang mengandung titanium. Saat ini, titanium adalah elemen paduan standar dalam banyak kelas baja berkinerja tinggi.

Kejadian dalam Baja

Dalam baja, titanium biasanya hadir dalam konsentrasi berkisar antara 0,02% hingga 0,50% berdasarkan berat, tergantung pada kelas baja dan sifat yang diinginkan. Dalam baja tahan karat, titanium ditambahkan secara sengaja selama pembuatan baja untuk menstabilkan karbon dan nitrogen, mencegah pembentukan karbida dan nitride kromium yang menyebabkan sensitisasi.

Dalam beberapa kasus, titanium dapat dianggap sebagai kotoran, terutama dalam baja di mana kehadirannya tidak terkontrol, yang mengarah pada inklusi yang tidak diinginkan atau efek mikrostruktur. Ketika ditambahkan secara sengaja, titanium ada terutama dalam bentuk presipitat halus seperti TiC dan TiN, tersebar di seluruh matriks baja atau sebagai bagian dari inklusi kompleks.

Bentuk titanium dalam baja terutama sebagai larutan padat dalam matriks feritik atau austenitik, dengan presipitat yang terbentuk selama pendinginan atau perlakuan panas. Presipitat ini berfungsi sebagai penstabil mikrostruktur dan agen penguat, berkontribusi pada kinerja keseluruhan baja.

Efek dan Mekanisme Metalurgi

Pengaruh Mikrostruktur

Titanium secara signifikan mempengaruhi mikrostruktur baja dengan bertindak sebagai pemurni dan penstabil butir. Presipitat karbida (TiC) dan nitride (TiN) mengikat batas butir, menghambat pertumbuhan butir selama pengerjaan panas dan perlakuan panas. Ini menghasilkan struktur butir yang lebih halus dan lebih seragam, yang meningkatkan kekuatan dan ketangguhan.

Ini juga mempengaruhi perilaku transformasi fase, terutama dalam baja tahan karat, dengan menstabilkan fase austenitik dan mencegah pembentukan fase berbahaya seperti sigma atau karbida yang dapat mengkompromikan ketahanan korosi. Afinitas kuat titanium terhadap karbon dan nitrogen mengurangi ketersediaan mereka untuk membentuk karbida kromium, sehingga mempertahankan ketahanan korosi.

Titanium berinteraksi dengan elemen paduan lainnya seperti niobium, vanadium, dan molibdenum, membentuk presipitat kompleks yang lebih lanjut mempengaruhi stabilitas mikrostruktur. Interaksi ini dapat disesuaikan untuk mengoptimalkan sifat untuk aplikasi tertentu, seperti kekuatan suhu tinggi atau ketahanan korosi.

Pengaruh pada Sifat Utama

Titanium meningkatkan sifat mekanik dengan meningkatkan kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan ketangguhan melalui pemurnian mikrostruktur dan pengerasan presipitasi. Presipitatnya menghalangi pergerakan dislokasi, berkontribusi pada kekuatan tanpa mengorbankan kelenturan.

Secara fisik, kehadiran titanium dapat sedikit mengurangi konduktivitas termal dan listrik karena efek paduannya. Ini juga mempengaruhi sifat magnetik, sering kali mengurangi permeabilitas magnetik, yang menguntungkan dalam aplikasi listrik.

Dari segi kimia, titanium meningkatkan ketahanan korosi, terutama dalam lingkungan kaya klorida, dengan menstabilkan film oksida pasif dan mencegah presipitasi karbida kromium yang menyebabkan sensitisasi. Ini juga meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi, menjadikan baja yang distabilkan titanium cocok untuk lingkungan suhu tinggi.

Mekanisme Penguatan

Titanium berkontribusi pada penguatan baja terutama melalui pengerasan presipitasi, di mana partikel TiC dan TiN yang halus menghalangi pergerakan dislokasi. Derajat penguatan berkorelasi dengan fraksi volume, ukuran, dan distribusi presipitat ini.

Selain itu, efek pemurnian butir titanium meningkatkan kekuatan melalui mekanisme Hall-Petch, di mana butir yang lebih kecil meningkatkan kekuatan luluh. Kontrol yang tepat terhadap kandungan titanium memungkinkan untuk mikrostruktur yang disesuaikan yang mengoptimalkan kekuatan dan ketangguhan.

Hubungan kuantitatif menunjukkan bahwa peningkatan kandungan titanium dalam rentang optimal dapat meningkatkan kekuatan luluh hingga beberapa ratus MPa, tergantung pada kelas baja dan perlakuan panas. Titanium yang berlebihan dapat menyebabkan presipitat kasar atau inklusi, yang berdampak negatif pada kelenturan dan kemampuan las.

Perubahan mikrostruktur yang bertanggung jawab atas efek ini termasuk pembentukan dispersi halus presipitat TiC/TiN dan stabilisasi fase austenitik atau feritik, tergantung pada jenis baja.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alam

Titanium terutama diperoleh dari sumber mineral seperti rutil (TiO₂) dan ilmenit (FeTiO₃). Mineral ini ditambang secara global, dengan produsen utama termasuk Australia, Afrika Selatan, dan China.

Ekstraksi melibatkan reduksi titanium dioksida melalui proses seperti metode Kroll atau Hunter, yang menghasilkan titanium spons. Spons kemudian disempurnakan menjadi titanium kelas metalurgi yang