Tungsten (W): Meningkatkan Kekerasan Baja, Ketahanan Aus & Kekuatan Suhu Tinggi

Definisi dan Sifat Dasar

Tungsten (simbol: W, nomor atom: 74) adalah logam transisi yang ditandai oleh kekerasannya yang luar biasa, titik lebur yang tinggi, dan ketahanan yang luar biasa terhadap aus dan korosi. Ini termasuk dalam Grup 6 tabel periodik, yang terletak di antara logam refraktori, dan terkenal karena sifat fisik dan kimianya yang unik yang menjadikannya sangat berharga dalam aplikasi baja berkinerja tinggi.

Dari segi struktur, tungsten memiliki kisi kristal kubik terpusat tubuh (BCC), yang berkontribusi pada titik lebur dan kekuatannya yang tinggi. Struktur atomnya memiliki 74 proton dan 74 elektron, dengan konfigurasi elektron yang kompleks yaitu [Xe] 4f^14 5d^4 6s^2, memfasilitasi ikatan logam yang kuat dan stabilitas termal yang tinggi.

Secara fisik, tungsten muncul sebagai logam abu-abu baja yang berkilau dengan berat yang padat dan berat—densitasnya sekitar 19,25 g/cm³—menjadikannya salah satu elemen terpadat. Titik leburnya sangat tinggi pada 3422°C (6192°F), yang merupakan yang tertinggi di antara semua logam, memungkinkan untuk bertahan dalam lingkungan termal yang ekstrem. Tungsten juga menunjukkan titik didih yang tinggi (~5555°C), kekerasan yang signifikan (kekerasan Mohs 7.5), dan konduktivitas termal yang sangat baik (~173 W/m·K). Tekanan uapnya yang rendah pada suhu tinggi dan ketahanannya terhadap oksidasi pada suhu tinggi semakin menegaskan kesesuaiannya untuk aplikasi baja yang menuntut.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Dalam metalurgi baja, tungsten berfungsi terutama sebagai elemen paduan yang meningkatkan kekerasan, kekuatan, dan stabilitas suhu tinggi. Ini berkontribusi pada pembentukan karbida, yang sangat penting untuk ketahanan aus dan kinerja alat potong. Kemampuan tungsten untuk menstabilkan karbida pada suhu tinggi menjadikannya penting dalam produksi baja kecepatan tinggi dan baja alat lainnya.

Pengaruhnya terhadap pengembangan mikrostruktur termasuk mempromosikan presipitat karbida yang halus dan stabil yang menghambat pertumbuhan butir selama perlakuan panas. Stabilisasi mikrostruktural ini menghasilkan baja dengan ketangguhan dan ketahanan aus yang superior. Tungsten juga mempengaruhi suhu transformasi, seperti meningkatkan suhu tempering dan pengerasan, sehingga memungkinkan baja untuk mempertahankan kekerasan pada suhu operasi yang lebih tinggi.

Penambahan tungsten membantu mendefinisikan klasifikasi baja seperti baja kecepatan tinggi (misalnya, M2, M42), baja alat, dan beberapa baja paduan yang dirancang untuk layanan suhu tinggi. Kehadirannya memberikan sifat tertentu yang membedakan kelas ini dari baja karbon standar.

Konteks Sejarah

Penggunaan tungsten dalam produksi baja dimulai pada awal abad ke-20, dengan kemajuan signifikan selama Perang Dunia II ketika baja kecepatan tinggi menjadi penting untuk pembuatan alat potong dan perangkat keras militer. Pengembangan baja kecepatan tinggi yang mengandung tungsten menandai tonggak sejarah, karena memungkinkan pemesinan yang lebih cepat dan meningkatkan umur alat.

Memahami efek metalurgi tungsten berkembang melalui penelitian ekstensif pada pertengahan abad ke-20, mengungkapkan perannya dalam pembentukan karbida dan kekuatan suhu tinggi. Kelas baja landmark seperti M2 dan M42 dikembangkan untuk memanfaatkan sifat tungsten, menjadikannya elemen paduan standar dalam baja berkinerja tinggi.

Keberadaan dalam Baja

Tungsten biasanya ditambahkan secara sengaja selama pembuatan baja, dengan konsentrasi berkisar antara 0,5% hingga 18% dalam baja kecepatan tinggi. Dalam baja paduan lainnya, kandungannya bisa serendah 0,1%, berfungsi untuk meningkatkan sifat tertentu tanpa mempengaruhi prosesabilitas secara signifikan.

Di dalam baja, tungsten ada terutama sebagai karbida halus (WC) atau sebagai atom larutan padat dalam matriks ferit atau austenit. Ini juga dapat hadir sebagai inklusi atau presipitat, tergantung pada proses paduan dan kondisi perlakuan panas. Distribusi dan bentuknya dikendalikan dengan hati-hati untuk mengoptimalkan sifat.

Efek Metalurgi dan Mekanisme

Pengaruh Mikrostruktural

Tungsten mempengaruhi mikrostruktur dengan mempromosikan pembentukan karbida halus yang stabil yang mengikat batas butir dan menghambat pertumbuhan butir selama pemrosesan suhu tinggi. Karbida ini, terutama WC, stabil secara termal dan tahan terhadap pengasaran, menjaga integritas mikrostruktural selama layanan.

Ini juga mempengaruhi perilaku transformasi fase, seperti meningkatkan laju pendinginan kritis yang diperlukan untuk transformasi martensitik, sehingga memungkinkan produksi baja dengan kekerasan tinggi dengan mikrostruktur yang terkontrol. Tungsten berinteraksi dengan elemen paduan lainnya seperti kromium dan molibdenum, membentuk karbida kompleks yang lebih lanjut memperhalus mikrostruktur dan meningkatkan stabilitas.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Dari segi mekanis, tungsten meningkatkan kekerasan, kekuatan tarik, dan ketahanan aus, terutama pada suhu tinggi. Ini berkontribusi pada pembentukan karbida keras yang tahan terhadap deformasi dan abrasi, memperpanjang umur layanan alat potong dan bagian yang aus.

Dari segi fisik, tungsten meningkatkan stabilitas termal, memungkinkan baja untuk mempertahankan kekuatan dan kekerasan selama operasi suhu tinggi. Ini juga mempengaruhi sifat magnetik, sering kali meningkatkan saturasi magnet karena sifat metaliknya.

Dari segi kimia, tungsten meningkatkan ketahanan oksidasi dan perilaku korosi pada suhu tinggi, menjadikan baja cocok untuk lingkungan yang menuntut seperti turbin, cetakan, dan alat potong.

Mekanisme Penguatan

Mekanisme penguatan utama yang diberikan oleh tungsten adalah pengerasan presipitasi melalui pembentukan karbida halus. Karbida ini bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, sehingga meningkatkan kekuatan hasil dan kekerasan.

Dari segi kuantitatif, hubungan antara kandungan tungsten dan kekuatan adalah kompleks tetapi umumnya menunjukkan korelasi positif dalam rentang konsentrasi optimal. Misalnya, meningkatkan tungsten dari 1% menjadi 4% dalam baja kecepatan tinggi dapat secara signifikan meningkatkan kekerasan panas dan ketahanan aus.

Dari segi mikrostruktural, pembentukan karbida yang stabil mencegah pengasaran butir selama perlakuan panas, menjaga mikrostruktur halus yang mendasari kekuatan dan ketangguhan tinggi.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Tungsten diperoleh terutama dari deposit mineral seperti wolframite [(Fe,Mn)WO₄] dan scheelite (CaWO₄). Bijih ini ditambang secara luas di negara-negara seperti China, Vietnam, Rusia, dan Bolivia.

Ekstraksi melibatkan penghancuran, pemanggangan, dan pemrosesan kimia—seperti pelindian asam atau flotasi—untuk menghasilkan konsentrat tungsten. Konsentrat ini kemudian disempurnakan melalui metode reduksi kimia, biasanya menggunakan hidrogen atau karbon, untuk menghasilkan bubuk logam tungsten atau paduan yang cocok untuk pembuatan baja.

Ketersediaan global tinggi, dengan pentingnya strategis karena perannya yang krusial dalam baja berkinerja tinggi dan alat potong. Rantai pasokan sensitif terhadap faktor geopolitik, mempengaruhi harga pasar dan ketersediaan.

Bentuk Penambahan

Dalam pembuatan baja, tungsten ditambahkan terutama sebagai ferro-tungsten (FeW), yang biasanya mengandung 70-80% tungsten, atau sebagai karbida tungsten (WC). Ferro-tungsten diproduksi dengan mengaloykan oksida tungsten dengan besi dan karbon, kemudian meleleh dalam tungku busur listrik.

Persyaratan penanganan termasuk menjaga kontrol suhu yang tepat untuk mencegah segregasi dan oksidasi. Tingkat pemulihan tinggi, sering kali melebihi 90%, terutama saat menggunakan ferroalloy, dengan perhitungan hasil berdasarkan kandungan tungsten dan ukuran batch baja.

Waktu dan Metode Penambahan

Tungsten umumnya diperkenalkan selama tahap peleburan, baik di dalam tungku atau melalui penambahan ladle, untuk memastikan distribusi yang homogen. Waktu penambahan sangat penting untuk mencegah segregasi dan untuk mempromosikan presipitasi karbida yang seragam.

Menambahkan tungsten lebih awal dalam proses memungkinkan pengaloyan dan pembentukan karbida yang lebih baik selama