Seng (Zn): Perannya dan Dampaknya dalam Metalurgi Baja dan Perlindungan Korosi

Definisi dan Sifat Dasar

Seng (Zn) adalah unsur kimia dengan nomor atom 30, termasuk dalam Grup 12 tabel periodik. Ini adalah logam berwarna putih kebiruan yang mengkilap, ditandai dengan titik lebur yang moderat dan ketahanan korosi yang sangat baik. Dalam bentuk murninya, seng menunjukkan struktur kristalin dengan kisi heksagonal yang rapat (hcp), yang mempengaruhi perilaku fisik dan metalurginya.

Secara fisik, seng muncul sebagai logam kristalin yang rapuh pada suhu kamar, dengan densitas sekitar 7,14 g/cm³. Titik leburnya adalah 419,5°C, dan mendidih pada 907°C. Titik lebur seng yang relatif rendah membuatnya cocok untuk aplikasi paduan dan pelapisan dalam produksi baja. Ini juga dikenal karena konduktivitas termal dan listriknya yang baik, meskipun sifat-sifat ini kurang kritis dalam aplikasi baja.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Dalam metalurgi baja, seng berfungsi terutama sebagai agen galvanisasi, memberikan ketahanan korosi melalui galvanisasi celup panas. Ini juga bertindak sebagai unsur paduan dalam beberapa jenis baja, mempengaruhi mikrostruktur dan sifat mekanik. Penambahan seng dapat memodifikasi transformasi fase, pemurnian butir, dan karakteristik inklusi.

Seng mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dengan mendorong pembentukan inklusi tertentu dan memperhalus ukuran butir selama pembekuan. Ini juga dapat mempengaruhi stabilitas fase tertentu, seperti ferit dan perlit, sehingga berdampak pada kekerasan dan ketangguhan baja. Perannya dalam mendefinisikan klasifikasi baja terutama melalui kontribusinya terhadap baja galvannealed dan baja berlapis seng, yang sangat penting dalam industri otomotif dan konstruksi.

Konteks Sejarah

Penggunaan seng dalam produksi baja dimulai pada awal abad ke-20, awalnya sebagai pelapis untuk mencegah karat. Pengembangan galvanisasi celup panas pada tahun 1920-an menandai tonggak penting, menetapkan pentingnya seng dalam perlindungan korosi. Seiring waktu, penelitian mengungkapkan pengaruh seng terhadap mikrostruktur dan sifat baja, yang mengarah pada paduan seng secara sengaja dalam baja khusus.

Pemahaman tentang efek metalurgi seng berkembang melalui studi tentang pembentukan inklusi, proses galvanisasi celup panas, dan perilaku paduan. Kelas baja landmark seperti baja struktural yang digalvanisasi dan baja yang dilapisi seng-aluminium menggambarkan peran penting seng. Baja-baja ini telah menjadi standar di sektor-sektor yang membutuhkan daya tahan dan ketahanan korosi.

Keberadaan dalam Baja

Dalam baja, seng biasanya hadir dalam konsentrasi yang berkisar dari jumlah jejak hingga 0,1 wt% dalam baja yang digalvanisasi. Dalam baja paduan, seng dapat ditambahkan secara sengaja pada tingkat hingga 0,5 wt% untuk sifat tertentu. Namun, dalam banyak kasus, seng dianggap sebagai kotoran, terutama dalam proses pembuatan baja di mana dapat menyebabkan masalah seperti kerapuhan atau kontaminasi proses.

Di dalam matriks baja, seng ada terutama sebagai larutan padat atau sebagai endapan halus dalam mikrostruktur. Dalam galvanisasi, seng membentuk lapisan pelindung di permukaan baja, sering kali sebagai paduan seng-besi atau lapisan seng murni, tergantung pada parameter proses.

Efek Metalurgi dan Mekanisme

Pengaruh Mikrostruktur

Seng mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dengan mempengaruhi kimia inklusi dan karakteristik batas butir. Selama pembekuan, seng dapat mendorong pembentukan inklusi kaya seng, yang bertindak sebagai situs nukleasi untuk pemurnian butir. Ini juga memodifikasi suhu transformasi, seperti Ac1 dan Ac3, dengan mengubah termodinamika perubahan fase.

Interaksi dengan unsur paduan lain seperti karbon, mangan, dan silikon dapat menyebabkan struktur inklusi yang kompleks, seperti oksida atau sulfida seng-besi. Inklusi ini mempengaruhi kemampuan kerja panas, kemampuan pengelasan, dan ketahanan korosi. Kehadiran seng juga dapat menghambat pembentukan fase yang tidak diinginkan seperti karbida atau sulfida, meningkatkan kualitas baja secara keseluruhan.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Secara mekanis, seng meningkatkan ketahanan korosi, terutama pada baja galvannealed, dengan membentuk lapisan oksida pelindung. Ini juga dapat mempengaruhi kekuatan dan ketangguhan; misalnya, pelapisan seng meningkatkan daya tahan baja tanpa secara signifikan mengorbankan ketangguhan.

Secara fisik, kehadiran seng dapat sedikit mengurangi konduktivitas termal dan listrik karena lapisan oksida isolasi. Secara magnetis, seng memiliki dampak minimal, tetapi baja berlapis seng dapat menunjukkan sifat magnetik yang berubah karena efek permukaan.

Secara kimia, seng meningkatkan ketahanan oksidasi selama kerja panas dan layanan, terutama di lingkungan lembab. Ini juga memberikan perlindungan pengorbanan, mencegah pembentukan karat pada permukaan baja.

Mekanisme Penguatan

Kontribusi seng terhadap penguatan dalam baja terutama melalui efek mikro paduan, seperti pemurnian butir dan modifikasi inklusi. Dalam baja galvannealed, endapan seng dapat menjepit batas butir, meningkatkan kekuatan dan ketangguhan.

Hubungan kuantitatif menunjukkan bahwa penambahan kecil seng (hingga 0,1 wt%) dapat secara signifikan meningkatkan ketahanan korosi dengan dampak minimal pada kekuatan. Perubahan mikrostruktur, seperti pembentukan inklusi kaya seng, berkontribusi pada efek ini dengan menghambat pergerakan dislokasi dan pertumbuhan butir.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Seng diperoleh terutama dari bijih mineral seperti sfalerit (ZnS), yang merupakan bijih seng yang paling melimpah. Ekstraksi melibatkan pemanggangan bijih untuk mengubah sulfida menjadi oksida, diikuti dengan reduksi dalam tungku menggunakan karbon atau pemurnian elektrolitik untuk menghasilkan logam seng murni.

Produksi seng global terkonsentrasi di negara-negara seperti China, Australia, dan Peru. Pentingnya strategis seng dalam pembuatan baja berasal dari perannya dalam perlindungan korosi dan paduan, menjadikannya bahan baku yang kritis dalam industri metalurgi.

Bentuk Penambahan

Dalam pembuatan baja, seng biasanya ditambahkan dalam bentuk limbah galvanisasi kaya seng, paduan seng, atau sebagai ingot seng murni. Untuk tujuan paduan, seng dapat diperkenalkan sebagai paduan ferrozinc (Fe-Zn) atau bubuk seng. Penanganan memerlukan kontrol yang hati-hati untuk mencegah oksidasi dan memastikan distribusi yang merata.

Tingkat pemulihan tergantung pada metode penambahan; misalnya, limbah galvanisasi dapat memiliki hasil lebih dari 95%, sementara penambahan langsung seng murni memerlukan dosis yang tepat. Pilihan bentuk tergantung pada efek yang diinginkan, kompatibilitas proses, dan pertimbangan ekonomi.

Waktu dan Metode Penambahan

Seng biasanya ditambahkan selama proses pembuatan baja pada berbagai tahap, seperti selama peleburan dalam tungku busur listrik (EAF) atau pemurnian ladle. Dalam galvanisasi, seng diterapkan setelah produksi melalui celup panas atau elektrogalvanisasi.

Waktu sangat penting untuk memastikan distribusi yang homogen dan untuk mencegah penguapan seng atau reaksi dengan bahan refraktori. Untuk baja paduan, seng sering diperkenalkan selama perlakuan ladle, memungkinkan kontrol yang tepat atas konsentrasi.

Metode untuk memastikan keseragaman termasuk pengadukan, agitasi elektromagnetik, dan pengaturan suhu yang terkontrol. Waktu penambahan yang tepat meminimalkan segregasi dan pembentukan inklusi, mengoptimalkan efek metalurgi.

Kontrol Kualitas

Verifikasi tingkat seng melibatkan analisis spektroskopi, seperti spektroskopi emisi optik (OES) atau metode plasma yang diinduksi (ICP). Pengambilan sampel dan analisis secara teratur memastikan kepatuhan terhadap spesifikasi.

Deteksi reaksi abnormal, seperti penguapan seng yang berlebihan atau pembentukan inklusi, memerlukan pemeriksaan mikroskopis dan analisis terak. Kontrol proses termasuk pemantauan suhu, kimia terak, dan laju penambahan untuk mempertahankan efek yang konsisten.

Kisaran Konsentrasi dan Efek yang Umum