Inklusi: Cacat Utama dalam Pengendalian Kualitas dan Pengujian Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Dalam industri baja, Inklusi mengacu pada partikel atau fase non-logam yang terbenam dalam matriks baja yang berasal dari kotoran, kondisi pemrosesan, atau elemen paduan. Inklusi ini biasanya terdiri dari oksida, sulfida, silikat, atau fase senyawa lain yang tidak larut dalam fase logam.

Inklusi dianggap sebagai cacat kritis karena mempengaruhi sifat mekanik, kualitas permukaan, dan kemampuan pengelasan produk baja. Kehadirannya dapat menyebabkan penurunan ketangguhan, peningkatan kerapuhan, dan kerentanan terhadap kegagalan dalam kondisi layanan.

Dalam kerangka jaminan kualitas baja yang lebih luas, inklusi berfungsi sebagai indikator kunci dari pengendalian proses dan kebersihan. Mereka digunakan untuk mengevaluasi efektivitas proses pemurnian dan untuk memastikan bahwa baja memenuhi standar yang ditentukan untuk kinerja dan keandalan.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, inklusi sering muncul sebagai noda permukaan, seperti garis terak, bintik, atau partikel yang terbenam yang terlihat oleh mata telanjang atau di bawah pembesaran rendah. Mereka dapat muncul sebagai bintik gelap atau terang, tergantung pada komposisi dan ukuran mereka, dan kadang-kadang dapat terdeteksi melalui inspeksi permukaan atau pengujian non-destruktif.

Secara mikroskopis, inklusi diamati sebagai partikel diskrit dalam mikrostruktur baja. Mereka bervariasi dalam bentuk, ukuran, dan distribusi, mulai dari partikel halus yang terdispersi hingga fase yang lebih besar dan terkelompok. Di bawah mikroskop optik atau elektron, inklusi diidentifikasi berdasarkan kontras, morfologi, dan tanda komposisi mereka.

Fitur karakteristik termasuk bentuknya yang tidak teratur atau bulat, batas yang jelas dari matriks sekitarnya, dan komposisi elemen tertentu. Distribusi ukuran, kerapatan jumlah, dan morfologi inklusi adalah parameter kritis untuk menilai kebersihan baja.

Mekanisme Metalurgi

Inklusi berasal terutama dari terjebaknya fase non-logam selama proses pembuatan dan pemurnian baja. Mereka terbentuk melalui reaksi antara oksigen, sulfur, dan elemen lain, menghasilkan oksida, sulfida, atau senyawa kompleks.

Secara mikrostruktur, inklusi sering terletak di batas butir, di dalam butir, atau sepanjang dislokasi. Pembentukannya dipengaruhi oleh komposisi kimia baja, suhu, dan laju pendinginan. Misalnya, aktivitas oksigen yang tinggi mendorong pembentukan oksida, sementara lingkungan kaya sulfur mendukung inklusi sulfida.

Interaksi mikrostruktur melibatkan nukleasi, pertumbuhan, dan aglomerasi fase non-logam ini. Termodinamika dan kinetika dari proses ini menentukan ukuran, bentuk, dan distribusi inklusi.

Komposisi baja memainkan peran penting; elemen paduan seperti aluminium, kalsium, atau logam tanah jarang dapat memodifikasi jenis dan morfologi inklusi. Kondisi pemrosesan seperti deoksidasi, penghilangan terak, dan parameter pengecoran secara langsung mempengaruhi konten dan karakteristik inklusi.

Sistem Klasifikasi

Klasifikasi standar inklusi didasarkan pada ukuran, bentuk, komposisi, dan distribusi mereka. Kategori umum meliputi:

• Jenis Inklusi: Oksida, sulfida, silikat, atau inklusi kompleks.
• Ukuran: Halus (<5 μm), sedang (5–20 μm), kasar (>20 μm).
• Bentuk: Bulat, memanjang, tidak teratur.
• Distribusi: Terdispersi, terkelompok, atau sejajar di sepanjang batas butir.

Tingkat keparahan sering dinilai sebagai:

• Baja Bersih: Inklusi minimal, biasanya dengan fraksi area total inklusi di bawah ambang batas yang ditentukan.
• Cukup Bersih: Kehadiran inklusi dalam batas yang dapat diterima untuk aplikasi umum.
• Kaya Inklusi: Inklusi yang berlebihan atau kasar, sering kali tidak dapat diterima untuk aplikasi berkinerja tinggi.

Interpretasi tergantung pada penggunaan yang dimaksud; misalnya, baja untuk dirgantara membutuhkan tingkat inklusi yang sangat rendah, sementara baja struktural mungkin dapat mentolerir konten inklusi yang lebih tinggi.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode utama untuk mendeteksi dan mengkarakterisasi inklusi meliputi:

• Mikroskopi Optik: Digunakan untuk pemeriksaan makro dan mikro dari sampel yang dipoles dan di etsa. Ini memberikan data ukuran, bentuk, dan distribusi.
• Mikroskopi Elektron Pemindaian (SEM): Menawarkan pencitraan resolusi tinggi dan analisis elemen melalui spektroskopi sinar-X energi-disperif (EDS). Ini memungkinkan karakterisasi mendetail dari morfologi dan komposisi inklusi.
• Analisis Gambar Otomatis: Menggabungkan mikroskopi dengan perangkat lunak untuk mengukur ukuran inklusi, kerapatan jumlah, dan fraksi area secara efisien.
• Penguji Ultrasonik: Mendeteksi inklusi besar atau kelompok dalam baja bulk dengan mengukur variasi dalam propagasi gelombang ultrasonik.
• Penguji Magnetik dan Arus Eddy: Berguna untuk mendeteksi inklusi dalam baja ferromagnetik, terutama dekat permukaan.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional yang relevan meliputi:

• ASTM E45/E45M: Metode Pengujian Standar untuk Menentukan Konten Inklusi Baja dengan Metode Inspeksi Bagian Metalografi.
• ISO 4967: Baja — Penentuan konten inklusi dengan metode mikroografi.
• EN 10204: Standar sertifikasi yang menentukan persyaratan pengujian inklusi.

Prosedur standar biasanya melibatkan:

1. Persiapan sampel: pemotongan, pemasangan, penggilingan, pemolesan, dan etsa untuk mengungkap mikrostruktur.
2. Pemeriksaan mikrostruktur di bawah mikroskop optik atau elektron.
3. Pengambilan gambar dan analisis untuk mengukur ukuran inklusi, jumlah, dan fraksi area.
4. Klasifikasi berdasarkan ukuran dan jenis, dengan hasil dibandingkan dengan kriteria penerimaan.

Parameter kritis meliputi tingkat pembesaran, komposisi etsa, dan ambang analisis gambar, yang mempengaruhi sensitivitas deteksi dan akurasi pengukuran.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari batch baja, dengan persiapan permukaan yang tepat untuk mengungkap inklusi dengan jelas. Praktik standar melibatkan:

• Memotong spesimen dari produk baja, memastikan deformasi minimal.
• Pemasangan dalam resin untuk memudahkan pemolesan.
• Pemolesan hingga permukaan cermin untuk mencegah artefak permukaan.
• Etching dengan reagen yang sesuai (misalnya, Nital, pikral) untuk menyoroti fitur mikrostruktur.

Ukuran dan lokasi sampel sangat penting; beberapa sampel dari lokasi yang berbeda memastikan relevansi statistik dan mengurangi bias.

Akurasi Pengukuran

Akurasi pengukuran tergantung pada kalibrasi peralatan, keterampilan operator, dan perangkat lunak analisis gambar. Repetabilitas dicapai melalui prosedur standar, sementara reproduktifitas memerlukan konsistensi dalam persiapan dan kondisi analisis sampel.

Sumber kesalahan termasuk artefak permukaan, etsa yang tidak konsisten, dan interpretasi subjektif. Untuk memastikan kualitas, laboratorium menerapkan rutinitas kalibrasi, perbandingan antar laboratorium, dan validasi dengan bahan referensi bersertifikat.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Konten inklusi biasanya dinyatakan sebagai:

• Kerapatan jumlah: jumlah inklusi per unit area (misalnya, inkl