Oksidasi Internal pada Baja: Penyebab, Efek, dan Pengendalian Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Oksidasi internal adalah fenomena metalurgi yang ditandai oleh difusi oksigen ke dalam matriks baja, yang mengakibatkan oksidasi terlokalisasi di dalam bahan daripada hanya di permukaan. Ini muncul sebagai pembentukan partikel atau lapisan oksida yang terbenam di dalam baja, sering kali tidak terlihat oleh mata telanjang tetapi dapat terdeteksi melalui pemeriksaan mikroskopis. Cacat ini signifikan karena dapat mengompromikan sifat mekanik, ketahanan korosi, dan integritas keseluruhan komponen baja.

Dalam konteks pengendalian kualitas baja dan pengujian material, oksidasi internal berfungsi sebagai indikator kondisi pemrosesan yang tidak tepat, seperti paparan oksigen yang berlebihan selama peleburan, pengecoran, atau perlakuan panas. Ini adalah faktor kritis dalam menilai kesesuaian baja untuk aplikasi berkinerja tinggi, terutama di mana integritas internal sangat penting. Mengenali dan mengendalikan oksidasi internal sangat penting untuk memastikan keandalan, daya tahan, dan keamanan produk baja di berbagai industri.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, oksidasi internal biasanya tidak menghasilkan cacat permukaan yang terlihat; namun, dalam beberapa kasus, dapat menyebabkan porositas internal atau mikroretakan yang dapat terdeteksi melalui metode pengujian non-destruktif. Secara mikroskopis, oksidasi internal muncul sebagai partikel oksida diskrit atau zona yang tersebar dalam matriks baja, sering kali sejajar di sepanjang batas butir atau dalam fitur mikrostruktur tertentu.

Fitur karakteristik termasuk partikel oksida halus dan gelap yang terbenam dalam fase ferit atau austenit, kadang-kadang membentuk jaringan kontinu di sepanjang batas butir. Inklusi oksida ini dapat bervariasi dalam ukuran dari nanometer hingga mikrometer, tergantung pada tingkat oksidasi dan kondisi pemrosesan. Di bawah cahaya terpolarisasi atau mikroskop elektron, oksida internal menunjukkan kontras yang jelas dibandingkan dengan logam di sekitarnya, membantu dalam identifikasinya.

Mekanisme Metalurgi

Mekanisme utama di balik oksidasi internal melibatkan masuknya atom oksigen ke dalam baja selama pemrosesan suhu tinggi, seperti peleburan, pengecoran, atau perlakuan panas. Ketika oksigen difus ke dalam baja, ia bereaksi secara preferensial dengan elemen paduan seperti silikon, mangan, atau aluminium, membentuk senyawa oksida yang stabil dalam mikrostruktur.

Proses ini diatur oleh kinetika difusi, yang bergantung pada suhu, tekanan parsial oksigen, dan komposisi kimia baja. Misalnya, pada baja dengan kandungan silikon tinggi, oksida silikon cenderung terbentuk secara internal, terutama jika oksigen hadir selama pemrosesan. Perubahan mikrostruktur termasuk presipitasi partikel oksida dalam fase ferit atau austenit, yang dapat bertindak sebagai konsentrator stres dan melemahkan material.

Pembentukan oksida internal juga dapat dipengaruhi oleh keberadaan kotoran atau gas residu yang terperangkap selama pembekuan. Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, kontrol atmosfer, dan praktik deoksidasi sangat mempengaruhi tingkat oksidasi internal.

Sistem Klasifikasi

Klasifikasi standar oksidasi internal sering melibatkan tingkat keparahan berdasarkan ukuran, distribusi, dan fraksi volume inklusi oksida:

• Tingkat 0 (Tidak ada oksidasi internal): Tidak ada partikel oksida internal yang terdeteksi; mikrostruktur ideal.
• Tingkat 1 (Oksidasi internal ringan): Partikel oksida kecil sesekali, dampak minimal pada sifat.
• Tingkat 2 (Oksidasi internal sedang): Dispersi oksida yang terlihat, beberapa pelemahan mikrostruktur.
• Tingkat 3 (Oksidasi internal parah): Jaringan oksida yang luas, degradasi mikrostruktur yang signifikan, potensi untuk retakan internal.

Klasifikasi ini membantu metalurgis dan inspektur kualitas dalam mengevaluasi penerimaan baja untuk aplikasi tertentu. Misalnya, baja struktural berkualitas tinggi memerlukan oksidasi internal yang minimal, sementara beberapa pengecoran mungkin mentolerir tingkat yang lebih tinggi karena penggunaan yang dimaksudkan.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Deteksi oksidasi internal terutama bergantung pada pemeriksaan mikroskopis. Mikroskopi optik, terutama setelah etsa yang tepat, mengungkapkan partikel oksida dalam mikrostruktur. Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) memberikan gambar resolusi lebih tinggi, memungkinkan analisis rinci morfologi dan distribusi oksida.

Spektroskopi sinar-X energi-dispersif (EDS), yang dipasangkan dengan SEM, memungkinkan analisis elemental dari inklusi, mengonfirmasi sifat oksidanya dan mengidentifikasi elemen penyusunnya. Mikroskopi elektron transmisi (TEM) menawarkan resolusi yang lebih halus, mampu mengkarakterisasi oksida berukuran nano dan kristalografi mereka.

Metode pengujian non-destruktif seperti pengujian ultrasonik atau tomografi komputer sinar-X (CT) kadang-kadang dapat mendeteksi porositas internal atau variasi densitas yang disebabkan oleh oksida internal, tetapi mereka kurang spesifik untuk identifikasi oksida.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional yang relevan termasuk ASTM E45 (Metode Uji Standar untuk Menentukan Konten Inklusi Baja), ISO 4967 (Baja — Pemeriksaan Mikrografik), dan EN 10247 (Baja — Mikrostruktur dan Konten Inklusi). Standar ini menetapkan prosedur untuk mempersiapkan sampel, etsa, dan analisis mikroskopis.

Prosedur tipikal melibatkan:

• Memotong spesimen representatif dari produk baja.
• Memasang dan memoles sampel hingga permukaan cermin.
• Melakukan etsa dengan reagen yang sesuai (misalnya, Nital, pikral) untuk mengungkap fitur mikrostruktur.
• Memeriksa di bawah mikroskop optik atau elektron pada pembesaran yang ditentukan.
• Mendokumentasikan ukuran, distribusi, dan morfologi oksida internal.

Parameter kritis termasuk komposisi etsa, tingkat pembesaran, dan teknik analisis gambar, yang mempengaruhi sensitivitas deteksi dan repetisi.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari seluruh batch, diambil dari lokasi kritis yang rentan terhadap oksidasi, seperti pusat pengecoran atau bagian tebal. Persiapan permukaan melibatkan penggilingan dan pemolesan untuk mencapai permukaan yang halus dan bebas cacat, meminimalkan artefak yang dapat mengaburkan fitur internal.

Untuk analisis mikrostruktur, sampel harus dipersiapkan dengan hati-hati untuk mencegah pengenalan artefak. Bagian tipis atau pemasangan metalografi adalah standar, dengan etsa yang dioptimalkan untuk mengungkap oksida internal.

Ukuran dan orientasi sampel sangat penting; sampel yang terlalu kecil mungkin tidak menangkap heterogenitas, sementara spesimen yang terlalu besar mungkin sulit dipersiapkan secara seragam. Pengambilan sampel yang konsisten memastikan penilaian yang dapat diandalkan terhadap tingkat oksidasi internal.

Akurasi Pengukuran

Analisis mikroskopis menawarkan presisi tinggi ketika prosedur standar diikuti. Repetisi tergantung pada keterampilan operator, kualitas sampel, dan kalibrasi peralatan. Reproduksibilitas meningkat dengan analisis gambar otomatis dan kriteria standar untuk identifikasi oksida.

Sumber kesalahan termasuk persiapan sampel yang tidak tepat, etsa yang tidak konsisten, atau salah tafsir fitur oksida. Untuk memastikan kualitas pengukuran, kalibrasi dengan bahan referensi, beberapa pengukuran di berbagai daerah, dan validasi silang oleh analis yang berbeda disarankan.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Kuantifikasi oksidasi internal melibatkan pengukuran fraksi volume, distribusi ukuran, dan densitas spasial partikel oksida. Satuan umum termasuk:

• Persentase volume (%): Rasio volume oksida terhadap total volume mikrostruktur.
• Ukuran partikel (μm): Diameter rata-rata atau maksimum inklusi oksida.
• Densitas jumlah (partikel/mm²): Hitungan partikel oksida per