Inklusi Non-Metalik dalam Baja: Deteksi, Dampak & Kontrol Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Inklusi non-logam adalah partikel terpisah yang tidak diinginkan yang terbenam dalam matriks baja yang tidak terdiri dari fase logam. Inklusi ini biasanya terdiri dari oksida, sulfida, silikat, atau fosfat, yang berasal dari kotoran atau reaksi selama proses pembuatan dan pemurnian baja. Mereka dianggap sebagai cacat kritis karena dapat mengkompromikan sifat mekanik, kualitas permukaan, dan integritas keseluruhan produk baja.

Dalam konteks pengendalian kualitas baja dan pengujian material, inklusi non-logam berfungsi sebagai indikator kunci kebersihan proses dan kemurnian baja. Kehadiran dan karakteristik mereka mempengaruhi kemampuan mesin baja, ketangguhan, ketahanan terhadap kelelahan, dan kemampuan pengelasan. Oleh karena itu, memahami, mendeteksi, dan mengendalikan inklusi ini adalah aspek fundamental dari pembuatan baja dan jaminan kualitas.

Dalam kerangka jaminan kualitas baja yang lebih luas, inklusi non-logam diklasifikasikan sebagai cacat mikrostruktur yang dapat dinilai secara kuantitatif dan kualitatif melalui berbagai metode pengujian. Analisis mereka membantu dalam mengevaluasi efisiensi proses, teknik pemurnian, dan memastikan kepatuhan terhadap standar industri. Mengelola inklusi sangat penting untuk memproduksi baja berkinerja tinggi yang cocok untuk aplikasi kritis seperti dirgantara, otomotif, dan rekayasa struktural.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, inklusi non-logam sering muncul sebagai noda permukaan, garis terak, atau partikel terbenam yang terlihat oleh mata telanjang, terutama pada sampel yang dipoles atau diukir. Mereka dapat muncul sebagai bintik-bintik gelap, garis, atau bercak tidak teratur pada permukaan baja atau permukaan patahan.

Secara mikroskopis, inklusi ini adalah partikel terpisah, seringkali berbentuk bulat, memanjang, atau berbentuk tidak teratur yang tersebar dalam matriks baja. Di bawah mikroskop optik atau elektron, mereka dapat dibedakan berdasarkan kontras, bentuk, dan komposisi mereka. Ciri khas termasuk indeks bias yang berbeda dibandingkan dengan matriks baja, batas yang jelas, dan morfologi karakteristik yang membantu identifikasi.

Mechanisme Metalurgi

Pembentukan inklusi non-logam terutama merupakan konsekuensi dari reaksi kimia selama pembuatan baja, seperti oksidasi, desulfurisasi, dan deoksidasi. Reaksi ini menghasilkan senyawa stabil seperti oksida (misalnya, alumina, silika), sulfida (misalnya, sulfida mangan), dan silikat atau fosfat kompleks.

Selama pembekuan, inklusi ini cenderung mengkristal pada fase non-logam atau kotoran dan tumbuh melalui koalesensi atau agregasi. Interaksi mikrostruktural mereka mempengaruhi sifat baja, karena inklusi dapat bertindak sebagai konsentrator stres atau situs inisiasi retak.

Komposisi baja secara signifikan mempengaruhi pembentukan inklusi. Misalnya, tingkat oksigen atau sulfur yang tinggi mendorong inklusi oksida atau sulfida. Kondisi pemrosesan seperti suhu, komposisi terak, dan praktik deoksidasi menentukan ukuran, distribusi, dan morfologi inklusi. Pengendalian yang tepat terhadap parameter ini dapat meminimalkan inklusi yang merugikan dan mempromosikan inklusi yang diinginkan.

Sistem Klasifikasi

Klasifikasi standar inklusi non-logam sering mengikuti Standar Internasional ISO 4967 atau ASTM E45. Inklusi dikategorikan berdasarkan bentuk, ukuran, komposisi, dan distribusi mereka:

• Jenis: Oksida, sulfida, silikat, fosfat, atau inklusi kompleks.
• Bentuk: Bulat, memanjang, tidak teratur.
• Ukuran: Mikro-inklusi (<10 μm), makro-inklusi (>10 μm).
• Distribusi: Terpisah, terkelompok, atau terjaring.

Tingkat keparahan biasanya dinilai sebagai:

• Tingkat 1 (Baja Bersih): Sangat sedikit inklusi, sebagian besar mikroskopis, dengan dampak minimal.
• Tingkat 2 (Cukup Bersih): Inklusi kecil ada tetapi tidak mempengaruhi kinerja secara signifikan.
• Tingkat 3 (Terkontaminasi): Inklusi yang terlihat yang dapat merusak sifat.
• Tingkat 4 (Sangat Terkontaminasi): Inklusi besar dan banyak yang mengkompromikan integritas.

Menafsirkan klasifikasi ini membantu dalam menilai kualitas baja untuk aplikasi tertentu, dengan standar yang lebih ketat untuk baja berkinerja tinggi.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode utama untuk mendeteksi inklusi non-logam termasuk mikroskopi optik, mikroskopi elektron pemindaian (SEM), dan sistem analisis inklusi otomatis.

Mikroskopi optik melibatkan persiapan sampel baja yang dipoles dan diukir untuk mengungkap inklusi. Prinsipnya bergantung pada perbedaan dalam sifat optik, seperti kontras dan reflektivitas, untuk mengidentifikasi inklusi pada skala mikro.

SEM memberikan pencitraan resolusi tinggi dan analisis elemental melalui spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS). Ini memungkinkan karakterisasi rinci morfologi dan komposisi inklusi.

Analyzer inklusi otomatis memanfaatkan algoritma pemrosesan citra untuk mengukur ukuran, jumlah, dan distribusi inklusi di berbagai bidang, meningkatkan efisiensi dan keandalan statistik.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar yang relevan termasuk ASTM E45 (Metode Uji Standar untuk Menentukan Konten Inklusi Baja), ISO 4967, dan EN 10247.

Prosedur tipikal meliputi:

• Persiapan sampel: pemotongan, pemasangan, penggilingan, pemolesan, dan pengukiran.
• Pemeriksaan mikroskopis: menggunakan sistem optik atau SEM yang terkalibrasi.
• Pencatatan inklusi: memilih bidang representatif, mengukur ukuran dan bentuk inklusi.
• Pencatatan data: mendokumentasikan jumlah inklusi, ukuran, dan distribusi.

Parameter kritis termasuk pembesaran, jenis pengukir, dan pengaturan analisis citra, yang mempengaruhi sensitivitas dan akurasi deteksi.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari batch baja, dengan persiapan permukaan yang tepat untuk mengungkap inklusi dengan jelas. Prosedur standar merekomendasikan pemolesan hingga hasil akhir cermin dan pengukiran dengan reagen yang sesuai (misalnya, Nital atau Picral) untuk meningkatkan kontras.

Ukuran dan lokasi sampel sangat penting; beberapa sampel dari pemanasan yang berbeda atau pemanasan dianalisis untuk memastikan relevansi statistik. Cacat permukaan atau kontaminasi dapat mempengaruhi hasil, sehingga penanganan yang hati-hati sangat penting.

Akurasi Pengukuran

Presisi tergantung pada kualitas persiapan sampel, kalibrasi mikroskop, dan keahlian operator. Repetisi dicapai melalui prosedur standar, sementara reproduksibilitas memerlukan peralatan dan kondisi yang konsisten.

Sumber kesalahan termasuk pengukiran yang tidak tepat, salah tafsir inklusi, atau pengambilan sampel yang tidak memadai. Untuk memastikan kualitas pengukuran, kalibrasi dengan bahan referensi bersertifikat, pengukuran ganda, dan analisis statistik diterapkan.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Kandungan inklusi biasanya dinyatakan sebagai:

• Jumlah inklusi per unit area (misalnya, inklusi/mm²).
• Distribusi ukuran inklusi (misalnya, diameter maksimum dalam mikrometer).
• Fraksi volume inklusi (% dari total volume yang ditempati oleh inklusi).

Secara matematis, densitas inklusi $N$ dihitung sebagai:

$$N = \frac{\text{Jumlah inklusi}}{\text{Area