Oksidasi pada Baja: Penyebab, Efek, dan Langkah-Langkah Pengendalian Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Oksidasi dalam industri baja mengacu pada reaksi kimia di mana oksigen berinteraksi dengan konstituen logam dari baja, yang mengakibatkan pembentukan senyawa oksida di permukaan atau dalam mikrostruktur baja. Ini adalah fenomena metalurgi yang mendasar yang dapat terjadi selama berbagai tahap pemrosesan baja, termasuk peleburan, pengecoran, perlakuan panas, dan penyelesaian.

Proses ini ditandai dengan pembentukan lapisan oksida atau inklusi yang dapat mempengaruhi kualitas permukaan baja, sifat mekanik, dan ketahanan korosi. Dalam pengendalian kualitas dan pengujian material, oksidasi sering dievaluasi untuk menilai kebersihan permukaan, pengendalian proses, dan integritas pelapis atau perlakuan pelindung.

Dalam kerangka jaminan kualitas baja yang lebih luas, oksidasi adalah faktor kritis karena oksidasi yang berlebihan atau tidak terkontrol dapat menyebabkan cacat seperti kekasaran permukaan, pengelupasan, atau inklusi internal, yang mengompromikan kinerja baja. Manajemen yang tepat dari proses oksidasi memastikan produksi baja dengan sifat yang diinginkan, cacat permukaan minimal, dan daya tahan yang lebih baik.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, oksidasi muncul sebagai skala atau lapisan oksida yang terlihat di permukaan baja, sering kali tampak sebagai film kusam, mengelupas, atau berubah warna. Warna dapat bervariasi dari abu-abu terang hingga coklat tua atau hitam, tergantung pada jenis dan ketebalan oksida. Skala ini dapat dengan mudah dihapus atau mungkin melekat kuat, mempengaruhi penyelesaian permukaan dan langkah pemrosesan berikutnya.

Secara mikroskopis, oksidasi muncul sebagai jaringan partikel atau lapisan oksida dalam mikrostruktur. Oksida ini biasanya terdiri dari oksida besi (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄) dan oksida elemen paduan lainnya, membentuk fase yang berbeda yang dapat diidentifikasi melalui pemeriksaan metalografi. Ketebalan dan keseragaman lapisan oksida adalah indikator kunci dari tingkat keparahan oksidasi.

Mekanisme Metalurgi

Oksidasi terjadi ketika molekul oksigen difusi ke dalam permukaan baja, bereaksi dengan besi dan elemen paduan seperti kromium, nikel, mangan, dan lainnya. Proses ini didorong secara termodinamika oleh afinitas tinggi elemen-elemen ini terhadap oksigen, terutama pada suhu tinggi.

Secara mikrostruktur, oksidasi melibatkan pembentukan film atau inklusi oksida di batas butir, dalam matriks, atau di permukaan. Pembentukan awal lapisan oksida tipis dapat bertindak sebagai penghalang pelindung; namun, jika oksidasi berlanjut atau skala menjadi berpori atau retak, dapat menyebabkan pengelupasan atau oksidasi internal.

Komposisi baja secara signifikan mempengaruhi perilaku oksidasi. Misalnya, baja dengan kandungan kromium yang lebih tinggi cenderung membentuk lapisan oksida yang lebih stabil dan melekat, meningkatkan ketahanan terhadap oksidasi. Sebaliknya, baja paduan rendah atau yang memiliki tingkat kotoran tinggi lebih rentan terhadap oksidasi yang parah dan pembentukan skala.

Sistem Klasifikasi

Tingkat keparahan oksidasi sering diklasifikasikan berdasarkan ketebalan dan keterikatan skala oksida, serta dampak mikrostruktur. Klasifikasi umum meliputi:

• Oksidasi ringan: Lapisan oksida tipis dan melekat, dampak minimal pada kualitas permukaan.
• Oksidasi sedang: Skala yang lebih tebal dengan beberapa pengelupasan, potensi kekasaran permukaan.
• Oksidasi parah: Lapisan oksida yang tebal, mengelupas, atau berpori, degradasi permukaan yang signifikan.

Dalam praktik industri, klasifikasi ini memandu keputusan tentang perlakuan permukaan, pemrosesan ulang, atau kriteria penerimaan. Misalnya, dalam perlakuan panas, oksidasi "ringan" mungkin dapat diterima, sedangkan oksidasi "parah" sering kali memerlukan pembersihan atau pemrosesan ulang.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Pemeriksaan visual tetap menjadi metode paling sederhana untuk deteksi oksidasi awal, terutama untuk penilaian skala permukaan. Perubahan warna, pengelupasan, atau kekasaran menunjukkan tingkat oksidasi.

Mikroskopi metalografi memungkinkan pemeriksaan rinci lapisan oksida pada pembesaran tinggi, mengungkapkan fitur mikrostruktur seperti ketebalan oksida, keterikatan, dan zona oksidasi internal.

Teknik analisis permukaan seperti Mikroskop Elektron Pemindaian (SEM) yang dipadukan dengan Spektroskopi Energi Dispersif Sinar-X (EDS) memungkinkan karakterisasi permukaan yang rinci dan analisis elemen, mengkonfirmasi keberadaan dan komposisi oksida.

Difraksi sinar-X (XRD) digunakan untuk mengidentifikasi fase oksida tertentu, memberikan wawasan tentang produk oksidasi yang terbentuk selama pemrosesan.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional seperti ASTM A262, ISO 10286, dan EN 10204 menetapkan prosedur untuk menilai cacat terkait oksidasi. Prosedur tipikal meliputi:

• Menyiapkan permukaan spesimen dengan membersihkan untuk menghilangkan skala dan kontaminan yang longgar.
• Memanaskan sampel di bawah atmosfer terkendali atau di udara pada suhu tertentu.
• Memantau permukaan pada interval yang ditentukan untuk pembentukan skala.
• Mengukur ketebalan lapisan oksida menggunakan mikroskopi optik atau SEM.
• Mencatat penampilan, keterikatan, dan fitur mikrostruktur dari oksida.

Parameter kritis meliputi suhu, waktu paparan, komposisi atmosfer, dan laju pendinginan, yang semuanya mempengaruhi tingkat dan karakteristik oksidasi.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari batch produksi, dengan permukaan disiapkan secara merata—dibersihkan, dipoles, atau di etsa sesuai kebutuhan—untuk memastikan penilaian yang akurat. Kondisi permukaan menghilangkan kontaminan yang dapat mengganggu pengukuran.

Untuk analisis mikrostruktur, spesimen biasanya dipotong, dipasang, dipoles, dan di etsa untuk mengungkapkan lapisan oksida dan mikrostruktur yang mendasarinya dengan jelas.

Ukuran dan bentuk sampel harus sesuai dengan standar yang relevan untuk memfasilitasi pengukuran dan perbandingan yang konsisten di seluruh pengujian.

Akurasi Pengukuran

Presisi pengukuran tergantung pada resolusi mikroskopi atau peralatan analitis. Pengukuran berulang dan kalibrasi dengan standar meningkatkan keterulangan dan reproduksibilitas.

Sumber kesalahan termasuk kontaminasi permukaan, lapisan oksida yang tidak merata, atau variabilitas operator. Untuk meminimalkan ini, prosedur standar, kalibrasi yang tepat, dan personel terlatih sangat penting.

Melaksanakan langkah-langkah pengendalian kualitas seperti perbandingan antar laboratorium dan grafik kontrol memastikan keandalan pengukuran.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Ketebalan lapisan oksida biasanya diukur dalam mikrometer (μm). Skala pengukuran dapat melibatkan:

• Ketebalan oksida rata-rata: Nilai rata-rata yang diperoleh dari beberapa pengukuran.
• Ketebalan oksida maksimum: Titik tertebal yang diamati.
• Cakupan skala: Persentase area permukaan yang terpengaruh.

Secara matematis, ketebalan rata-rata $t_avg$ dihitung sebagai:

t_avg = (Σ t_i) / n

di mana t_i adalah ketebalan pada titik tertentu, dan n adalah jumlah pengukuran.

Faktor konversi umumnya tidak diperlukan, tetapi saat membandingkan dengan satuan lain, 1 μm sama dengan 0.001 mm.

Interpretasi Data