Segregasi dalam Baja: Deteksi, Dampak & Pencegahan dalam Pengendalian Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Segregasi dalam industri baja mengacu pada distribusi atau konsentrasi elemen paduan, kotoran, atau konstituen mikrostruktur yang tidak merata dalam sebuah ingot baja, bloom, billet, atau produk jadi. Ini muncul sebagai zona lokal di mana elemen atau fase tertentu hadir dalam konsentrasi yang lebih tinggi atau lebih rendah daripada komposisi nominal baja. Fenomena ini dapat berdampak negatif pada sifat mekanik, ketahanan korosi, kemampuan pengelasan, dan integritas keseluruhan produk baja.

Pada dasarnya, segregasi adalah heterogenitas mikrostruktur yang dihasilkan dari proses pembekuan, pengecoran, atau perlakuan termal selanjutnya. Ini adalah masalah kualitas yang kritis karena dapat berfungsi sebagai lokasi inisiasi untuk retakan, korosi, atau mekanisme kegagalan lainnya. Dalam kerangka jaminan kualitas baja yang lebih luas, segregasi adalah cacat kunci yang harus diminimalkan atau dikendalikan melalui desain proses yang tepat, pemilihan material, dan pengujian.

Segregasi sering diklasifikasikan sebagai makrosegrasi atau mikrosegrasi berdasarkan skala. Makrosegrasi melibatkan zona besar yang terlihat pada tingkat makro, sementara mikrosegrasi mengacu pada variasi komposisi mikroskopis dalam butir atau fase individu. Mengatasi segregasi sangat penting untuk memastikan keseragaman, kinerja yang dapat diprediksi, dan keamanan komponen baja dalam aplikasi yang menuntut seperti industri struktural, bejana tekan, atau dirgantara.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, segregasi muncul sebagai zona atau pita yang berbeda dalam baja, sering terlihat sebagai perbedaan warna, opasitas, atau penampilan permukaan. Misalnya, dalam ingot cor, makrosegrasi dapat muncul sebagai daerah besar yang memanjang dengan nuansa atau tekstur yang berbeda, menunjukkan variasi dalam komposisi atau mikrostruktur.

Secara mikroskopis, segregasi muncul sebagai daerah lokal dengan mikrostruktur yang berubah, seperti fase yang diperkaya atau terdeplesi, batas butir yang tidak seragam, atau distribusi presipitat. Di bawah mikroskop optik atau elektron, zona-zona ini dapat diidentifikasi melalui perbedaan kontras fase, komposisi elemental, atau fitur mikrostruktur seperti inklusi karbida atau sulfida.

Fitur karakteristik termasuk gradien konsentrasi di seluruh zona, batas fase yang jelas, atau keberadaan fase sekunder yang berbeda dari matriks. Fitur-fitur ini sering dikaitkan dengan front pembekuan, di mana elemen solut ditolak atau terakumulasi, yang mengarah pada heterogenitas komposisi.

Mekanisme Metalurgi

Segregasi berasal terutama selama proses pembekuan baja. Ketika logam cair mendingin dan membeku, elemen solut seperti karbon, mangan, sulfur, atau fosfor cenderung terpartisi antara fase padat dan cair sesuai dengan koefisien partisi mereka. Elemen dengan koefisien partisi kurang dari satu cenderung ditolak ke dalam cairan yang tersisa, yang mengarah pada akumulasi mereka di daerah interdendritik atau intergranular.

Proses ini menghasilkan heterogenitas mikrostruktur, dengan zona-zona tertentu yang diperkaya elemen atau fase terbentuk saat front pembekuan maju. Misalnya, sulfur dapat tersegregasi sebagai inklusi sulfida mangan, sementara karbon dan mangan dapat terkonsentrasi di daerah tertentu, membentuk karbida atau fase lainnya.

Sejauh mana segregasi tergantung pada faktor-faktor seperti laju pendinginan, suhu pengecoran, komposisi paduan, dan geometri pengecoran. Pendinginan lambat atau pengecoran besar cenderung mendorong segregasi yang lebih nyata karena waktu pembekuan yang lebih lama dan proses difusi.

Perubahan mikrostruktur yang terkait dengan segregasi termasuk pembentukan ukuran butir yang tidak seragam, fase sekunder, dan inklusi. Heterogenitas ini dapat bertindak sebagai konsentrator stres atau lokasi inisiasi korosi, yang mengkompromikan kinerja baja.

Sistem Klasifikasi

Segregasi diklasifikasikan berdasarkan skala, tingkat keparahan, dan sifatnya. Kriteria klasifikasi umum meliputi:

• Makrosegrasi: Terlihat dengan mata telanjang atau dengan pembesaran rendah, sering dikaitkan dengan perbedaan komposisi besar di seluruh produk cor. Tingkat keparahan dinilai sebagai ringan, sedang, atau parah berdasarkan ukuran dan luas zona yang tersegregasi.

• Mikrosegrasi: Terdeteksi melalui analisis mikroskopis, dengan derajat perbedaan konsentrasi yang terukur melalui analisis kimia atau pengukuran mikroprobes. Dinilai sebagai minor, dapat diterima, atau kritis tergantung pada besarnya variasi komposisi.

• Jenis segregasi: Berdasarkan elemen yang terlibat, seperti segregasi sulfur, segregasi mangan, atau segregasi karbida.

Dalam aplikasi praktis, standar seperti ASTM E45 atau ISO 4967 memberikan pedoman untuk mengklasifikasikan dan mengevaluasi tingkat keparahan segregasi, sering kali mengaitkannya dengan deviasi sifat mekanik atau kriteria penerimaan cacat.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode utama untuk mendeteksi segregasi termasuk inspeksi visual, analisis metalografi, analisis kimia, dan teknik pencitraan canggih.

• Inspeksi Visual: Zona makrosegrasi sering terdeteksi melalui pemeriksaan permukaan atau pemotongan, mengungkapkan perbedaan warna atau tekstur.

• Mikroskopi Optik: Digunakan untuk mengamati mikrosegrasi, mengungkapkan heterogenitas mikrostruktur, fase sekunder, atau inklusi. Persiapan sampel melibatkan penghalusan dan etsa untuk meningkatkan kontras.

• Analisis Kimia: Teknik seperti spektroskopi emisi optik percikan (OES), plasma yang diinduksi (ICP), atau analisis mikroprobes mengukur distribusi elemen di seluruh sampel. Metode ini memberikan data komposisi yang tepat pada skala mikro atau makro.

• Mikroskopi Elektron Pemindaian (SEM) dengan Spektroskopi Energi Dispersif X-ray (EDS): Memungkinkan pemetaan mikrostruktur dan komposisi yang rinci, mengidentifikasi zona segregasi lokal.

• Fluoresensi X-ray (XRF): Untuk analisis komposisi bulk, berguna dalam mendeteksi makrosegrasi.

• Tomografi Terkomputasi (CT): Pencitraan non-destruktif canggih untuk memvisualisasikan zona segregasi internal dalam pengecoran besar.

Pemilihan metode deteksi tergantung pada skala segregasi, resolusi yang dibutuhkan, dan peralatan yang tersedia.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional yang relevan termasuk ASTM E45 (Metode Uji Standar untuk Menentukan Konten Inklusi Baja), ASTM E1251 (Metode Uji Standar untuk Mikrosegrasi), ISO 4967 (Baja — Mikrostruktur dan segregasi), dan EN 10204.

Prosedur tipikal melibatkan:

1. Persiapan Sampel: Memotong bagian representatif dari produk baja, diikuti dengan pemasangan, penggilingan, penghalusan, dan etsa untuk mengungkap mikrostruktur.

2. Pemeriksaan Mikroskopis: Menggunakan mikroskop optik atau elektron untuk mengidentifikasi heterogenitas.

3. Pemetaan Kimia: Menggunakan analisis mikroprobes atau EDS di seluruh zona segregasi yang dicurigai untuk mengukur variasi elemen.

4. Pencatatan Data: Mendokumentasikan ukuran, bentuk, dan perbedaan komposisi zona segregasi.

Parameter kritis termasuk suhu, komposisi etsa, pembesaran, dan area analisis, semuanya mempengaruhi sensitivitas deteksi.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari seluruh batch atau lot cor, dengan pemilihan yang hati-h