Stabilisasi Anneal: Proses Kunci untuk Stabilitas Dimensi pada Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Annealing stabilisasi adalah proses perlakuan panas khusus yang diterapkan pada baja tahan karat austenitik untuk mengendapkan karbida di batas butir, sehingga mengurangi risiko korosi intergranular selama layanan berikutnya. Proses ini melibatkan pemanasan baja pada suhu antara 850-950°C (1560-1740°F) selama durasi tertentu, diikuti dengan pendinginan yang terkontrol.

Pemrosesan ini menstabilkan mikrostruktur dengan sengaja mengendapkan karbida kromium dengan cara yang terkontrol, mengurangi karbon yang tersedia untuk pengendapan selama layanan. Pembentukan karbida yang bersifat preventif ini sangat penting untuk komponen yang akan beroperasi pada suhu tinggi di mana sensitisasi mungkin terjadi.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, annealing stabilisasi merupakan perlakuan panas pencegahan yang kritis yang mengatasi kerentanan bawaan dari beberapa baja tahan karat terhadap korosi intergranular. Ini menunjukkan bagaimana modifikasi mikrostruktur yang terkontrol dapat secara dramatis meningkatkan kinerja material di lingkungan yang agresif.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, annealing stabilisasi bekerja dengan mempromosikan pembentukan karbida dengan elemen pembentuk karbida yang kuat seperti titanium atau niobium daripada dengan kromium. Elemen-elemen ini memiliki afinitas yang lebih tinggi terhadap karbon dibandingkan dengan kromium.

Selama proses annealing, atom karbon berdifusi melalui matriks austenit dan secara preferensial bergabung dengan titanium atau niobium untuk membentuk karbida tipe MC yang stabil (di mana M mewakili Ti atau Nb). Ini secara efektif mengikat atom karbon yang seharusnya bergabung dengan kromium selama layanan, membentuk karbida kromium (Cr₂₃C₆) di batas butir.

Pengendapan terjadi secara heterogen, dengan situs nukleasi biasanya berada di dislokasi, batas butir, dan cacat kristal lainnya di mana difusi ditingkatkan dan energi antarmuka lebih rendah.

Model Teoritis

Model teoritis utama yang menggambarkan annealing stabilisasi didasarkan pada kinetika pengendapan yang dikendalikan oleh difusi, khususnya persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK). Model ini menggambarkan transformasi fase yang bergantung pada waktu selama kondisi isotermal.

Secara historis, pemahaman tentang annealing stabilisasi berkembang dari penemuan sensitisasi pada baja tahan karat selama awal abad ke-20. Karya Bain, Aborn, dan Rutherford pada tahun 1930-an menetapkan hubungan antara pengurangan kromium dan korosi intergranular.

Pendekatan teoritis alternatif termasuk penggunaan model termodinamika berdasarkan minimisasi energi bebas dan model kinetik yang menggabungkan laju nukleasi dan pertumbuhan pengendapan.

Dasar Ilmu Material

Pada baja tahan karat austenitik, struktur kristal kubik berpusat muka (FCC) menyediakan situs interstisial di mana atom karbon berada. Selama annealing stabilisasi, karbon berdifusi melalui posisi interstisial ini menuju batas butir dan cacat lainnya.

Pemrosesan ini menciptakan mikrostruktur di mana karbida titanium atau niobium yang halus dan terdispersi tersebar di seluruh matriks, bukan karbida kaya kromium di batas butir. Ini menjaga kandungan kromium yang kontinu di lapisan pasif, mempertahankan ketahanan terhadap korosi.

Proses ini secara fundamental bergantung pada prinsip difusi keadaan padat, termodinamika pengendapan, dan kinetika kompetitif antara berbagai reaksi pembentuk karbida.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Derajat stabilisasi ($S$) dapat dinyatakan sebagai:

$$S = \frac{(Ti\% - 4.7 \times N\%)}{4.5 \times C\%}$$

Di mana $Ti\%$ adalah kandungan titanium, $N\%$ adalah kandungan nitrogen, dan $C\%$ adalah kandungan karbon, semuanya dalam persentase berat. Untuk stabilisasi yang tepat, $S$ harus lebih besar dari 1.

Formula Perhitungan Terkait

Waktu yang diperlukan untuk stabilisasi ($t$) dapat diperkirakan menggunakan persamaan tipe Arrhenius:

$$t = A \times \exp\left(\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana $A$ adalah faktor pra-eksponensial, $Q$ adalah energi aktivasi untuk pembentukan karbida (biasanya 180-250 kJ/mol), $R$ adalah konstanta gas (8.314 J/mol·K), dan $T$ adalah suhu mutlak dalam Kelvin.

Untuk baja yang distabilkan niobium, kandungan niobium minimum yang diperlukan dihitung sebagai:

$$Nb\% = 8 \times C\%$$

Ini memastikan cukup niobium untuk mengikat semua atom karbon, mencegah pembentukan karbida kromium.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku khusus untuk baja tahan karat austenitik yang mengandung elemen stabilisasi seperti titanium atau niobium. Mereka berlaku untuk kandungan karbon yang biasanya di bawah 0,08 wt%.

Model-model ini mengasumsikan distribusi elemen paduan yang homogen, yang mungkin tidak benar pada material yang sangat tersegregasi. Variasi lokal dalam komposisi dapat menyebabkan stabilisasi yang tidak lengkap.

Perhitungan ini tidak memperhitungkan efek dari pekerjaan dingin, yang dapat mempercepat difusi dan kinetika pengendapan dengan memperkenalkan cacat tambahan yang berfungsi sebagai situs nukleasi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A262 Praktik E: Standar ini mencakup uji asam sulfat tembaga-tembaga untuk mendeteksi kerentanan terhadap serangan intergranular pada baja tahan karat austenitik.

ISO 3651-2: Penentuan ketahanan terhadap korosi intergranular pada baja tahan karat - Bagian 2: Baja ferritik, austenitik, dan ferritik-austenitik (dupleks) - Uji korosi dalam media yang mengandung asam sulfat.

ASTM A923: Metode pengujian standar untuk mendeteksi fase intermetalik yang merugikan pada baja tahan karat dupleks austenitik/ferritik.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mikroskop metalografi digunakan untuk memeriksa potongan melintang yang diukir untuk bukti sensitisasi dan pola pengendapan karbida. Pembesaran yang umum berkisar antara 100× hingga 1000×.

Peralatan pengujian reaktivasi potensial elektrokimia (EPR) mengukur derajat pengurangan kromium dengan mengkuantifikasi muatan reaktivasi selama polarisasi anod.

Karakterisasi lanjutan sering menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM) dengan spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDS) untuk mengidentifikasi jenis karbida dan mengukur profil pengurangan kromium pada resolusi nanometer.

Persyaratan Sampel

Sampel standar biasanya berupa kupon datar berukuran 50 × 25 × 3 mm untuk pengujian korosi, sementara sampel metalografi memerlukan pemasangan, penggilingan, dan pemolesan yang hati-hati hingga selesai cermin.

Persiapan permukaan harus menghindari pemanasan berlebihan yang dapat mengubah mikrostruktur. Pemolesan elektrolitik sering lebih disukai dibandingkan metode mekanis untuk mencegah martensit yang disebabkan oleh deformasi.

Sampel harus representatif dari material bulk dan harus mencakup area yang paling rentan terhadap sensitisasi, seperti zona yang terpengaruh panas pada komponen yang dilas.

Parameter Uji

Pengujian biasanya dilakukan pada suhu kamar (25°C) untuk uji korosi, meskipun beberapa uji percepatan dapat menggunakan suhu tinggi hingga 100°C.

Untuk pengujian EPR, laju pemindaian biasanya 1,67 mV/s dengan rentang potensial dari -500 mV hingga +300 mV terhadap elektroda kalomel jenuh.

Parameter lingkungan seperti pH larutan, konsentrasi, dan kandungan oksigen terlarut harus dikendalikan dengan hati-hati sesuai dengan standar