Perawatan Stabilisasi: Proses Stabilitas Dimensional dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Perawatan stabilisasi adalah proses perlakuan panas khusus yang diterapkan pada baja tahan karat austenitik untuk mencegah korosi intergranular dengan mengendapkan dan menstabilkan karbon dalam bentuk karbida. Proses termal ini melibatkan pemanasan baja pada suhu antara 850-900°C selama waktu tertentu, diikuti dengan pendinginan di udara atau air, yang memungkinkan karbon bergabung dengan elemen stabilisasi seperti titanium atau niobium daripada dengan kromium.

Proses ini sangat penting dalam ilmu material dan rekayasa karena menjaga ketahanan korosi baja tahan karat dalam struktur atau komponen yang dilas yang terpapar suhu tinggi. Tanpa stabilisasi, karbida kromium akan terbentuk di batas butir, mengurangi area di sekitarnya dari kromium dan mengkompromikan ketahanan korosi.

Dalam metalurgi, perawatan stabilisasi merupakan langkah pencegahan yang krusial dalam bidang proses perlakuan panas yang lebih luas. Ini mengatasi tantangan spesifik dari sensitisasi pada baja tahan karat austenitik, menjadikannya sebagai pertimbangan penting dalam aplikasi di mana baik paparan suhu tinggi maupun ketahanan korosi diperlukan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, perawatan stabilisasi bekerja dengan mempromosikan pembentukan karbida titanium atau niobium (TiC atau NbC) daripada karbida kromium (Cr₂₃C₆). Ketika baja tahan karat austenitik dipanaskan ke rentang suhu stabilisasi, atom karbon berdifusi melalui matriks austenit dan secara preferensial bergabung dengan titanium atau niobium.

Pembentukan karbida preferensial ini terjadi karena titanium dan niobium memiliki afinitas yang lebih tinggi terhadap karbon dibandingkan dengan kromium. Karbida yang dihasilkan tersebar halus di seluruh mikrostruktur daripada terkonsentrasi di batas butir, mencegah zona pengurangan kromium yang sebaliknya akan terbentuk.

Proses ini secara efektif "mengunci" atom karbon yang mungkin sebaliknya berpindah ke batas butir selama layanan pada suhu tinggi (450-850°C), di mana mereka akan bergabung dengan kromium dan menciptakan daerah yang tersensitisasi yang rentan terhadap korosi intergranular.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan stabilisasi didasarkan pada kinetika difusi dan termodinamika pengendapan. Persamaan Scheil dan modifikasinya memberikan dasar untuk memahami bagaimana karbon dan elemen stabilisasi berdifusi dan bergabung selama perawatan.

Secara historis, pemahaman tentang stabilisasi berkembang dari penemuan mekanisme sensitisasi pada tahun 1920-an. Pekerjaan awal oleh Strauss dan Maurer mengidentifikasi fenomena pengurangan kromium, sementara penelitian selanjutnya oleh Bain, Aborn, dan Rutherford menetapkan efektivitas penambahan titanium dan niobium.

Pendekatan modern menggabungkan termodinamika komputasional menggunakan metode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) untuk memprediksi pembentukan dan stabilitas karbida. Diagram Waktu-Suhu-Pengendapan (TTP) juga telah dikembangkan untuk mengoptimalkan parameter perawatan untuk berbagai komposisi baja.

Dasar Ilmu Material

Perawatan stabilisasi secara langsung berkaitan dengan struktur kristal kubik pusat muka (FCC) dari baja tahan karat austenitik, yang menyediakan jalur difusivitas tinggi untuk migrasi karbon. Perawatan ini memanfaatkan kelarutan dan laju difusi yang berbeda dari karbon dan elemen paduan dalam struktur kristal ini.

Batas butir dalam baja tahan karat austenitik sangat penting, karena mereka berfungsi sebagai situs preferensial untuk pengendapan karbida kromium selama sensitisasi. Perawatan stabilisasi mencegah ini dengan membentuk karbida alternatif di dalam butir atau pada dislokasi.

Proses ini terhubung dengan prinsip dasar transformasi fase, pengerasan pengendapan, dan difusi dalam larutan padat. Ini menunjukkan bagaimana evolusi mikrostruktur yang terkontrol dapat digunakan untuk merekayasa sifat material tertentu dan mencegah mekanisme degradasi.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Rasio stabilisasi (SR) didefinisikan sebagai:

$$SR = \frac{(\%Ti - 0.08\%N)}{4.5 \times \%C}$$

atau

$$SR = \frac{\%Nb}{8 \times \%C}$$

Di mana %Ti, %Nb, %N, dan %C mewakili persentase berat titanium, niobium, nitrogen, dan karbon dalam baja, masing-masing. Rasio lebih besar dari 1 menunjukkan stabilisasi yang cukup.

Rumus Perhitungan Terkait

Kandungan elemen stabilisasi minimum yang diperlukan dapat dihitung sebagai:

$$\%Ti_{min} = 5 \times \%C + 0.08\%N$$

$$\%Nb_{min} = 8 \times \%C$$

Untuk stabilisasi ganda dengan Ti dan Nb:

$$\frac{\%Ti}{4.5} + \frac{\%Nb}{8} \geq \%C$$

Rumus ini diterapkan saat merancang komposisi baja untuk memastikan stabilisasi yang memadai terhadap sensitisasi selama pengelasan atau layanan suhu tinggi.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini berlaku untuk baja tahan karat austenitik dengan kandungan karbon biasanya di bawah 0.08%. Mereka mengasumsikan reaksi lengkap antara elemen stabilisasi dan karbon, yang mungkin tidak terjadi dalam praktik karena batasan kinetik.

Model ini tidak memperhitungkan pengaruh elemen paduan lainnya terhadap pembentukan karbida atau efek dari riwayat pemrosesan. Mereka juga mengasumsikan distribusi elemen yang seragam, yang mungkin tidak terjadi pada komponen aktual.

Perhitungan ini mewakili nilai minimum teoretis, dan dalam praktiknya, kandungan elemen stabilisasi yang lebih tinggi sering kali ditentukan untuk memperhitungkan segregasi dan reaksi yang tidak lengkap.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A262 (Praktik untuk Mendeteksi Kerentanan terhadap Serangan Intergranular pada Baja Tahan Karat Austenitik) menyediakan beberapa metode pengujian, dengan Praktik E (Uji Tembaga-Tembaga Sulfat-Asam Sulfat) yang paling relevan untuk mengevaluasi efektivitas stabilisasi.

ISO 3651-2 menetapkan metode untuk mendeteksi korosi intergranular pada kelas yang distabilisasi, termasuk uji tembaga sulfat-asam sulfat dan uji Strauss.

ASTM A763 mencakup deteksi sensitisasi pada baja tahan karat ferritik, dengan prosedur yang dapat disesuaikan untuk kelas yang distabilisasi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mikroskopi optik dengan teknik etsa (etsa elektrolitik asam oksalat) digunakan untuk mengungkap struktur batas butir dan pola pengendapan karbida. Mikroskop biasanya memerlukan pembesaran 100-500x.

Peralatan pengujian reaktivasi potensioelektrokimia (EPR) mengukur derajat sensitisasi dengan mengkuantifikasi muatan yang terkait dengan reaktivasi area yang kekurangan kromium. Ini termasuk potensiostat, sel elektrokimia, dan sistem akuisisi data.

Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) dengan spektroskopi energi dispersif sinar-X (EDS) memungkinkan pengamatan langsung dan analisis kimia dari endapan karbida dan komposisi matriks di sekitarnya.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar untuk pemeriksaan metalografi memerlukan pemotongan, pemasangan, penggilingan, dan pemolesan yang hati-hati hingga hasil akhir cermin (biasanya 1μm berlian atau setara). Sampel harus bebas dari deformasi yang diperkenalkan selama persiapan.

Untuk pengujian elektrokimia, spesimen biasanya memiliki area permukaan yang terekspos sebesar 1cm² dengan koneksi listrik untuk elektroda kerja. Semua permukaan lainnya harus diisolasi dengan pelapis non-konduktif.

Sampel untuk pengujian korosi harus mewakili kondisi komponen yang sebenarnya, termasuk riwayat termal dari pengelasan atau pemrosesan yang mungkin mempengaruhi sens