Karbid dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Tipe, dan Dampaknya terhadap Sifat-sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah karbida dalam metalurgi baja mengacu pada senyawa kristalin yang terdiri terutama dari karbon dan elemen logam, biasanya logam transisi seperti tungsten, vanadium, molibdenum, titanium, atau krom. Senyawa ini terbentuk sebagai fase diskrit atau presipitat dalam mikrostruktur baja, sering kali sebagai partikel halus yang terbenam dalam matriks atau sebagai bagian dari konstituen mikrostruktur yang kompleks.

Di tingkat atom, karbida ditandai oleh kisi kristalin di mana atom karbon menempati posisi interstisial atau substitusi dalam struktur kristal logam. Ikatan melibatkan ikatan kovalen atau logam yang kuat, menghasilkan kekerasan dan stabilitas yang tinggi. Susunan atom spesifik dan parameter kisi tergantung pada jenis karbida dan logam induknya.

Dalam metalurgi baja, karbida sangat signifikan karena mempengaruhi sifat mekanik seperti kekerasan, ketahanan aus, dan kekuatan. Mereka juga memainkan peran penting dalam mengontrol stabilitas mikrostruktur, pemurnian butir, dan ketahanan korosi. Memahami karbida sangat penting untuk merancang baja canggih dengan sifat yang disesuaikan untuk aplikasi yang menuntut.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Karbida dalam baja menunjukkan berbagai struktur kristalografi tergantung pada komposisi kimianya. Jenis umum termasuk:

• Karbida MC (misalnya, karbida titanium, TiC): Ini memiliki sistem kristal kubik berpusat muka (FCC) dengan parameter kisi biasanya sekitar 0,43 nm. TiC, misalnya, mengadopsi struktur tipe NaCl di mana atom logam dan karbon menempati posisi bergantian dalam kisi FCC.

• Karbida M₆C (misalnya, karbida molibdenum, Mo₂C): Ini memiliki struktur kubik berpusat muka (FCC) atau struktur kubik kompleks dengan parameter kisi sekitar 0,94 nm, ditandai oleh susunan atom logam dan karbon yang lebih kompleks.

• Karbida M₂C (misalnya, karbida tungsten, WC): Ini sering memiliki sistem kristal heksagonal dengan parameter kisi kira-kira a = 0,29 nm dan c = 0,41 nm, menampilkan struktur heksagonal yang terkemas rapat.

Susunan atom dalam karbida ini melibatkan atom logam yang terkoordinasi dengan atom karbon interstisial, membentuk fase kristalin yang stabil. Hubungan orientasi kristalografi antara karbida dan matriks ferritik atau austenitik induk sering kali ditandai oleh hubungan orientasi tertentu, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang mempengaruhi perilaku nukleasi dan pertumbuhan.

Ciri Morfologis

Karbida biasanya muncul sebagai partikel halus dan diskrit dalam mikrostruktur baja. Ukurannya berkisar dari nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada kondisi pemrosesan dan komposisi paduan.

• Bentuk dan morfologi: Karbida dapat berbentuk bulat, kuboid, memanjang, atau mirip pelat. Misalnya, karbida titanium sering muncul sebagai partikel bulat atau kuboid, sementara karbida vanadium cenderung memanjang atau mirip jarum.

• Distribusi: Karbida biasanya tersebar di seluruh matriks, baik secara merata atau dalam kelompok, tergantung pada riwayat termal dan elemen paduan. Mereka dapat terbentuk di sepanjang batas butir, di dalam butir, atau di antarmuka fase.

• Konfigurasi tiga dimensi: Di bawah mikroskop, karbida sering muncul sebagai partikel diskrit dengan tepi yang terdefinisi dengan baik. Morfologi mereka mempengaruhi sifat seperti ketangguhan dan ketahanan aus.

Sifat Fisik

Karbida ditandai oleh:

• Kekerasan tinggi: Karena ikatan kovalen yang kuat dan pengemasan atom yang padat, karbida menunjukkan nilai kekerasan yang sering melebihi 2000 HV (kekerasan Vickers), menjadikannya sangat baik untuk aplikasi tahan aus.

• Kepadatan: Karbida memiliki kepadatan tinggi, biasanya sekitar 6,0–8,4 g/cm³, tergantung pada komposisinya, yang lebih tinggi daripada matriks baja (~7,8 g/cm³).

• Konduktivitas listrik dan termal: Umumnya, karbida bersifat konduktif secara listrik tetapi kurang dibandingkan logam murni. Mereka memiliki stabilitas termal dan konduktivitas yang tinggi, membantu dalam disipasi panas.

• Sifat magnetik: Beberapa karbida (misalnya, karbida tungsten) bersifat non-magnetik, sedangkan yang lain mungkin menunjukkan perilaku magnetik yang lemah tergantung pada konstituen logamnya.

Jika dibandingkan dengan matriks baja, karbida jauh lebih keras dan lebih rapuh, berkontribusi pada kekerasan mikrostruktur secara keseluruhan tetapi berpotensi mengurangi ketangguhan jika hadir dalam jumlah yang berlebihan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan karbida dalam baja diatur oleh prinsip termodinamika yang terkait dengan stabilitas fase dan minimisasi energi bebas. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) untuk pembentukan karbida harus negatif agar nukleasi dapat terjadi:

ΔG = ΔG₀ + ΔG_interface + ΔG_strain

di mana:

• ΔG₀ adalah perbedaan energi bebas bulk antara fase induk dan fase karbida.

• ΔG_interface memperhitungkan energi yang terkait dengan menciptakan antarmuka antara fase.

• ΔG_strain mempertimbangkan ketidakcocokan kisi dan energi regangan elastis.

Pembentukan karbida lebih disukai ketika potensial kimia karbon dalam paduan melebihi yang ada dalam fase karbida, dan kondisi suhu serta komposisi mendukung stabilitas fase karbida sesuai dengan diagram fase.

Kesetimbangan fase diwakili dalam diagram fase ternary Fe–C–M (logam), di mana M adalah logam transisi. Bidang stabilitas berbagai karbida tergantung pada suhu, aktivitas karbon, dan elemen paduan.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi dan pertumbuhan karbida melibatkan difusi atom, terutama dari karbon dan elemen logam. Nukleasi terjadi pada cacat seperti dislokasi, batas butir, atau antarmuka fase yang sudah ada, yang berfungsi sebagai situs preferensial.

Kecepatan pembentukan karbida dikendalikan oleh:

• Kecepatan difusi karbon dan elemen paduan, yang meningkat seiring dengan suhu.

• Kecepatan nukleasi, dipengaruhi oleh hambatan energi untuk nukleasi dan ketersediaan situs nukleasi.

• Kecepatan pertumbuhan, ditentukan oleh mobilitas atom dan gaya pendorong termodinamika.

Persamaan Arrhenius menggambarkan ketergantungan suhu dari koefisien difusi:

D = D₀ * exp(–Q / RT)

di mana:

• D adalah koefisien difusi,

• D₀ adalah faktor pre-ekspresional,

• Q adalah energi aktivasi,

• R adalah konstanta gas universal,

• T adalah suhu dalam Kelvin.

Suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi, mendorong pertumbuhan karbida yang cepat, tetapi panas yang berlebihan dapat menyebabkan penggumpalan dan kehilangan mikrostruktur halus.

Faktor yang Mempengaruhi

Faktor kunci yang mempengaruhi pembentukan karbida meliputi:

• Kembali ke blog

  Tulis komentar

  Nama *

  Email *

  Komentar *