Grafitisasi dalam Baja: Transformasi Mikrostruktur & Dampaknya terhadap Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Grafitisasi dalam metalurgi baja mengacu pada proses transformasi mikrostruktur di mana sementit (Fe₃C) atau fase karbida lainnya terurai dan terkonfigurasi menjadi grafit, bentuk kristalin karbon. Fenomena ini terutama terjadi selama paparan suhu tinggi yang berkepanjangan, terutama pada besi cor dan baja tertentu, yang mengarah pada pembentukan serpihan atau nodul grafit dalam mikrostruktur.

Di tingkat atom, grafitisasi melibatkan pengaturan ulang atom karbon dari fase karbida menjadi struktur kristalin heksagonal berlapis yang khas dari grafit. Proses ini didorong secara termodinamika oleh pengurangan energi bebas yang terkait dengan pembentukan allotrop karbon yang stabil di bawah kondisi suhu dan komposisi tertentu. Secara fundamental, ini melibatkan pemutusan ikatan Fe–C dalam karbida dan pengorganisasian atom karbon bebas menjadi lapisan grafitik, yang diikat bersama oleh gaya van der Waals yang lemah.

Dalam metalurgi baja, grafitisasi secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik, kemampuan mesin, dan ketahanan korosi. Ini adalah pertimbangan kritis dalam desain dan perlakuan panas besi cor dan baja karbon tinggi, di mana pengendalian tingkat pembentukan grafit dapat mengoptimalkan karakteristik kinerja. Memahami evolusi mikrostruktur ini sangat penting untuk memprediksi perilaku material selama layanan dan pemrosesan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Grafit menunjukkan struktur kristal berlapis yang termasuk dalam sistem kristal heksagonal, khususnya grup ruang P6₃/mmc. Setiap lapisan terdiri dari atom karbon yang tersusun dalam kisi sarang lebah dua dimensi, dengan ikatan kovalen yang kuat dalam bidang tersebut. Parameter kisi untuk grafit adalah sekitar a = 2,46 Å dan c = 6,70 Å, mencerminkan jarak antaratom dalam dan antar lapisan.

Penyusunan atom melibatkan hibridisasi sp², di mana setiap atom karbon membentuk tiga ikatan sigma dengan karbon tetangga, menciptakan jaringan heksagonal datar. Lapisan-lapisan tersebut ditumpuk dalam urutan ABAB, dengan gaya van der Waals yang lemah mengikatnya bersama, memfasilitasi pemisahan yang mudah sepanjang bidang dasar.

Dalam konteks mikrostruktur baja, lapisan grafitik sering kali terorientasi secara acak atau dengan beberapa penyelarasan yang diinginkan relatif terhadap matriks baja. Hubungan kristalografi antara grafit dan fase baja induk biasanya tidak koheren, yang mengarah pada antarmuka yang berbeda yang mempengaruhi sifat mekanik dan termal.

Fitur Morfologis

Grafit dalam baja muncul terutama sebagai serpihan, nodul, atau massa padat, tergantung pada kondisi pembentukan dan komposisi paduan. Morfologi yang paling umum dalam besi cor abu-abu adalah bentuk serpihan, yang ditandai dengan struktur tipis seperti pelat dengan rasio aspek tinggi. Serpihan ini biasanya berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa puluh mikrometer dalam panjang dan ketebalan.

Pada besi cor ductile atau nodular, grafit muncul sebagai nodul sferoid dengan diameter biasanya antara 10 dan 100 mikrometer. Variasi bentuk—dari serpihan yang memanjang hingga nodul yang membulat—mempengaruhi perilaku mekanik baja, mempengaruhi sifat seperti kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan mesin.

Di bawah mikroskop optik dan elektron, serpihan grafit muncul sebagai fitur gelap, seperti pelat dengan tepi tajam dan kontras tinggi terhadap matriks logam. Konfigurasi tiga dimensi melibatkan penumpukan atau distribusi lapisan-lapisan ini dalam baja, sering kali membentuk jaringan atau partikel terdispersi yang mempengaruhi perilaku keseluruhan mikrostruktur.

Sifat Fisik

Sifat fisik grafit sangat berbeda dari matriks baja. Ia memiliki densitas sekitar 2,26 g/cm³, jauh lebih rendah daripada baja (~7,85 g/cm³), karena strukturnya yang berlapis dan terbuka. Konduktivitas listriknya tinggi sepanjang bidang dasar, menjadikannya konduktor listrik yang sangat baik.

Secara magnetik, grafit bersifat diamagnetik, menunjukkan repulsi lemah dalam medan magnet, berbeda dengan fase baja ferromagnetik. Konduktivitas termal dalam grafit tinggi dalam bidang dasar (~2000 W/m·K), memfasilitasi transfer panas sepanjang lapisan, tetapi jauh lebih rendah tegak lurus terhadapnya.

Sifat-sifat ini mempengaruhi perilaku keseluruhan baja, terutama dalam aplikasi di mana konduktivitas termal dan listrik sangat penting. Kehadiran grafit juga mengurangi densitas baja dan dapat memodifikasi sifat magnetik, mempengaruhi pengujian nondestruktif dan aplikasi resonansi magnetik.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Gaya pendorong termodinamika untuk grafitisasi berasal dari energi bebas relatif fase karbida dan grafit. Pada suhu tinggi, energi bebas Gibbs pembentukan sementit (Fe₃C) menjadi kurang menguntungkan dibandingkan karbon bebas dalam bentuk grafit, terutama ketika aktivitas karbon tinggi.

Diagram fase, seperti diagram fase Fe–C, menggambarkan daerah stabilitas sementit dan grafit. Di bawah kondisi suhu dan komposisi tertentu—terutama pada besi cor dengan kandungan karbon tinggi—grafit menjadi fase yang lebih disukai secara termodinamika, yang mengarah pada nukleasi dan pertumbuhannya.

Stabilitas grafit juga dipengaruhi oleh potensial kimia karbon, keberadaan unsur paduan, dan lingkungan mikrostruktur. Proses ini juga dipengaruhi oleh aktivitas karbon lokal, yang dapat dimanipulasi melalui paduan dan perlakuan panas.

Kinetika Pembentukan

Kinetika grafitisasi melibatkan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan yang diatur oleh difusi atom. Nukleasi biasanya terjadi di antarmuka karbida yang ada, batas butir, atau cacat, di mana penghalang energi lebih rendah. Setelah ter-nukleasi, grafit tumbuh melalui difusi atom karbon dari matriks atau fase karbida di sekitarnya.

Kecepatan grafitisasi sangat bergantung pada suhu, mengikuti perilaku tipe Arrhenius, dengan suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi dan transformasi fase. Proses ini juga bergantung pada waktu, dengan paparan yang lebih lama pada suhu tinggi mendorong pembentukan grafit yang lebih luas.

Langkah-langkah pengendali kecepatan termasuk difusi atom karbon melalui matriks baja dan kinetika antarmuka antara fase karbida dan grafit. Energi aktivasi untuk difusi bervariasi dengan komposisi paduan dan mikrostruktur tetapi umumnya berkisar antara 150 hingga 250 kJ/mol.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen kunci yang mempengaruhi grafitisasi termasuk kandungan karbon, unsur paduan seperti silikon, mangan, dan fosfor, serta parameter pemrosesan seperti suhu dan waktu penahanan. Silikon, misalnya, mendorong pembentukan grafit dengan menstabilkan antarmuka silikon-besi-grafit.

Pemanasan pada suhu tinggi atau paparan berkepanjangan pada suhu tinggi meningkatkan grafitisasi, sedangkan pendinginan cepat atau paduan dengan unsur seperti kromium atau molibdenum dapat menghambatnya. Mikrostruktur awal—seperti keberadaan sementit atau perlit—juga mempengaruhi kemudahan dan tingkat perkembangan grafit.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kinetika grafitisasi dapat dijelaskan dengan persamaan difusi klasik. Misalnya, pertumbuhan serpihan grafit dapat dimodelkan dengan hukum kedua Fick:

∂C/∂t = D ∇²C

di mana:

• C adalah konsentrasi karbon,

• t adalah waktu,

• D adalah koefisien difusi karbon dalam baja,

• ∇²C adalah Laplacian konsentrasi.

Kecepatan pertumbuhan (r) serpihan grafit dapat diperkirakan dengan:

r = (D * ΔC) / δ

di mana:

• ΔC adalah perbedaan konsentrasi yang mendorong difusi,

• δ adalah ketebalan lapisan batas difusi.

Transformasi keseluruhan dapat dimodelkan menggunakan persamaan