Grafitasi dalam Baja: Transformasi Mikrostuktur & Dampaknya terhadap Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Grafitisasi adalah proses perlakuan panas dalam metalurgi baja yang mendorong transformasi semenit (Fe₃C) atau fase karbida lainnya menjadi struktur karbon grafit atau mirip grafit dalam matriks baja. Proses ini melibatkan dekomposisi atau pengaturan ulang fase kaya karbon pada suhu tinggi, yang menghasilkan pembentukan serpihan grafit atau nodul yang terbenam dalam mikrostruktur baja.

Di tingkat atom, grafitisasi didorong oleh pertimbangan stabilitas termodinamik. Atom karbon, yang awalnya terikat dalam fase karbida, berdifusi dan mengatur ulang menjadi susunan berlapis heksagonal yang khas dari grafit. Transformasi ini mengurangi energi bebas sistem di bawah kondisi suhu dan komposisi tertentu, mendukung pengembangan mikrostruktur dengan inklusi grafit.

Dalam konteks metalurgi baja, grafitisasi signifikan karena mempengaruhi sifat mekanik, kemampuan mesin, dan ketahanan korosi. Ini adalah langkah kritis dalam memproduksi besi cor dan beberapa baja khusus, di mana keberadaan grafit memberikan sifat unik seperti pelumasan, kapasitas peredaman, dan peningkatan kemampuan mesin. Memahami dan mengendalikan grafitisasi memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan mikrostruktur baja untuk aplikasi tertentu, menyeimbangkan kekuatan, duktilitas, dan ketahanan aus.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Grafit, fase utama yang terbentuk selama grafitisasi, menunjukkan struktur kristal berlapis yang termasuk dalam sistem kristal heksagonal. Setiap lapisan terdiri dari atom karbon yang tersusun dalam kisi sarang lebah dua dimensi, dengan ikatan kovalen yang kuat dalam bidang dan gaya van der Waals yang lemah antara lapisan.

Parameter kisi grafit adalah sekitar a ≈ 2,46 Å dan c ≈ 6,70 Å, mencerminkan jarak antaratom dalam dan antara lapisan. Bidang dasar sejajar dengan wajah lebar serpihan grafit, dengan urutan tumpukan biasanya mengikuti pola ABAB...

Dalam mikrostruktur baja, fase grafit sering kali terorientasi secara acak atau dengan orientasi yang diinginkan tergantung pada kondisi pemrosesan. Serpihan grafit atau nodul terbenam dalam matriks ferritik atau pearlitik, dengan antarmuka yang ditandai oleh batas yang relatif bersih yang mempengaruhi perilaku mekanik.

Ciri Morfologis

Grafit muncul sebagai serpihan, nodul, atau lamela diskrit dalam mikrostruktur baja. Morfologi bervariasi tergantung pada komposisi baja, parameter perlakuan panas, dan laju pendinginan.

• Bentuk: Bentuk serpihan (lamelar), bulat (nodul), atau bentuk tidak teratur.
• Rentang Ukuran: Grafit serpihan biasanya berkisar dari 10 hingga 100 mikrometer dalam panjang, dengan ketebalan beberapa mikrometer. Grafit nodul cenderung lebih bulat, dengan diameter dari 5 hingga 50 mikrometer.
• Distribusi: Terdistribusi secara merata di seluruh matriks atau terkelompok di daerah tertentu, mempengaruhi sifat seperti kekuatan dan kemampuan mesin.
• Ciri Visual: Di bawah mikroskop optik, grafit muncul sebagai inklusi gelap, berbentuk pelat dalam besi cor abu-abu atau sebagai nodul bulat hitam dalam besi ductile. Di bawah mikroskop elektron pemindai (SEM), struktur berlapis dari serpihan grafit terlihat jelas.

Sifat Fisik

Fase grafit menunjukkan sifat fisik yang berbeda:

• Kepadatan: Sekitar 2,26 g/cm³, jauh lebih rendah daripada baja (~7,85 g/cm³), yang mengarah pada pengurangan kepadatan keseluruhan saat hadir.
• Konduktivitas Listrik: Tinggi, karena elektron π yang terdelokalisasi dalam struktur berlapis.
• Sifat Magnetik: Diamagnetik, dengan respons magnetik yang lemah.
• Konduktivitas Termal: Tinggi dalam bidang dasar (~2000 W/m·K), memfasilitasi transfer panas sepanjang lapisan.
• Sifat Mekanik: Grafit lunak dan licin, dengan kekerasan Mohs sekitar 1–2, kontras dengan matriks baja yang lebih keras.

Sifat-sifat ini mempengaruhi perilaku keseluruhan mikrostruktur, terutama dalam hal kemampuan mesin, ketahanan aus, dan manajemen termal.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Gaya pendorong termodinamik untuk grafitisasi berasal dari energi bebas relatif fase karbida dan grafit. Pada suhu tinggi (biasanya di atas 900°C), energi bebas grafit menjadi lebih rendah daripada semenit atau karbida lainnya, mendukung transformasi.

Diagram fase, seperti diagram fase Fe-C, menggambarkan daerah stabilitas berbagai fase. Secara khusus, dekomposisi eutektik semenit menjadi ferrit dan grafit terjadi di bawah kondisi suhu dan komposisi tertentu, dengan perbedaan energi bebas yang menentukan spontanitas transformasi.

Stabilitas grafit dibandingkan karbida juga dipengaruhi oleh potensi kimia karbon dan aktivitas dalam baja. Unsur paduan seperti silikon dan mangan dapat memodifikasi lanskap termodinamik, baik mempromosikan atau menghambat grafitisasi.

Kinetika Pembentukan

Kinetika grafitisasi melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang diatur oleh mekanisme difusi:

• Nukleasi: Dimulai pada cacat, batas butir, atau partikel karbida yang ada, di mana variasi lokal dalam energi bebas memfasilitasi pembentukan inti grafit.
• Pertumbuhan: Dikendalikan oleh difusi atom karbon melalui matriks baja menuju inti grafit, dengan laju tergantung pada suhu, aktivitas karbon, dan keberadaan unsur paduan.

Proses ini mengikuti perilaku tipe Arrhenius, dengan laju pembentukan grafit meningkat secara eksponensial dengan suhu dalam rentang yang sesuai. Energi aktivasi untuk difusi karbon dalam baja (~140–200 kJ/mol) mempengaruhi laju transformasi.

Profil waktu-suhu sangat penting; paparan berkepanjangan pada suhu tinggi meningkatkan pertumbuhan grafit, sementara pendinginan cepat dapat menekan grafitisasi. Proses ini juga dipengaruhi oleh mikrostruktur sebelumnya; baja butir halus cenderung menahan grafitisasi karena jalur difusi yang terbatas.

Faktor yang Mempengaruhi

Faktor kunci yang mempengaruhi grafitisasi meliputi:

• Kandungan Karbon: Tingkat karbon yang lebih tinggi (>2%) mendukung pembentukan grafit.
• Unsur Paduan: Silikon mendorong grafitisasi dengan menstabilkan fase grafit, sementara unsur seperti kromium dan molibdenum cenderung menghambatnya.
• Suhu dan Durasi: Suhu tinggi (di atas 900°C) dan waktu tahan yang lebih lama meningkatkan tingkat grafitisasi.
• Mikrostruktur: Baja butir halus dengan kepadatan dislokasi tinggi dapat mempercepat atau menghambat nukleasi grafit tergantung pada kondisi spesifik.
• Sejarah Pemrosesan: Fase sebelumnya, deformasi, dan perlakuan panas mempengaruhi ketersediaan situs nukleasi dan jalur difusi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Laju pembentukan grafit dapat diperkirakan dengan model nukleasi dan pertumbuhan klasik:

Laju nukleasi:

$$I = I_0 \exp \left( -\frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$

di mana:

• ( I ) = laju nukleasi (inti per unit volume per unit waktu)
• $I_0$ = faktor pre-ekspresional yang terkait dengan frekuensi getaran atom
• ( \Delta G^* ) = penghalang energi bebas kritis untuk nukleasi
• ( k ) = konstanta Boltzmann
• ( T ) = suhu mutlak

Laju pertumbuhan: