Aluminizing: Pelapisan Permukaan Baja untuk Ketahanan Korosi & Daya Tahan

Definisi dan Konsep Dasar

Aluminizing adalah proses perlakuan permukaan suhu tinggi yang melibatkan pengendapan lapisan aluminium atau paduan berbasis aluminium pada permukaan baja atau substrat logam lainnya. Tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan ketahanan material terhadap oksidasi, korosi, dan keausan suhu tinggi, sehingga memperpanjang umur layanan di lingkungan yang menuntut.

Teknik ini diklasifikasikan dalam kategori yang lebih luas dari pelapisan difusi dan modifikasi permukaan metalurgi. Berbeda dengan pelapisan permukaan atau pengecatan, aluminizing melibatkan ikatan metalurgi yang terbentuk melalui proses difusi, menghasilkan lapisan aluminium yang tahan lama dan terintegrasi secara metalurgis. Ini banyak digunakan di industri yang memerlukan ketahanan oksidasi suhu tinggi, seperti dirgantara, pembangkit listrik, dan sektor petrokimia.

Sifat Fisik dan Prinsip Proses

Mekanisme Modifikasi Permukaan

Selama proses aluminizing, atom aluminium diperkenalkan ke permukaan baja melalui difusi pada suhu tinggi, biasanya antara 700°C dan 1050°C. Proses ini sering melibatkan sistem pack cementation, deposisi uap, atau metode celup panas, tergantung pada aplikasi spesifik.

Dari segi kimia, aluminium bereaksi dengan substrat baja, membentuk senyawa intermetallic seperti Fe₂Al₅ dan FeAl, yang menciptakan ikatan metalurgi di antarmuka. Lapisan intermetallic ini ditandai dengan kekerasan dan stabilitas tinggi, memberikan penghalang yang kuat terhadap oksidasi dan korosi.

Dari segi fisik, aluminium difus ke dalam permukaan baja, menciptakan mikrostruktur bertingkat yang bertransisi dari aluminium murni di lapisan terluar ke substrat baja di bawahnya. Modifikasi mikrostruktural ini menghasilkan pelapisan tipis yang melekat yang tahan terhadap spalling dan delaminasi.

Pada skala mikro dan nano, pelapisan menunjukkan mikrostruktur halus dan homogen dengan fase intermetallic yang terdistribusi secara merata. Antarmuka antara pelapisan dan substrat biasanya terikat secara metalurgis, dengan porositas atau cacat minimal, memastikan stabilitas jangka panjang di bawah kondisi layanan.

Komposisi dan Struktur Pelapisan

Lapisan permukaan yang teraluminisasi terutama terdiri dari senyawa intermetallic kaya aluminium, terutama Fe₂Al₅ dan FeAl, yang bertanggung jawab atas sifat pelindung pelapisan. Lapisan terluar mungkin mengandung aluminium yang tidak bereaksi atau aluminium oksida, tergantung pada parameter proses.

Dari segi mikrostruktur, pelapisan ditandai dengan lapisan yang padat, melekat, dan terikat secara metalurgis dengan ketebalan berkisar antara 20 hingga 150 mikrometer. Pelapisan yang lebih tipis (sekitar 20–50 mikrometer) biasanya digunakan untuk aplikasi yang memerlukan penambahan berat minimal, sementara lapisan yang lebih tebal (hingga 150 mikrometer) memberikan ketahanan korosi yang lebih baik untuk lingkungan yang lebih agresif.

Mikrostruktur sering memiliki arsitektur berlapis: zona intermetallic kaya aluminium di luar, zona transisi dengan fase campuran, dan substrat baja. Keseragaman mikrostruktur dan komposisi fase sangat penting untuk memastikan kinerja yang konsisten.

Klasifikasi Proses

Aluminizing diklasifikasikan sebagai proses pelapisan difusi, khususnya perlakuan permukaan termokimia. Ini berbeda dari deposisi uap fisik (PVD) atau elektroplating, karena melibatkan reaksi kimia dan difusi pada suhu tinggi.

Jika dibandingkan dengan pelapisan suhu tinggi lainnya seperti chromizing atau pelapisan silisida, aluminizing menawarkan ketahanan oksidasi yang lebih baik dan umumnya lebih ekonomis. Varian dari aluminizing termasuk pack cementation, vapor aluminizing, dan hot-dip aluminizing, masing-masing berbeda dalam metode aplikasi dan parameter proses.

Kategori sub termasuk:

• Pack cementation aluminizing: Melibatkan penanaman baja dalam paket bubuk yang mengandung aluminium dan aktivator, kemudian dipanaskan untuk menginduksi difusi.
• Vapor aluminizing: Menggunakan uap aluminium dalam atmosfer terkontrol untuk mengendapkan pelapisan.
• Hot-dip aluminizing: Menenggelamkan baja dalam aluminium cair, biasanya digunakan untuk komponen lembaran atau struktural.

Metode Aplikasi dan Peralatan

Peralatan Proses

Aluminizing industri biasanya menggunakan furnace yang dirancang untuk proses difusi suhu tinggi. Sistem pack cementation terdiri dari retort atau furnace tertutup yang mampu mempertahankan suhu dan kontrol atmosfer yang seragam.

Vapor aluminizing memerlukan ruang vakum atau atmosfer terkontrol yang dilengkapi dengan generator uap dan pengaturan suhu yang tepat. Hot-dip aluminizing melibatkan tangki perendaman dengan bak aluminium cair, sering dilengkapi dengan kontrol agitasi dan fluks.

Prinsip desain dasar berfokus pada memastikan distribusi panas yang seragam, atmosfer terkontrol (sering gas inert atau vakum), dan kontrol suhu yang tepat untuk memfasilitasi difusi dan kualitas pelapisan yang konsisten.

Fitur khusus termasuk sistem pemantauan suhu, pengontrol aliran gas, dan kontrol otomatisasi untuk menjaga stabilitas proses. Untuk proses uap, kontrol tekanan uap dan laju deposisi sangat penting.

Teknik Aplikasi

Prosedur aluminizing standar melibatkan pembersihan permukaan baja secara menyeluruh untuk menghilangkan oksida, minyak, dan kontaminan, sering melalui blasting abrasif atau pembersihan kimia. Aktivasi permukaan dapat mencakup pengikisan atau penerapan fluks untuk meningkatkan adhesi.

Parameter proses—suhu, waktu, komposisi atmosfer, dan sumber aluminium—dikelola dengan hati-hati untuk mencapai ketebalan pelapisan dan mikrostruktur yang diinginkan. Untuk pack cementation, parameter tipikal mencakup suhu 850°C–950°C selama 4–8 jam.

Dalam jalur produksi, komponen dimuat ke dalam furnace atau ruang, dikenakan siklus aluminizing, kemudian didinginkan di bawah kondisi terkontrol. Perlakuan pasca dapat mencakup pembersihan atau pasivasi untuk menghilangkan fluks residu atau oksida permukaan.

Persyaratan Pra-perlakuan

Persiapan permukaan sangat penting untuk adhesi dan keseragaman pelapisan. Permukaan baja harus bebas dari karat, minyak, dan oksida permukaan, sering dicapai melalui blasting abrasif atau pembersihan kimia.

Langkah aktivasi, seperti penerapan fluks, meningkatkan difusi dan pengikatan aluminium. Kekasaran permukaan awal mempengaruhi kepatuhan pelapisan dan pengembangan mikrostruktural.

Kebersihan permukaan yang buruk dapat menyebabkan cacat pelapisan seperti porositas, delaminasi, atau ketebalan yang tidak merata, yang mengompromikan ketahanan korosi dan integritas mekanis.

Proses Pasca-perlakuan

Langkah-langkah pasca-aluminizing dapat mencakup pembersihan untuk menghilangkan fluks residu atau lapisan oksida, sering melalui blasting abrasif ringan atau pencucian kimia.

Dalam beberapa kasus, perlakuan panas atau proses penuaan dilakukan untuk menstabilkan mikrostruktur pelapisan dan meningkatkan adhesi.

Jaminan kualitas melibatkan metode pengujian non-destruktif seperti inspeksi ultrasonik, mikroskopi, dan pengujian adhesi untuk memverifikasi integritas dan keseragaman pelapisan.

Sifat Kinerja dan Pengujian

Sifat Fungsional Utama

Pelapisan aluminized memberikan ketahanan oksidasi suhu tinggi yang sangat baik, sering diuji melalui analisis termogravimetric (TGA) untuk mengukur peningkatan berat akibat pembentukan oksida.

Kekuatan adhesi dievaluasi melalui pengujian tarik atau gores, dengan nilai adhesi tipikal melebihi 15 MPa untuk standar industri.

Pelapisan menunjukkan kekerasan tinggi (sering 600–900 HV), berkontribusi pada ketahanan aus, dan mempertahankan integritas struktural di bawah stres termal siklik.

Kemampuan Pelindung

Sifat pelindung utama adalah ketahanan oksidasi pada suhu tinggi, sering hingga 1100°C. Lapisan kaya aluminium membentuk skala alumina (Al₂O₃) yang stabil yang bertindak sebagai penghalang terhadap difusi oksigen.