Panduan Untuk Baja Tahan Karat Austenitik Kinerja Tinggi -- Ikhtisar Metalurgi

1. Jenis baja tahan karat

Baja tahan karat adalah paduan berbahan dasar besi dengan kandungan kromium tidak kurang dari 10,5 persen . Ini banyak digunakan karena ketahanan korosi yang baik dan kinerja suhu tinggi. Ketika kandungan kromium mencapai 10,5 persen, lapisan oksida kaya kromium akan terbentuk pada permukaan baja, yang disebut lapisan pasivasi atau film pasivasi. Film ini melindungi stainless steel dari karat seperti baja biasa. Ada banyak jenis baja tahan karat, tetapi semua baja tahan karat harus memenuhi persyaratan kandungan kromium minimum.

Baja tahan karat dibagi menjadi lima kategori: baja tahan karat austenitik, baja tahan karat feritik, baja tahan karat dupleks (dengan struktur campuran ferit dan austenit), baja tahan karat martensit dan baja tahan karat pengerasan presipitasi. Klasifikasi kategori ini terkait dengan struktur kristal (susunan atom) dan perlakuan panas baja tahan karat. Sekelompok kristal dengan struktur kristal yang sama dalam logam disebut fase. Ada tiga fase utama dalam baja tahan karat: austenit, ferit, dan martensit. Jenis dan jumlah struktur metalografi baja tahan karat dapat ditentukan dengan proses pemeriksaan metalografi standar dan mikroskop metalografi optik.

Karakteristik baja tahan karat austenitik adalah bahwa struktur metalografi utamanya adalah austenitik. Struktur kristal fase austenit adalah struktur kubik berpusat muka (fcc), yaitu terdapat atom di setiap sudut dan pusat setiap muka kubus. Sebaliknya, struktur kristal fase ferit adalah struktur kubik berpusat pada tubuh (bcc), dengan satu atom di setiap sudut dan pusat kubus. Struktur kristal fase martensit adalah struktur tetragonal yang berpusat pada tubuh dengan regangan tinggi.

Struktur kristal fasa austenit adalah kisi kubik berpusat muka (fcc), fasa ferit adalah kisi kubik berpusat badan (bcc), dan fasa martensit adalah kisi tetragonal (bct) berpusat badan.

 

1.1 Baja tahan karat austenitik:

Baja tahan karat austenitik tidak memiliki magnet, kekuatan luluh sedang, tingkat pengerasan kerja tinggi, kekuatan tarik tinggi, plastisitas yang baik, dan ketangguhan suhu rendah yang sangat baik. Tidak seperti baja tahan karat lainnya, ketangguhan baja tahan karat austenitik menurun secara perlahan seiring dengan penurunan suhu. Baja tahan karat austenitik tidak memiliki suhu transisi ulet-rapuh (DBTT) yang pasti, sehingga merupakan bahan yang ideal untuk aplikasi suhu rendah.

Diagram suhu transisi ulet-getas (DBTT) dari baja tahan karat austenitik, feritik, dan dupleks (austenitik-feritik). DBTT sebenarnya tergantung pada ketebalan bagian, komposisi kimia dan ukuran butir. DBTT baja tahan karat feritik umumnya 20 hingga - 30 derajat C (70 hingga - 22 derajat F).

 

Baja tahan karat austenitik memiliki kemampuan las yang baik dan dapat dibuat menjadi berbagai bentuk yang rumit. Rangkaian baja tahan karat ini tidak dapat dikeraskan atau diperkuat dengan perlakuan panas, tetapi dapat diperkuat dengan pembentukan dingin atau pengerasan kerja (lihat ASTM A666). Baja tahan karat austenitik, terutama baja tahan karat austenitik standar, memiliki potensi kerugian, yaitu dibandingkan dengan baja tahan karat feritik dan baja tahan karat dupleks, rentan terhadap retak korosi tegangan klorida.

Seri 300 atau baja tahan karat austenitik standar umumnya mengandung 8 persen ~11 persen nikel dan 16 persen ~20 persen kromium. Struktur metalografi baja tahan karat austenitik standar terutama terdiri dari butiran austenitik dan mengandung sejumlah kecil (umumnya 1~5 persen ) fase δ Ferit (Gbr. 3). Karena adanya fase ferit, baja tahan karat austenit ini memiliki sedikit magnet.

Struktur metalografi tipikal baja tahan karat tempa 304L terdiri dari butiran austenitik dan ferit strip individual © TMR Stainless.

 

Dibandingkan dengan baja tahan karat seri 300, baja tahan karat austenitik seri 200 memiliki kandungan Ni yang lebih rendah, tetapi kandungan Mn dan N lebih tinggi. Kekuatan dan koefisien pengerasan regangan baja tahan karat seri 200 lebih tinggi daripada baja tahan karat seri 300. Karena kandungan nikelnya yang rendah, baja tahan karat seri 200 terkadang digunakan sebagai pengganti baja tahan karat seri 300 yang murah.

Mikrostruktur baja tahan karat austenitik kinerja tinggi adalah semua fase austenitik tanpa feromagnetisme (Gbr. 4). Dibandingkan dengan baja tahan karat austenitik standar, baja tahan karat austenitik berkinerja tinggi mengandung lebih banyak elemen nikel, kromium, dan molibdenum, dan umumnya mengandung nitrogen. Baja tahan karat ini memiliki ketahanan korosi yang kuat di lingkungan korosif seperti media asam kuat, alkali kuat, dan klorida tinggi, termasuk air payau, air laut, dan air asin. Dibandingkan dengan baja tahan karat austenitik standar, baja tahan karat austenitik berkinerja tinggi memiliki tingkat kekuatan yang lebih tinggi dan ketahanan yang lebih baik terhadap retak korosi tegangan.

Struktur metalografi baja tahan karat austenitik kinerja tinggi 6 persen Mo, semuanya terdiri dari butir austenitik © TMR Stainless.

 

1.2 Baja tahan karat feritik:

Struktur mikro baja tahan karat feritik adalah fase ferit. Baja tahan karat feritik memiliki kandungan nikel rendah atau tidak sama sekali dan bersifat feromagnetik. Itu tidak bisa dikeraskan dengan perlakuan panas. Sifat feromagnetik dari baja tahan karat jenis ini mirip dengan baja karbon. Baja tahan karat feritik memiliki kekuatan yang baik dan ketahanan terhadap retak korosi tegangan klorida jauh lebih baik daripada baja tahan karat austenitik seri 300 standar. Namun, kemampuan bentuk dan kemampuan lasnya buruk. Ketangguhannya tidak sebaik baja tahan karat austenitik, dan akan berkurang dengan bertambahnya ketebalan bagian. Dengan penurunan suhu, baja tahan karat feritik akan menunjukkan transisi ulet-getas yang jelas. Dibatasi oleh faktor-faktor ini, penggunaan baja tahan karat feritik biasanya terbatas pada produk dengan ketebalan dinding yang lebih tipis, seperti pelat tipis, strip, dan tabung berdinding tipis.

 

1.3 Baja tahan karat dupleks:

Baja tahan karat dupleks terdiri dari fase ferit dan fase austenit, masing-masing terhitung sekitar setengahnya. Baja tahan karat dupleks memiliki banyak karakteristik baja tahan karat austenitik dan feritik. Meskipun perlakuan panas tidak dapat mengeraskan baja seperti itu, kekuatan luluhnya biasanya dua kali lipat dari baja tahan karat austenitik standar, dan daya tarik magnetnya sebanding dengan fraksi volume fase ferit. Sifat dupleks dari struktur metalografi baja tahan karat dupleks membuat ketahanannya terhadap retak korosi tegangan lebih baik daripada baja tahan karat austenitik standar.

 

1.4 Baja tahan karat Martensitik:

Struktur mikro baja tahan karat martensit terutama martensit, yang mungkin mengandung sejumlah kecil fase sekunder seperti ferit, austenit, dan karbida. Baja tahan karat martensit bersifat feromagnetik dan mirip dengan baja karbon. Kekerasan akhir tergantung pada perlakuan panas spesifik. Baja tahan karat martensitik memiliki kekuatan tinggi, ketahanan aus yang baik, ketangguhan yang buruk, dan suhu transisi ulet-getas yang tinggi. Mereka sulit untuk dilas dan umumnya membutuhkan perlakuan panas pasca-las. Oleh karena itu, baja tahan karat martensit umumnya terbatas pada aplikasi non-pengelasan. Kandungan kromium pada baja tahan karat martensitik tidak terlalu tinggi. Beberapa unsur kromium mengendap dalam bentuk karbida, menghasilkan ketahanan korosi yang rendah, umumnya lebih rendah dari baja tahan karat austenitik standar 304/304L. Karena ketangguhan dan ketahanan korosinya yang buruk, baja tahan karat martensit umumnya digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan kekuatan dan kekerasan tinggi, seperti perkakas, pengencang, dan poros.

 

1.5 Presipitasi baja tahan karat yang mengeras:

Baja tahan karat precipitation hardening (PH) juga dapat diperkuat dengan perlakuan panas. Fitur dasar dari jenis baja tahan karat ini adalah penguatan parsialnya dicapai dengan mekanisme pengendapan. Endapan intermetalik halus dihasilkan oleh perlakuan panas pengerasan penuaan untuk meningkatkan kekuatan. Karena kandungan kromium yang tinggi, baja tahan karat pengerasan presipitasi memiliki ketahanan korosi yang lebih baik daripada baja tahan karat martensitik, dan cocok untuk aplikasi berkekuatan tinggi yang membutuhkan ketahanan korosi yang baik. Baja tahan karat pengerasan presipitasi terutama digunakan untuk pegas, pengencang, bagian pesawat terbang, poros, roda gigi, bellow, dan bagian mesin jet.

 

2. Komposisi fase:

Unsur-unsur paduan mempengaruhi hubungan kesetimbangan fasa dan memiliki pengaruh yang kuat terhadap stabilitas fasa austenit, ferit, dan martensit. Elemen yang ditambahkan ke baja tahan karat dapat dibagi menjadi elemen pembentuk fase ferit atau elemen pembentuk fase austenit. Kesetimbangan fase tergantung pada komposisi kimia, suhu anil dan laju pendinginan baja. Ketahanan korosi, kekuatan, ketangguhan, kemampuan las dan kemampuan bentuk semuanya dipengaruhi oleh kesetimbangan fasa.

Elemen pembentuk ferit berkontribusi pada pembentukan fase ferit, sedangkan elemen pembentuk austenit mendorong pembentukan fase austenit. Tabel 3 mencantumkan elemen pembentuk fasa ferit dan austenit yang umum. Kelas baja tahan karat dan aplikasinya menentukan keseimbangan fasa yang dibutuhkan. Sebagian besar baja tahan karat austenitik standar memiliki sejumlah kecil fase ferit di bawah anil larutan. Solution annealing dapat meningkatkan kemampuan las dan ketangguhan pada suhu tinggi. Namun, jika kandungan fasa ferit terlalu tinggi, sifat lain seperti ketahanan korosi dan ketangguhan akan berkurang. Baja tahan karat austenitik berkinerja tinggi dirancang sesuai dengan semua fase austenitik dalam kondisi anil larutan.

 

Untuk mengontrol komposisi fasa baja dan dengan demikian sifat-sifat baja, elemen paduan perlu dijaga dalam kesetimbangan. Diagram struktur Schaeffler (Gbr. 5) mencerminkan hubungan antara komposisi kimia baja tahan karat dan struktur fasa yang diharapkan dalam keadaan pemadatan, seperti yang diungkapkan oleh mikrostruktur las. Dengan cara ini, pengguna dapat memprediksi kesetimbangan fasa berdasarkan komposisi kimia yang diberikan. Hitung "setara nikel" dan "setara kromium" dari komposisi kimia dan gambarkan dalam gambar. Rumus parameter umum bagan organisasi Schaeffler adalah sebagai berikut:

Setara nikel{{0}} persen Ni ditambah 30 persen C ditambah 0,5 persen Mn ditambah 30 persen N

Setara kromium{{0}} persen Cr ditambah persen Mo ditambah 1,5 persen Si ditambah 0,5 persen Nb

Baja tahan karat austenitik berkinerja tinggi biasanya mengandung sekitar 20 persen Cr, 6 persen Mo, 20 persen Ni, dan 0,2 persen N, yang terletak di zona fase austenitik fase tunggal pada gambar, dekat "feritik " sejalan dengan setara nikel sekitar 24 dan setara kromium sekitar 26. Sebaliknya, komposisi kimia baja tahan karat standar (seperti 304) sesuai dengan zona dupleks austenit plus ferit (A plus F) dengan sejumlah kecil ferit fase. Baja tahan karat feritik berada di zona fase ferit pada gambar, dan baja tahan karat dupleks berada di zona dupleks austenit plus ferit (A plus F).