Tag: Pengertian komposisi contoh Baja tahan karat martensitik

Pengertian Baja Tahan Karat. Baja tahan karat merupakan kelompok dari baja paduan yang mempunyai sifat atau karakterisasi khusus. Ciri umum dari baja tahan karat adalah kadar kromium (Cr) yang tinggi, tidak kurang dari 12 persen. Kromium dengan besi (Fe) dalam baja membentuk larutan padat atau solid solution.

Kromium ini membentuk protective layer atau lapisan pelindung anti korosi. Lapisan proteksi merupakan senyawa kromium oksida hasil oksidasi oksigen terhadap Krom yang terjadi secara spontan. Keadaan ini didapat karena chrom lebih mudah teroksidasi dibandingkan besi.

Lapisan chrom oksida menyebabkan permukaan logam menjadi pasif atau stabil. Dengan demikian, kemampuan menahan korosi dari baja diperoleh akibat terbentuknya lapisan film oksida Kromium, yang mampu menghalangi proses oksidasi terhadap besi di bawahnya.

Sifat Karakteristik Baja Tahan Karat

Sifat utama dari baja tahan karat adalah ketahanannya yang tinggi terhadap korosi, disamping memiliki sifat ketangguhan yang tinggi, mudah di mesin, mudah dibentuk dan mampu las tinggi.

Secara umum sifat sifat yang dimiliki olah baja tahan karat stainless steel diantaranya adalah

1. Formability untuk proses deep drawing, stretch forming untuk membuat bentuk apa saja;
2. Penyerapan energi, untuk material bus, kereta api dll
3. Kemampuan las yang baik;
4. Ketangguhan pada temperatur yang tinggi;
5. Tahan korosi.
6. Resistensi terhadap abrasi dan erosi
7. Permukaan akhir dan / atau reflektifitas yang baik

Klasifikasi Baja Tahan Karat Stainless Steel

Berdasarkan pada fasa atau struktur mikro yang dimilikinya, baja tahan karat dapat diklasifikasikan menjadi seperti berikut:

1. Baja Tahan Karat Fertitk, struktur mikro ferit dengan 12 – 30 persen Kromium
2. Baja Tahan Karat Austenitic, struktur mikro austenite dengan 17 – 25 persen Kromium, 8 – 20 persen Nikel
3. Baja Tahan Karat Martensitik, struktur mikro martensit dengan 12 – 17 persen Kromium, 0,1 – 1,0 persen Karbon
4. Baja Tahan Karat Duplex, struktur austenite dan ferit dengan 23 -30 persen Kromium, 2,5 – 7 persen Nikel dan penambahan unsure Titanium dan Molibdenum.
5. Baja Tahan Karat Pengerasan Pengendapan, PH, precipitation hardening stainless steel, mempunyai struktur martensit atau austenite dengan penambahan unsure Tembaga, Titanium, Alumunium, Molibdenum, Niobium, atau Nitrogen

Selain unsure kromium, dan unsure unsure yang biasa ditambahkan dalam baja tahan karat seperti nikel, titanium, molybdenum, tembaga, niobium, terdapat juga unsure-unsur lain seperti karbon, silicon, alumunium, dan mangan.

Unsur Penstabil Ferit Baja Tahan Karat

Unsur Mo, W, Si, V, Al, Ti dan Nb merupakan unsure-unsur berperan sebagai stabilizer (penstabil) ferit.

Unsur Penstabil Austenit Baja Tahan Karat

Unsur C, N, Cu, Co dan Mn merupakan unsure-unsur Stabilizer austenit yang menyebabkan ferit menjadi tidak stabil. Unsure-unsur ini menghambat transformasi austenite ke martensit, sehingga baja paduan tinggi dengan karbon tinggipun dapat tetap memiliki struktur austenite pada temperature ruang.

Diagram Schaeffler-DeLong Baja Tahan Karat

Diagram Schaeffler-DeLong merupakan diagram yang dibangun oleh sumbu horizontal yang menunjukkan nilia krom Cr ekuivalen dan sumbu vertikal menunjukkan nikel Ni ekuivalen.

Diagram Schaeffler-DeLong dapat digunakan untuk memperkirakan kemungkinan struktur  mikro  yang akan terbentuk dengan mengetahui komposisi kimia baja tahan karatnya.

Keterangan

F = ferit

A = austenit

M = martensit

Krom Ekuivalen Cr-eq adalah unsur unsur paduan yang memiliki pengaruh sama dengan unsur kromium yaitu berperan sebagai penstabil  fasa ferit.

Nikel Ekuivalen Ni-eq adalah unsur unsur paduan yang memiliki pengaruh sama dengan unsur nikel yaitu berperan sebagai penstabil fasa austenite.

Nilai Krom ekuivalen Cr-eq dan Nikel-equivalents Ni-eq dapat dinyatakan dengan menggunakan formula rumus sebagai kerikut:

Cr-eq = %Cr + 1.5%Si + %Mo

Ni-eq = %Ni + 30(%C + %N) + 0.5(%Mn + %Cu + %Co)

Diagram Hubungan Krom dan Nikel Baja Tahan Karat

Diagram yang menunjukkan hubungan kandungan kromium dan nikel dengan klasifikasi baja tahan karat dapat dilihat pada gambar berikut:

Jumlah unsur paduan kromium dan nikel yang ditambahkan pada baja menjadi batasan klasifikasi baja tahan karat. Baja tahan karat austenitic memiliki kandungan krom dan nikel yang lebih banyak dibandingkan dengan baja tahan karat lainnya.

Sedangkan baja tahan karat feritik memiliki kandungan krom dengan rentang paling lebar dengan nikel yang paling sedikit.

A). Baja Tahan Karat Ferritic Stainless Steel

Baja Tahan Karat Feritik mempunyai struktur mikro ferit dan paduan utamanya adalah kromium antara 12 sampai dengan 30 persen. Mikrostruktur feriit stabil di semua temperatur, karena kehadiran unsur paduan kromium.

Pada baja, unsur kromium berperan sebagai unsur paduan dengan sifat dasar sebagai penstabil ferit sehingga luas daerah fasa ferit menjadi lebih luas dan daerah Austenite menjasi lebih sempit.

Peningkatan kandungan kromium dan molibdenum meningkatkan ketahanan korosi, akan tetapi, paduan yang tinggi ini menghasilkan pengendapan fase intermetalik embrittling pada saat pengelasan.

Kadar karbonnya relative rendah. Baja tahan karat ini umumnya tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas, namun dapat dikeraskan dengan pengerjaan dingin. Karena tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas baja ini disebut Non Heat Treatable.

Pada temperature rendah atau ruang, baja ini membentuk larutan padat Cr-Fe-α dengan struktur Kristal BCC. Baja tahan karat feritik mengandung unsure nikel yang sangat rendah, kurang daripada 0,5 persen atau bahkan tidak ditambahkan.

Diketahui bahwa nikel sebagai unsure penstabil austenite yang kuat. Sehingga dengan kandungan Nikel rendah ini, struktur baja ini lebih stabil dalam ferit. Kestabilan ferrit hingga temperatur kamar tersebut mengakibatkan ferritic stainless steel tidak dapat dikeraskan dengan proses perlakuan panas. Oleh sebab itu baja tahan karat feritik disebut Non Heat Treatable.

Satu-satunya proses laku panas yang dapat dilakukan adalah annealing, yang biasanya dimaksudkan untuk menghilangkan tegangan akibat pengelasan.

Kandungan karbon yang terdapat dalam baja sebagian besar membentuk endapan kromium karbida. Pembentukan karbida ini tidak mengurangi ketahanan korosi bajanya, mengingat kandungan kromium yang terlarut dalam Fe-α masih cukup tinggi.

Baja tahan karat feritik memiliki ketahanan korosi temperatur ruang yang lebih baik dari pada martensitik, terutama pada stress corrosion cracking, SCC.

Selain itu, Baja tahan karat memiliki sifat mampu bentuk yang sagat baik sehingga dapat diaplikasikan untuk produk produk mensyaratkan mampu bentuk dan tahan korosi,

Type Standar Komposisi Kimia Baja Tahan Karat Ferritic Stainless Steel

Type baja tahan karat ferritic memiliki kode tiga angka yaitu 4xx seperti untuk type 405, 409 dan seterusnya. Komposisi Baja tahan karat ferritic dapat dilihat pada table berikut:

Sifat Magnetik Baja Tahan Karat Feritik

Baja tahan karat feritik bersifat ferro magnetik seperti baja karbon biasa, namun, perilaku magnetik baja tahan karat feritik tidak sekuat baja tahan karat martensitik.

Struktur Mikro Baja Tahan Karat Ferritic Stainless Steel

Struktur mikro baja tahan karat ferritic type 409 dan type 439 dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar (a) menunjukkan struktur mikro baja tahan ferritic 409 dan gambar (b) struktur mikro baja type 439. Tampak bahwa struktur mikro baja tahan karat adalah fasa ferit dengan sebaran partikel partikel carbide. Sampel dietsa dengan larutan Vilella’s.

Penggunaan Baja Tahan Karat Feritik

Penggunaan baja tahan karat ferritic umum digunakan untuk peralatan industry, aplikasi otomotif, komponen mesin seperti baut, peralatan rumah tangga dan dapur, dan lain- lain.

B). Baja Tahan Karat Austenitic Stainless Steel

Baja tahan karat austenitik terjadi jika pada sistem larutan padat Fe-Cr ditambahkan unsur penstabil Austenite seperi nikel atau mangan. Kedua unsur ini berperah sebagai unsur yang menstabilkan Austenite dan menambah luas daerah fasa Austenite dan mempersempit daerah ferit.

Jika pada paduan Fe-Cr ditambahkan nikel dengan kadar  8 persen, maka akan terbentuk struktur atau fasa Austenite yang stabil pada temperatur ruang.

Penambahan nickel yang berfungsi sebagai austenite stabilizer, maka daerah austenite akan turun dan dapat mencapai temperatur kamar, sehingga struktur yang dihasilkan terdiri dari austenite.

Nikel yang ditambahkan sebagai paduan akan mampu mengurangi sifat getas pada temperature rendah. Artinya, pada temperature rendah baja tahan karat austenitic menjadi lebih ulet.

Fasa austenite dalam baja tahan karat ini tidak dapat dikeraskan walaupun dengan metoda quenching. Sehingga baja tahan karat austeitic disebut dengan Non Heat Treatable.

Selain unsur nikel, penambahan unsur mangan dan nitrogen dalam jumlah yang cukup akan membentuk matrik dengan  struktur Austenite yang stabil pada berbagai temperatur. Paduan baja tahan karat ini bersifat non magnetik dan tidak dapat dilaku-panas. Baja tahan karat ini memiliki keuletan yang baik dengan kekuatan luluh yang relatif rendah.

Baja tahan karat ini dapat ditingkatkan kekuatannya dengan melakukan pengerjaan dingin atau dengan menambah unsur paduan tertentu yang dapat meningkatkan kekuatannya.

Type Standar Komposisi Kimia Baja Tahan Karat Austenitic Stainless Steel

Type baja tahan karat austenitic  memiliki kode tiga angka yaitu 2xx seperti untuk type 201, 202 dan seterusnya, serta angka 3xx untuk type 301, 302 dan seterusnya. Bebarapa komposisi kimia baja tahan karat austenitic berdasarkan standar AISI dapat dilihat pada table berikut:

Struktur Mikro Baja Tahan Karat Austenitic Stainless Steel

Struktur mikro baja tahan karat austenitic type 316L yang dianil pada temperature 954 Celcius dapat dilahat pada gambar berikut:

Gambar a) menunjukkan struktur butiran polygonal austenitic type 316L termasuk batas butir kembar (twin boundaries) yang dietsa dengan waterless Kalling’s. Sedangkan gambar b) menunjukkan struktur austenitic dari sampel dengan etsa Baraha;s Tint.

Penggunaan Baja Tahan Karat Austenitik

Penggunaan baja jenis ini biasanya untuk komponen dari peralatan proses yang tahan korosi atau zat kimia dan tahan panas seperti peralatan untuk proses makanan, valve untuk uap, termasuk peralatan masak, peralatan makan, dan peralatan dapur lainnay.

C). Baja Tahan Karat Martensitik Martensitic Stainless Steel

Baja tahan karat martensitik mengandung kromium 11,5 sampai dengan 18 persen. Kadar karbon dalam baja tahan karat ini relatif tinggi, yaitu antara 0,12 sampai 1,20 persen.

Baja tahan karat martensitik ini dikembangkan untuk mendapatkan paduan yang mempunyai sifat tahan korosi dan dapat dikeraskan dengan proses laku panas dengan menambahkan unsur  karbon pada system biner Fe-Cr yang akan menghasilkan paduan yang dapat di quench.

Proses perlakukan panas, atau heat treatment diterapkan dengan cara memanaskan baja sampai temperatur austenit, kemudian didinginkan dengan cepat ke dalam media air. Selama proses pendinginan, austenit akan bertransformasi menjadi martensit. Fasa martensit ini, membuat baja tahan karat menjadi sangat rapuh, untuk itu, agar dapat memperoleh keuletannya dilakukan proses pemanasan temper.

Agar diperoleh daya tahan terhadap serangan korosi atau ketahanan korosi yang tinggi, maka saat pembuatan baja tersebut ditambahkan unsur Cr dan Nikel. Baja tahan karat ini termasuk baja yang relatif sulit dilakukan pemesinan dibandingkan dengan baja karbon pada umumnya. Untuk dapat meningkatan kemampuan mesinnya, biasanya ditambahkan fosfor dan belerang dalam jumlah terbatas.

Untuk mendapatkan kinerja proses pemesinan yang lebih baik lagi, pada baja ini ditambahkan unsur selenium, Se. Sedangkan untuk mendapatkan nilai kekerasan yang optimum, ditambahkan unsur karbon sesuai dengan kekerasan yang diinginkan.

Type Standar Komposisi Kimia Baja Tahan Karat Martensitic Stainless Steel

Type baja tahan karat martensitic memiliki kode tiga angka yaitu 4xx seperti untuk type 403, 410 dan seterusnya. Komposisi Baja tahan karat martensitic dapat dilihat pada table berikut:

Struktur Mikro Baja Tahan Karat Martensitic Stainless Steel

Struktur mikro baja tahan karat matensitik type 403 dan type 410 hasil perlakuan panas quenching dan tempering dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar a) menunjukkan perlakuan panas qunching dan temper untuk tipe 403 menghasilkan struktur martensit dengan sebaran partikel partikel karbida pada matriknya. Struktur mikro ditampakan dengan etsa 4% picral yang ditambah larutan HCl.  Gambar b) memperlihatkan struktur martensit temper dari baja tahan karat AISI type 410 yang dietsa dengan larutan Vilella’s.

Penggunaan Baja Tahan Karat Martensitik

Baja tahan karat martensitik paling popular digunakan untuk sudu turbin dalam bentuk coran (Casting), termasuk peralatan makan, peralatan masak, instrumen bedah dan gigi, spring, gunting, pisau industri, obeng, dan tang.

D). Baja Tahan Karat Precipitation Hardening PH Stainless Steel,

Precipitation Hardening Stainless Steel merupakan baja tahan karat yang secara mikro memiliki presipitat atau endapan partikel dalam struktur matriknya. Presipitat presipitat ini menghambat Gerakan deformasi, sehingga baja tahan karat ini menjadi lebih keras dan kuat.

Baja tahan karat Presipitasi Pengerasan (PH) diklasifikasikan sebagai martensitik atau austenitik. Baja tahan karat ini memiliki kekuatan dan kekerasan tinggi melalui berbagai perlakuan panas.

Jenis Grade baja tahan karat austenitik adalah 17-7 PH dan PH 15-7 Mo. Sedangkan jenis grade baja martensitik adalah 17-4 PH dan 15-5 PH.

Baja tahan karat grade PH memiliki sifat tarik tinggi dalam kondisi perlakuan panas. Baja austenitik diperoleh melalui kondisi anil, sedangkan martensitik melalui kondisi pengerasan Hardening – Quenching.

Kekuatan tarik tinggi yang dimiliki baja tahan karat presipitasi diperoleh setelah proses perlakuan panas yang mendorong terjadinya pengerasan presipitasi (precipitation hardening) dalam matriks martensit atau austenitic. Pengerasannya tercapai melalui penambahan satu atau lebih unsur paduan, Tembaga, Aluminium, Titanium, Niobium, dan Molibdenum.

Precipitation Hardening Stainless Steel Martensitic  

Baja tahan karat presipitasi pengerasan martensitik memiliki struktur utama austenitik pada temperature autenisasi sekitar 1040 hingga 1065 °C. Setelah didinginkan hingga temperatur kamar, austenit mengalami transformasi menjadi martensit.

Precipitation Hardening Stainless Steel Austenitic

Baja pengerasan endapan austenitik akan tetap memiliki struktur austenitik setelah anil dan pengerasan dengan penuaan (hardening by ageing). Pada temperatur anil antara 1095 hingga 1120°C, partikel presipitat akan larut dalam fasa austenit. Dan tetap dalam larutan selama proses pendinginan cepat

Ketika dipanaskan kembali pada temperature antara 650 hingga 760 ° C, presipitasi terjadi. Kehadiran partikel pertikel presipitat ini akan meningkatkan kekerasan dan kekuatan material. Namun demikian kekerasan tetap lebih rendah baja tahan karat presipitasi martensit.

Type Standar Komposisi Kimia Baja Tahan Karat Precipitation Hardening Stainless Steel

Type baja tahan karat precipitation hardening memiliki kode huruf S dan lima angka yaitu S13xxx, S15xxx, seperti untuk type S13800, S15500, dan seterusnya. Komposisi Baja tahan karat precipitation hardening PHSS dapat dilihat pada table berikut:

Struktur Mikro Baja Tahan Karat Precipitation Hardening

Struktur mikro Baja Tahan Karat Precipitation Hardening type 17-4PH dan type 15-5PH setelah laku panas ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar (a) struktur mikro type 17 – 4PH yang telah di hardening pada temperature 1166 Celcius dan quenching air, dilanjutkan dengan aging pada temperature 482 Celcius selama 60 menit.  Perlakuan panas ini menghasilkan struktur utama martensit dengan sebaran presipitat kaya tembaga. Sedangkan Gambar (b) struktur mikro type 15-5PH yang dikeraskan dan di aging pada temperature 550 Celcius selama 4 jam.

Penggunaan Baja Tahan Karat Precipitation Hardening

Karena kekuatan tinggi yang baja tahan karat pengerasan presipitasi, sebagian besar aplikasi digunakan untuk komponen aerospace dan industri teknologi tinggi lainnya seperti Gears, Katup dan komponen mesin lainnya, Poros kekuatan tinggi, Turbine blades, Moulding dies, Nuclear waste casks,

E). Baja Tahan Karat Duplex Stainless Steel

Baja tahan karat duplex merupakan baja tahan karat dengan dua fasa. Baja ini mempunyai struktur austenit dan ferit secara bersamaan. Sehingga, secara keseluruhan sifat yang dimilikinya merupakan kombinasi dari sifat-sifat fasa pembentuknya.

Struktur duplex diperoleh dengan memadukan secara tepat unsur pembentuk ferit seperti Molibdenum, Titanium, Niobium, Silikon, dan Alumunium dengan unsur-unsur yang dapat membentuk fasa austenit seperti Nikel, Mangan, Karbon, dan Nitrogen.

Untuk mendapatkan baja tahan karat duplex, maka kromiun yang ditambahkan harus mencapai di atas 20 persen. Sedangan Komposisi dari fasa ferit dan austenit yang diperoleh pada baja ditentukan dari perlakuan panas.

Proses perlakuan panas untuk baja ini umumnya dilakukan pada temperatur antara 1050 sampai dengan 1150 Celcius. Temperatur ini merupakan temperatur yang memberikan kondisi ferit yang tidak sensitif terhadap kecepatan pendinginan.

Beberapa argumen yang menjelaskan Baja tahan karat duplex lebih kuat daripadaa baja tahan karat austenit biasa, adalah:

1. Baja tahan karat duplex mempunyai Struktur dengan dua fasa yaitu fasa austenit dan ferit
2. Baja tahan karat duplex memiliki butir yang relatif halus
3. Dapat dilaku panas antara 900 – 1000 Celcius untuk mendapatkan sifat superplastisitas, yaitu duktilitas tinggi pada temperatur tinggi

Baja jenis ini memiliki ketahanan terhadap solidification cracking terutama pada saat proses pengelasan. Selain itu, baja ini memiliki ketahan terhadap transgranular stress corrosion cracking.

Type Standar Komposisi Kimia Baja Tahan Karat Duplex Stainless Steel

Type baja tahan karat Duplex memiliki kode tiga angka yaitu 4xx seperti untuk type 403, 410 dan seterusnya. Komposisi Baja tahan karat duplex dapat dilihat pada table berikut:

Struktur Mikro Baja Tahan Karat Duplex Stainless Steel

Struktur mikro baja tahan karat duplex stainless steel type 2205 ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar (a) menunjukkan struktur mikro type 2205 berbentuk pipih dengan fasa austenite (notasi A) dan ferit (notasi F). Sedangkan gambar (b) menunjukkan struktur butiran polygonal equiaxial setelah proses laku panas pada temperature 1100 Celcius.

Penggunaan Baja Tahan Karat Duplex Stainless Steel

Baja tahan karat Duplex stainless steel secara khusus digunakan dalam industry seperti, transport dan pergudangan, Eksplorasi minyak dan gas dan rig lepas pantai, pabrik pengolahan minyak dan gas, lingkungan pantai laut, peralatan pengendali polusi, pabrik pulp dan kertas, pabrik proses kimia.

Sifat Mekanik Kuat Tarik Baja Tahan Karat Stainless Steel

Sifat mekanik yaitu Kuat Tarik Tensile Strength, Kuat Luluh Yield Strength, Ductility Keuletan untuk baja tahan karat baik type ferritic, austenitic, martensitic, duplex dan precipitation hardening dapat dilihat pada gambar berikut:

FSS = ferritic stainless steel

ASS = austenitic stainless steel

MSS = martensitic stainless steel

DSS = duplex stainless steel

PHSS = precipitation hardening stainless steel

Kuat Luluh Yield Strength Baja Tahan Karat

Keuletan Elongasi Baja Tahan Karat

Daftar Pustaka

1. Alro Steel, 2020, “Tool & Die Steel Handbook” Metals, Industrial Supplies, Plastics
2. ASTM Standar, 2008, “Standard Specification for Tool Steels Alloy, Designation: A 681 – 08,
3. Beddoes and J.G. Parr, 1999,” Introduction to Stainless Steels”, 3rd ed., ASM International.
4. R. Davis, Ed., 1994,”ASM Specialty Handbook: Stainless Steels”, ASM International.