Logam Stainless Steel
Logam stainless steel telah sering kita dengar atau pergunakan sehari-hari. Sifat stainless yang tahan karat pun telah banyak yang mengetahuinya. Tetapi mungkin tidak
semua tahu bahwa stainless steel adalah hasil dari ’kesalahan’ yang membawa ’berkah’. Cerita ini menurut penuturan dari salah seorang Professor di Sheffield. Sheffield adalah tempat pertama kali ditemukannya logam Stainless.
Saat itu Harry (1913), salah seorang peneliti di Sheffield, sedang berkutat dengan penelitiannya untuk mengatasi masalah erosi pada senapan laras panjang. Kesalahannya ’mencampur’ dan ’mengolah’ paduan ternyata kemudian membawa ’berkah’. Suatu hari ia merasa heran karena di bak sampahnya terdapat logam yang tetap bersih dan berkilap, sementara logam-logam lainnya telah mulai berkarat. Kemudian diketahuinya bahwa logam itu adalah salah satu paduan yang pernah ’dibuangnya’ saat melakukan penelitian. Kelak diketahui bahwa besi dengan kadar Cr 13% akan membentuk lapisan film oksida yang bersifat protektif yang akan melindungi logam dari korosi.
Paduan Fe-Cr adalah
jenis logam Stainless paling
sederhana yang berstruktur dasar ferrite.
Hal ini dapat kita pahami dengan mempelajari diagram kesetimbangan fase Fe-Cr
yang diperlihatkan pada Gambar 2.18. Chromium
adalah unsur penstabil ferrrite. Chromium dengan struktur BCC (sama dengan
Ferrite) akan memperluas daerah fase alpha dan mempersempit daerah fase gamma. Akibatnya terbentuk loop Austenite yang membatasi daerah FCC
dan BCC. Dari Gambar 2.18 dapat dilihat bahwa pada paduan Fe-Cr dengan kandungan
Cr di atas 12% tidak terjadi transformasi fase Austenite ke Ferrite. Dari
temperatur ruang hingga ke titik leburnya Fasenya adalah ferrite. Akibatnya, tidak dimungkinkan pula terjadi transformasi
martensitik. Sementara ini dapat ditarik kesimpulan bahwa besi (tanpa karbon) stainless dengan kadar di atas Cr 12%
selalu berstruktur ferrite. Ferritic
Stainless Steel dapat memiliki kadar Cr hingga 30%. Jika pada kadar karbon
rendah (Gambar 2.20) Ferrrite stabil
di semua rentang temperatur maka pada kadar karbon yang lebih tinggi dapat
ditemukan daerah fase Austenite.
Penambahan kadar karbon sebesar 0,6% misalnya, akan memodifikasi diagram fasa
sehingga paduan akan memiliki fase Austenite
pada temperatur tinggi. Pada kondisi ini, baja dapat di- quench untuk menghasilkan
Martensite. Secara umum, semakin tinggi kadar Cr semakin tahan besi terhadap
korosi. Hal ini disebabkan karena terbentuknya lapisan film oksida pada permukaan. Di sisi lain kekurangan kadar Chromium akan menyebabkan berkurangnya jumlah
lapisan film oksida protektif. Dalam hal ini, kadar karbon di dalam stainless perlu dijaga dalam keadaan
rendah. Jika tidak, maka akan terbentuk karbida Chrom sehingga Chrom
tidak dapat ke permukaan membentuk oksida film protektif. Penambahan Ni sangat
penting karena Ni memiliki struktur FCC yang memiliki batas kelarutan karbon
yang lebih besar sehingga mengurangi peluang terjadi pembentukan karbida Chromium yang akan mengurangi kadar Chromium dan oleh karenanya jumlah
lapisan film oksida protektif pada permukaan.
Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC
(body centered cubic). Ferrite dalam
keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperature ruang, yaitu alpha-ferrite (pada temperatur tinggi, yaitu delta-ferrite). Kelarutan karbon di
dalam fase ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di
dalam fase larutan padat lain di dalam baja, yaitu fase Austenite. Pada
temperatur ruang, kelarutan karbon di dalam alpha-ferrite hanyalah sekitar
0,05%. Fase Austenite memiliki struktur atom FCC (Face Centered Cubic). Dalam
keadaan setimbang fase Austenite ditemukan pada temperatur tinggi. Fase ini
bersifat non magnetik dan ulet (ductile) pada temperatur tinggi. Kelarutan atom
karbon di dalam larutan padat Austenite lebih besar jika dibandingkan dengan
kelarutan atom karbon pada fase Ferrite. Selain pada temperatur tinggi,
Austenite pada sistem Ferrous dapat pula direkayasa agar stabil pada temperatur
ruang. Elemen-elemen seperti Mangan dan Nickel misalnya dapat menurunkan laju
transformasi dari gamma-austenite menjadi alpha-ferrite. Dalam jumlah tertentu
elemen-elemen tersebut akan menyebabkan Austenite stabil pada temperatur ruang.
Contoh baja paduan dengan fase Austenite pada temperatur ruang misalnya adalah
Baja Hadfield (12%Mangan) dan Baja Stainless 18-8 (8%Ni).
Gambar 2.18 Diagram
Fasa Besi Chromium
Tabel
2.9 Fase Fe-Cr H.Okamoto, 1990
|
Phase
|
Composition
|
Pearson
|
Space
|
|
wt % Cr
|
symbol
|
group
|
|
|
(αFe,Cr)
|
0 to 100
|
cl2
|
Im3m
|
|
(γFe)
|
0 to 11.2
|
cF4
|
Fm3m
|
|
σ
|
42.7 to 48.2
|
tP30
|
P42/mnm
|
Gambar 2.19 Pengaruh Penambahan
Karbon Terhadap Luas Daerah Fase Austenite
Pada Paduan Stainless Fe-Cr
Gambar 2.20 Pengaruh Penambahan
Kadar Karbon Terhadap Daerah Fase Austenite
Pada Paduan Baja Stainless Fe-Cr-Ni
Contoh paduan Stainless Steel dengan penambahan Ni adalah Stainless Steel 18-8. Telah dijelaskan pula sebelumnya bahwa Ni
yang memiliki struktur FCC adalah elemen penstabil FCC atau Austenite pada paduan besi. Keberadaan
Ni akan mengurangi kecenderungan besi FCC untuk bertransformasi menjadi BCC. Pada
kadar karbon tertentu (< 0,03%C) fase Austenite
bahkan akan stabil pada temperatur ruang. Sejauh ini telah kita kenal dua jenis
paduan Stainless Steel yang penting,
yaitu paduan Stainless Steel dengan
kandungan Ni rendah dan paduan Stainless
Steel dengan kandungan Ni tinggi. Telah kita kenal pula tiga jenis paduan Stainless berdasarkan struktur
kristalnya, yaitu: logam Stainless
Feritik (Ferritic Stainless Steel), logam Stainless Martensitik (Martensitic Stainless Steel), dan logam Stainless Steel Austenitik (Austenitic
Stainless Steel). Selain berdasarkan kedua hal di atas, paduan stainless dapat pula dikelompokkan
berdasarkan mekanisme penguatannya. Termasuk ke dalam golongan ini adalah PH Stainless Steel, yaitu paduan Stainless Steel yang dikuatkan melalui
mekanisme Precipitation Hardening
yang meliputi Solutionizing, Quenching,
dan Aging.
Gambar 2.21
Diagram Fase Fe – Ni
Tabel 2.10 Fase
Fe-Ni
L.J.Swartzendruber,V.P.Itkin, and
C.B.Alcock, 1992
|
Phase
|
Composition
|
Pearson
|
Space
|
|
wt % Ni
|
symbol
|
group
|
|
|
(δFe)
|
0 to 3.7
|
cl2
|
Im3m
|
|
(γFe,Ni)
|
0 to 100
|
cF4
|
Fm3m
|
|
(αFe)
|
0 to 5.8
|
cl2
|
Im3m
|
|
Fe3Ni(a)
|
26
|
cP4
|
Pm3m
|
|
FeNi(a)
|
51
|
tP2
|
P4/mmm
|
|
FeNi3
|
64 to ~90
|
cP4
|
Pm3m
|
Gambar 2.22 Diagram Schaeffler
Untuk SS 304 Dan SS 316