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’. Penulis mendengar ’cerita’ ini 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