Sifat Baja Tahan Karat

Ringkasan eksekutif

Baja tahan karat adalah paduan berbahan dasar besi yang ditentukan oleh kemampuannya untuk membentuk dan mempertahankan ketipisan, kromium oksida yang dapat menyembuhkan diri sendiri (Cr₂O₃) film pasif.

Film pasif ini — terbentuk ketika kandungan kromium mencapai kira-kira ≥10,5% berat — merupakan fondasi ketahanan terhadap korosi dan menjadikan baja tahan karat berbeda dari baja karbon biasa.

Dengan menyesuaikan paduan (Cr, Di dalam, Mo, N, Dari, NB, dll.) dan struktur mikro (Austenitic, feritik, martensit, rangkap, pengerasan presipitasi), insinyur mendapatkan palet kombinasi kinerja korosi yang luas, kekuatan, kekerasan, fabrikasi dan penampilan.

1. Apa itu baja tahan karat?

Definisi. Baja tahan karat adalah paduan berbahan dasar besi yang mengandung kromium dalam jumlah cukup (nominalnya ≥10,5% berat) untuk membentuk kontinyu, kromium-oksida pelindung (Cr₂O₃) lapisan pasif dalam lingkungan beroksigen.

Film pasif itu tipis (skala nm), memperbaiki diri ketika oksigen tersedia, dan merupakan dasar fundamental ketahanan korosi material.

Unsur Inti Paduan dan Fungsinya

• Kromium (Cr, 10.5%–30%): Elemen paling penting. Pada konsentrasi yang cukup, Cr bereaksi dengan oksigen membentuk zat padat, film pasif Cr₂O₃ yang melekat (2tebal –5nm) yang menghalangi media korosif menyerang matriks besi.
  Kandungan Cr yang lebih tinggi meningkatkan ketahanan terhadap korosi secara umum namun dapat meningkatkan kerapuhan jika tidak diimbangi dengan elemen lainnya.
• Nikel (Di dalam, 2%–22%): Menstabilkan fase austenitik (Kubik yang berpusat pada wajah, FCC) pada suhu kamar, meningkatkan keuletan, kekerasan, dan kemampuan las.
  Ni juga meningkatkan ketahanan terhadap retak korosi tegangan (SCC) di lingkungan klorida dan ketangguhan suhu rendah (mencegah patah getas di bawah 0℃).
• Molybdenum (Mo, 0.5%–6%): Secara signifikan meningkatkan ketahanan terhadap korosi lubang dan celah (Terutama di lingkungan yang kaya klorida) dengan meningkatkan stabilitas film pasif.
  Mo membentuk molibdenum oksida (MoO₃) untuk memperbaiki kerusakan film lokal, menjadikannya penting untuk aplikasi kelautan dan kimia.
• Titanium (Dari) dan Niobium (NB, 0.1%–0,8%): Stabilisator karbida. Mereka lebih disukai bergabung dengan karbon (C) membentuk TiC atau NbC,
  mencegah pembentukan Cr₂₃C₆ pada batas butir selama pengelasan atau servis suhu tinggi—hal ini menghindari “penipisan kromium” dan korosi antar butir berikutnya (IGC).
• Mangan (M N, 1%–15%): Alternatif hemat biaya terhadap Ni untuk stabilisasi austenit (MISALNYA., 200-seri baja tahan karat).
  Mn meningkatkan kekuatan namun dapat mengurangi ketahanan terhadap korosi dan ketangguhan dibandingkan dengan grade yang mengandung Ni.
• Karbon (C, 0.01%–1,2%): Mempengaruhi kekerasan dan kekuatan. Konten C rendah (≤0,03%, kelas L) meminimalkan pembentukan karbida dan risiko IGC; kandungan C tinggi (≥0,1%, nilai martensit) meningkatkan pengerasan melalui perlakuan panas.

Klasifikasi Mikrostruktur dan Karakteristik Utama

Baja tahan karat austenitic (300-seri, 200-seri)

• Komposisi: Kr tinggi (16%–26%), Di dalam (2%–22%) atau Mn, rendah c (≤0,12%). Nilai yang khas: 304 (18Cr-8Ni), 316 (18Cr-10Ni-2Mo), 201 (17Cr-5Ni-6Mn).
• Struktur mikro: Sepenuhnya austenitik (FCC) pada suhu kamar, non-magnetik (kecuali setelah pengerjaan dingin).
• Sifat Inti: Daktilitas yang luar biasa, kekerasan (bahkan pada suhu kriogenik hingga -270℃), dan kemampuan las; ketahanan korosi yang seimbang.

Stainless steel feritik (400-seri)

• Komposisi: Kr tinggi (10.5%–27%), rendah c (≤0,12%), tidak ada atau minimal Ni. Nilai yang khas: 430 (17Cr), 446 (26Cr).
• Struktur mikro: Feritik (kubik berpusat pada tubuh, BCC) pada semua suhu, magnet.
• Sifat Inti: Hemat biaya, ketahanan korosi umum yang baik, dan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi (hingga 800℃); keuletan dan kemampuan las yang terbatas.

Stainless steel martensit (400-seri, 500-seri)

• Komposisi: Sedang Kr (11%–17%), tinggi C (0.1%–1,2%), Ni rendah. Nilai yang khas: 410 (12Cr-0.15C), 420 (13Cr-0.2C), 440C (17Cr-1.0C).
• Struktur mikro: Martensit (tetragonal berpusat pada tubuh, SM) setelah pendinginan dan tempering; magnet.
• Sifat Inti: Kekerasan tinggi dan ketahanan aus (HRC 50–60 setelah perlakuan panas); Resistensi korosi sedang.

Dupleks stainless steel (2205, 2507)

• Komposisi: Fase austenitik-feritik seimbang (50%±10% masing-masing), Cr tinggi (21%–27%), Di dalam (4%–7%), Mo (2%–4%), N (0.1%–0,3%). Nilai yang khas: 2205 (22Cr-5Ni-3Mo), 2507 (25Cr-7Ni-4Mo).
• Struktur mikro: Fase ganda (FCC + BCC), magnet.
• Sifat Inti: Kekuatan unggul (dua kali lipat dari nilai austenitik) dan resistensi terhadap SCC, pitting, dan korosi celah; cocok untuk lingkungan laut dan kimia yang keras.

Pengerasan Curah Hujan (Ph) Baja tahan karat (17-4Ph, 17-7Ph)

• Komposisi: Cr (15%–17%), Di dalam (4%–7%), Cu (2%–5%), NB (0.2%–0,4%). Nilai tipikal: 17-4Ph (17Cr-4Ni-4Cu-Nb).
• Struktur mikro: Basa martensit atau austenitik dengan endapan (Fase kaya Cu, NbC) setelah perawatan penuaan.
• Sifat Inti: Kekuatan sangat tinggi (kekuatan tarik >1000 MPa) dan resistensi korosi yang baik; digunakan dalam aplikasi luar angkasa dan medis beban tinggi.

2. Kinerja Inti: Resistensi korosi

Ketahanan terhadap korosi adalah ciri khas baja tahan karat, berakar pada stabilitas film pasif dan sinergi elemen paduan. Nilai yang berbeda menunjukkan ketahanan yang berbeda terhadap mekanisme korosi tertentu.

Mekanisme Film Pasif dan Ketahanan Korosi Secara Umum

Film pasif Cr₂O₃ terbentuk secara spontan di lingkungan yang mengandung oksigen (udara, air) dan menyembuhkan diri sendiri—jika rusak (MISALNYA., goresan), Cr dalam matriks dengan cepat teroksidasi kembali untuk memperbaiki film.
Korosi Umum (oksidasi seragam) hanya terjadi ketika film tersebut dihancurkan, seperti pada asam pereduksi kuat (asam klorida) atau atmosfer pereduksi suhu tinggi.

• Nilai austenitic (304, 316): Tahan korosi umum di atmosfer, air tawar, dan lingkungan kimia ringan. 316 berkinerja lebih baik 304 dalam media kaya klorida karena penambahan Mo.
• Nilai feritik (430): Ketahanan korosi umum yang baik dalam larutan udara dan netral tetapi rentan terhadap lubang di lingkungan dengan kandungan klorida tinggi.
• Nilai dupleks (2205): Ketahanan korosi umum yang luar biasa, menggabungkan kemampuan pembentukan film Cr dengan ketahanan pitting Mo.

Jenis Korosi Tertentu dan Kemampuan Beradaptasi Kelas

Korosi pitting dan celah

Korosi pitting terjadi ketika ion klorida (Kl⁻) menembus cacat lokal pada film pasif, membentuk kecil, lubang korosi yang dalam.
Korosi celah serupa tetapi terlokalisasi pada celah sempit (MISALNYA., jahitan las, antarmuka pengikat) dimana penipisan oksigen mempercepat korosi.

• Elemen Utama yang Mempengaruhi: Mo dan N secara signifikan meningkatkan resistensi—masing-masing 1% Penambahan Mo mengurangi suhu pitting kritis (CPT) pada ~10℃.
  316 (CPT ≈ 40℃) berkinerja lebih baik 304 (CPT ≈ 10℃); 2507 baja dupleks (CPT ≈ 60℃) sangat ideal untuk aplikasi air laut.
• Tindakan Pencegahan: Gunakan nilai yang mengandung Mo, hindari desain celah, dan melakukan perawatan pasif (perendaman asam nitrat) untuk meningkatkan integritas film.

Korosi intergranular (IGC)

IGC muncul dari penipisan kromium pada batas butir: selama pengelasan atau layanan suhu tinggi (450–850℃), karbon bergabung dengan Cr membentuk Cr₂₃C₆, meninggalkan zona yang kekurangan Cr (Cr < 10.5%) yang kehilangan kepasifannya.

• Nilai Tahan: Nilai-L (304L, 316L, C ≤ 0.03%), nilai yang stabil (321 dengan Ti, 347 dengan Nb), dan nilai dupleks (rendah c + stabilisasi N).
• Mitigasi: Perlakuan panas pasca-keluhan (anil larutan pada 1050–1150℃) untuk melarutkan Cr₂₃C₆ dan mendistribusikan kembali Cr.

Retak korosi stres (SCC)

SCC terjadi di bawah aksi gabungan dari tegangan tarik dan media korosif (MISALNYA., khlorida, solusi kaustik), menyebabkan patah getas secara tiba-tiba.
Nilai austenitic (304, 316) rentan terhadap SCC di lingkungan klorida panas (>60℃), sementara nilai feritik dan dupleks menunjukkan ketahanan yang lebih tinggi.

• Nilai Tahan: 2205 baja dupleks, 430 baja feritik, dan nilai PH (17-4Ph).
• Mitigasi: Mengurangi tegangan tarik (Annealing pelepasan stres), menggunakan lingkungan rendah Cl⁻, atau pilih nilai dupleks.

Ketahanan suhu tinggi dan oksidasi

Resistensi oksidasi meningkat dengan Cr dan Si; feritik dengan Cr tinggi (MISALNYA., 446 dengan ≈25–26% Cr) tahan oksidasi hingga ~800 °C. Austenitik seperti 310S (≈25% Kr, 20% Di dalam) digunakan untuk ketahanan oksidasi hingga ~1 000 ° C..
Untuk kekuatan suhu tinggi atau atmosfer karburasi yang berkelanjutan, pilih paduan tahan panas yang dirancang khusus atau superalloy berbahan dasar Ni.

3. Sifat mekanik

Sifat mekanik baja tahan karat sangat bervariasi berdasarkan struktur mikro dan perlakuan panas, memungkinkan penyesuaian untuk menahan beban, tahan aus, atau aplikasi kriogenik.

Cuplikan mekanis (khas, rentang):

Keuletan dan ketangguhan

• Nilai austenitic: Daktilitas yang luar biasa (perpanjangan putus 40% –60%) dan ketangguhan (ketangguhan impak takik Akv > 100 J pada suhu kamar).
  Mereka mempertahankan ketangguhan pada suhu kriogenik (MISALNYA., 304L Akv > 50 J pada -200℃), cocok untuk penyimpanan LNG dan kapal kriogenik.
• Nilai feritik: Daktilitas sedang (perpanjangan 20% –30%) tetapi ketangguhan suhu rendahnya buruk (suhu transisi rapuh ~0℃), membatasi penggunaan di lingkungan dingin.
• Nilai martensit: Daktilitas rendah (perpanjangan 10% –15%) dan ketangguhan dalam keadaan padam; tempering meningkatkan ketangguhan (Akuv 30–50 J) tetapi mengurangi kekerasan.
• Nilai dupleks: Daktilitas yang seimbang (perpanjangan 25% –35%) dan ketangguhan (Air > 80 J pada suhu kamar), dengan kinerja suhu rendah yang baik (suhu transisi rapuh < -40℃).

Resistensi kelelahan

Ketahanan lelah sangat penting untuk komponen yang mengalami beban siklik (MISALNYA., poros, Mata air).
Nilai austenitic (304, 316) memiliki kekuatan lelah sedang (200–250 MPa, 40% dari kekuatan tarik) dalam keadaan anil; pengerjaan dingin meningkatkan kekuatan lelah hingga 300–350 MPa namun meningkatkan sensitivitas terhadap cacat permukaan.
Nilai dupleks (2205) menunjukkan kekuatan lelah yang lebih tinggi (300–380MPa) karena struktur dua fasenya, sedangkan nilai PH (17-4Ph) mencapai 400–500 MPa setelah penuaan.
Perawatan permukaan (tembakan peening, Pasifan) semakin meningkatkan umur kelelahan dengan mengurangi konsentrasi tegangan dan meningkatkan stabilitas film.

4. Sifat Termal dan Listrik

Sifat termal

• Konduktivitas termal (20 ° C.): 304 ≈ 16 W·m⁻¹·K⁻¹; 316 ≈ 15 W·m⁻¹·K⁻¹; 430 ≈ 25–28 W·m⁻¹·K⁻¹. Baja tahan karat menghantarkan panas jauh lebih efektif dibandingkan baja karbon atau aluminium.
• Koefisien ekspansi termal (20–100 ° C.): Austenitik ≈ 16–17 ×10⁻⁶ K⁻¹; feritik ≈ 10–12 ×10⁻⁶ K⁻¹; dupleks ≈ 13–14 ×10⁻⁶ K⁻¹.
  CTE Austenitik yang lebih tinggi menyebabkan pergerakan termal yang lebih besar dan risiko distorsi pengelasan yang lebih besar.
• Kekuatan suhu tinggi: Austenitik mempertahankan kekuatan pada suhu sedang; nilai khusus (310S, feritik tahan panas) memperpanjang suhu penggunaan maksimum. Untuk aplikasi creep terus menerus, pilih baja tahan mulur atau paduan berbahan dasar Ni.

Properti Listrik

Baja tahan karat adalah konduktor listrik moderat, dengan resistivitas lebih tinggi dari tembaga dan aluminium tetapi lebih rendah dari bahan non-logam.
Nilai austenitic (304: 72 × 10⁻⁸ Ω·m) memiliki resistivitas yang lebih tinggi dibandingkan nilai feritik (430: 60 × 10⁻⁸ Ω·m) karena penambahan unsur paduan.
Konduktivitas listriknya tidak cocok untuk konduktor efisiensi tinggi (didominasi oleh tembaga/aluminium) tapi cukup untuk grounding rod, selungkup listrik, dan komponen arus rendah yang mengutamakan kekuatan mekanik dan ketahanan terhadap korosi.

5. Kinerja Pemrosesan

Kemampuan proses baja tahan karat (pengelasan, pembentukan, pemesinan) sangat penting bagi industri manufaktur, dengan perbedaan yang signifikan antar kelas.

Kinerja Pengelasan

Kemampuan las tergantung pada struktur mikro, kandungan karbon, dan unsur paduan:

• Nilai austenitic (304, 316): Kemampuan las yang sangat baik melalui pengelasan busur, pengelasan gas, dan pengelasan laser.
  Nilai C rendah (304L, 316L) dan nilai stabil (321, 347) hindari IGC; pasivasi pasca-las meningkatkan ketahanan terhadap korosi.
• Nilai feritik (430): Kemampuan las yang buruk karena butiran menjadi kasar dan rapuh di zona yang terkena panas (Haz). Pengelasan memerlukan masukan panas dan pemanasan awal yang rendah (100–200℃) untuk mengurangi keretakan HAZ.
• Nilai martensit (410): Kemampuan las sedang. Kandungan C yang tinggi menyebabkan HAZ mengeras dan retak; pemanasan awal (200–300℃) dan tempering pasca pengelasan (600–700℃) adalah wajib.
• Nilai dupleks (2205): Kemampuan las yang baik tetapi memerlukan kontrol panas yang ketat (suhu antar lintasan < 250℃) untuk menjaga keseimbangan fase (50% austenit/ferit). Anil solusi pasca-las (1050–1100℃) mengembalikan ketahanan terhadap korosi.

Membentuk Kinerja

Sifat mampu bentuk terkait dengan keuletan dan tingkat pengerasan kerja:

• Nilai austenitic: Sifat mampu bentuk yang sangat baik karena keuletan yang tinggi dan tingkat pengerasan kerja yang rendah.
  Mereka bisa mendalaminya, dicap, bengkok, dan digulung menjadi bentuk yang rumit (MISALNYA., 304 untuk kaleng makanan, panel arsitektur).
• Nilai feritik: Sifat mampu bentuk sedang tetapi rentan retak selama pembentukan dingin karena keuletannya rendah; pembentukan hangat (200–300℃) meningkatkan kemampuan kerja.
• Nilai martensit: Sifat mampu bentuk dingin yang buruk (daktilitas rendah); pembentukan biasanya dilakukan dalam keadaan anil, diikuti dengan pendinginan dan temper.
• Nilai dupleks: Sifat mampu bentuk yang baik (mirip dengan 304) tetapi membutuhkan gaya pembentukan yang lebih tinggi karena kekuatan yang lebih tinggi.

Kinerja Pemesinan

Kemampuan mesin dipengaruhi oleh kekerasan, kekerasan, dan pembentukan chip:

• Nilai austenitic: Kemampuan mesin yang buruk karena ketangguhan yang tinggi, bekerja keras, dan adhesi chip pada alat pemotong. Pengerjaan mesin memerlukan alat yang tajam, tingkat pakan yang rendah, dan memotong cairan untuk mengurangi keausan.
• Nilai feritik: Kemampuan mesin sedang, lebih baik dari nilai austenitik tetapi lebih buruk dari baja karbon.
• Nilai martensit: Kemampuan mesin yang baik dalam keadaan anil (HB 180–220); pengerasan meningkatkan kesulitan, membutuhkan alat semen karbida.
• Nilai PH: Kemampuan mesin sedang dalam keadaan anil solusi; penuaan mengeraskan material, membuat pemesinan pasca penuaan menjadi tidak praktis.

6. Properti Fungsional dan Aplikasi Khusus

Melampaui kinerja inti, sifat fungsional baja tahan karat (Biokompatibilitas, permukaan akhir, sifat magnetik) memperluas cakupan penerapannya.

Biokompatibilitas

Nilai austenitic (316L, 316LVM) dan nilai PH (17-4Ph) bersifat biokompatibel—tidak beracun, tidak menyebabkan iritasi, dan tahan terhadap cairan tubuh (darah, jaringan).

316LVM (karbon rendah, vakum meleleh) digunakan untuk implan bedah (pelat tulang, sekrup, stent) karena kemurniannya yang tinggi dan ketahanan terhadap korosi di lingkungan fisiologis.

Modifikasi permukaan (pemolesan, etsa elektrokimia) lebih lanjut meningkatkan biokompatibilitas dengan mengurangi adhesi bakteri.

Sifat Permukaan dan Estetika

Permukaan baja tahan karat dapat disesuaikan untuk estetika dan fungsionalitas:

• Selesai mekanis: 2B, No.4 (disikat), BA (anil cerah), cermin. Pilih hasil akhir untuk estetika dan kebersihan yang diinginkan.
• Electropolishing: meningkatkan kehalusan permukaan dan ketahanan terhadap korosi; biasa digunakan pada peralatan medis/makanan.
• Pasifasi kimia: perawatan asam nitrat atau sitrat menghilangkan zat besi bebas dan menambah lapisan pasif, meningkatkan ketahanan korosi untuk aplikasi makanan dan medis.
• Pewarnaan & pelapis: PVD atau pelapis organik dapat menambah warna atau perlindungan tambahan; adhesi memerlukan persiapan permukaan yang tepat.

Sifat magnetik

Magnetisme ditentukan oleh struktur mikro:

• Nilai austenitic: Non-magnetik dalam keadaan anil; pengerjaan dingin menginduksi magnet lemah (karena transformasi martensit) tetapi tidak mempengaruhi ketahanan korosi.
• Feritik, martensit, dan nilai dupleks: Magnet, cocok untuk aplikasi yang memerlukan daya tanggap magnetis (MISALNYA., pemisah magnetik, komponen sensor).

7. Aplikasi khas berdasarkan keluarga

• Austenitic (304/316): Pengolahan makanan, kelongsong arsitektur, tanaman kimia, Cryogenics.
• Feritik (430/446): hiasan dekoratif, knalpot otomotif (446 suhu tinggi), peralatan.
• Martensit (410/420/440C): alat makan, katup, poros, memakai bagian.
• Rangkap (2205/2507): minyak & gas (layanan asam), Sistem air laut, peralatan proses kimia.
• Ph (17-4Ph): aktuator ruang angkasa, pengencang berkekuatan tinggi, aplikasi yang menuntut kekuatan tinggi dengan ketahanan korosi sedang.

8. Perbandingan dengan Materi Pesaing

Pemilihan material memerlukan keseimbangan kinerja mekanis, resistensi korosi, berat, perilaku termal, karakteristik fabrikasi, Dan biaya siklus hidup.

Perbandingan di bawah ini berfokus pada baja tahan karat versus alternatif logam yang paling umum dipertimbangkan dalam praktik teknik.

9. Kesimpulan

Baja tahan karat adalah kelompok bahan serbaguna yang menggabungkan ketahanan terhadap korosi, kinerja mekanik dan fleksibilitas estetika.

Keberhasilan penggunaan tergantung pada tingkat penyelarasan, struktur mikro dan diakhiri dengan lingkungan layanan dan proses manufaktur.

Gunakan PREN dan uji korosi yang tervalidasi sebagai alat penyaringan untuk lingkungan klorida; mengontrol riwayat panas fabrikasi dan kondisi permukaan; memerlukan MTR dan kualifikasi korosi/mekanis artikel pertama untuk sistem kritis.

Ketika ditentukan dan diproses dengan benar, baja tahan karat memberikan masa pakai yang lama dan ekonomi siklus hidup yang kompetitif.

 

FAQ

Adalah 316 selalu lebih baik dari 304?

Tidak selalu. 316Kandungan Mo memberikan ketahanan terhadap lubang yang jauh lebih baik di lingkungan klorida; tetapi untuk aplikasi dalam ruangan non-klorida 304 biasanya memadai dan lebih ekonomis.

Berapa nilai PREN yang harus saya targetkan untuk layanan air laut?

Target PREN ≥ 35 untuk paparan air laut sedang; untuk percikan atau air laut hangat pertimbangkan PREN ≥ 40+ (dupleks atau superaustenitik). Selalu validasi dengan pengujian khusus lokasi.

Bagaimana cara menghindari korosi intergranular setelah pengelasan?

Gunakan rendah karbon (L) atau nilai stabil, meminimalkan waktu dalam kisaran sensitisasi, atau melakukan anil dan pengawetan larutan jika memungkinkan.

Kapan memilih duplex daripada stainless austenitik?

Pilih dupleks bila Anda membutuhkan kekuatan yang lebih besar dan peningkatan ketahanan klorida/pitting dan SCC dengan biaya siklus hidup yang lebih rendah dibandingkan superaustenitik—umumnya terdapat pada minyak & gas, aplikasi desalinasi dan penukar panas.