Kakisan antara butir pada Keluli Tahan Karat Austenitik

Disiar dalam Majalah Dewan Kosmik Jun 2010

Kakisan antara butir pada Keluli Tahan Karat Austenitik

Muhammad Nuruddin Bashah

Bc Hons (Material Eng) Universiti Malaya

Sekeliling kita kini hampir semuanya bergantung kepada khidmat keluli tahan karat kerana ianya bukan sahaja cantik dan berkilat malah ia selamat daripada karat, bebas daripada kuman berbahaya serta sesuai untuk kegunaan yang melibatkan biologi seperti perubatan, pemakanan dan bahan kimia organik.

Lihat sahaja keluli tahan karat jenis AISI 316 digunakan pada bahagian luar menara Berkembar Petronas. Jenis ini adalah keluli tahan karat austenitik di mana jenis austenitik menguasai lebih 70% pengeluaran besi tahan karat berbanding jenis ferritik dan martensitik. Memorial Tentera Udara Amerika Syarikat juga menggunakan keluli tahan krat austenitik pada struktur kulitnya.

Keluli tahan kakisan (karat) telah ditemui metod pengeluarannya pada 1913, oleh pengkaji logam di Britain and Jerman. Keluli tahan kakisan pertama kalinya dileburkan pada 13 Ogos 1913, di Sheffield, atas inisiatif Harry Brearley. Keluli tahan karat yang pertama dihasilkan adalah jenis struktur martensitik dengan 0.24% karbon dan 12.8% kromium. Selang setahun selepas penemuan itu, Strauss dan Maurer di Jerman membangunkan pula keluli tahan karat austenitik yang pertama semasa mencuba memasukkan nikel dalam campuran keluli lebur. Dalam masa yang sama Dansitzen di Amerika Syarikat yang mempelajari aloi yang serupa dengan penemuan Brearley telah menemui keluli tahan karat berkarbon rendah iaitu jenis Ferritik.

Daripada penemuan-penemuan ini, ketiga-tiga jenis keluli tahan karat iaitu jenis martensitik, austenitik dan feritik siap dicipta menjelang Perang Dunia Pertama. Dalam hal ini, tidak mustahil tekanan dan situasi dunia yang hangat ingin berperang telah mencetuskan penemuan ini secara hampir serentak di dunia eropah. Malah keluli ini banyak membantu negara Eropah membangunkan senjata dan kelengkapan ketenteraan lain. Malah Brearley sendiri pernah diminta untuk bekerja di pusat penghasilan senjata Britain untuk mencipta keluli sempurna untuk peperangan.

Apabila disebut sahaja keluli tahan karat terlalu ramai pihak beranggapan ia tidak akan berkarat sama sekali, akan tetapi pandangan ini adalah salah sama sekali kerana keluli ini semata-mata bergantung kepada kandungan kromium di dalamnya untuk membina lapisan tahan karat pada permukaannya iaitu kromium oksida. Proses ini digelar passivation (pempasifan) agar permukaan keluli kebal daripada karat yang lebih teruk. Tulisan ini cuba meneliti karat yang boleh berlaku pada keluli tahan karat austenitik jika ia mengalami suhu yang tinggi iaitulah kakisan antara butir (intergranular corrosion) serta cara jurutera metalurgi mengelakkan masalah ini daripada berlaku.

Dengan menambah nikel kepada keluli tahan karat, struktur butir austenit telah terhasil dan ia telah membezakan antara struktur keluli ferrit dengan austenit. Gred keluli jenis ini yang kerap digunakan ialah AISI 304 (Nombor Euronorm 1.4301). iaitu gred yang digunakan untuk kegunaan bekas kimia, tekstil, petroleum, makanan tenusu dan makanan biasa.

Keluli AISI 304 juga digelar keluli 18/8 iaitu kandungan 18% kromium serta 8% nikel. Ciri umum pada keluli jenis ini ialah ketahanan kakisan yang hebat (walaupun ada beberapa gred yang dimajukan lagi melebihi gred ini), ia tidak bersifat magnetik selepas disepuh lindap, boleh diperkuatkan selepas dikerja sejukkan ( work harden), ianya mulur dan mudah dibentuk, boleh dipateri, bersih serta boleh digunakan pada suhu tinggi serta ia bersifat tahaan suhu kriogenik iaitu tidak rapuh semasa berada dalam suhu bawah tahap beku.

Komposisi kimia bagi keluli AISI 304 ialah Karbon maksimum sebanayak 0.08%, Mangan 2.00%, Fosforus 0.045%, Sulfur 0.03%, Silicon 0.75%, Kromium 18-20%, Nikel 8-12% serta nirogen 0.10% disamping bakinya Ferum.

Keluli tahan karat Austenitik ini merupakan bahan yang tahan karat terutamanya terhadap reaksi dan tindakbalas kimia. Hal ini disebabkan kandungan nikel di dalamnya malah permukaannya menjadi bersih dan sukar untuk pembiakan bakteria dan kulat. Selalunya kandungan nikel perlu melebihi 8% untuk menghasilkan struktur austenit. Kebersihan keluli ini lebih baik berbanding jika kita menggunakan plastik atau keluli berenemel.

Permasalahan paling besar bagi keluli tahan karat ialah Keretakan kakisan tekanan (stress corrosion cracking (S.C.C). kakisan ini berlaku sehingg mengakibatkan retsk yang dalam pada bahan dan ia adalah disebabkan kehadiran ion klorida pada persekitaran pada suhu 50 C serta mengalami tekanan dan regangan berterusan. Lantaran itu jurutera metalurgi menambah unsur Nikel dan Molibdenum untuk mengurangkan risiko kakisan ini. Dalam hal ini keluli tahan karat ferritik adalah baik untuk mengelak masalah SCC akan tetapi ia tidak boleh digunakan pada suhu lampau sejuk serta tidak mampu menahan kakisan akibat larutan kimia dan asid berbanding keluli tahan karat austenitik.

Keluli jenis ini dari gred AISI 304 hanya mampu menahan suhu sehingga 899 C sebelum ia hilang sifat tahan karatnya. Hal ini adalah disebabkan permasalahan kakisan (karatan) antara butir yang berlaku.

Keluli tahan karat memiliki sifat tahan karat adalah disebabkan terhasilnya lapisan Kromium oksida yang nipis pada permukaan keluli. Ia menjadi penghalang atau tembok kukuh untuk mengelakkan kakisan lanjut yang merosakkan struktur bahan. Lantaran itu keluli ini kaya dengan kandungan Kromium. Lapisan ini disebut passivation (pempasifan) yang mengakibatkan permukaan keluli kebal daripada kakisan teruk.

Bagaimana kakisan antara butir berlaku dan apa penyebabnya? Jika sebahagian keluli ini menerima pemanasan antara 500-800 C pada jangka masa tertentu, sebatian Kromium Karbida akan terhasil. Selalunya pemanasan ini disebabkan oleh pematerian (welding) untuk keluli tahan panas sederhana. Kromium Karbida bersifat katodik iaitu cenderung untuk menerima elektron daripada kawasan sekitarnya. Akibatnya banyak unsur Kromium dalam keluli itu akan hilang tertarik untuk membentuk sebatian Kromium Karbida dan ia menumpu kepada kedudukan disekitar sempadan butir (grain boundary). Akibatnya kawasan kehilangan Kromium tersebut akan hilang sifat pasifnya, ia kehilangan sebatian Kromium Oksida yang menjadi tembok penghalang karat seperti yang dibincang di atas tadi.

Kawasan yang mengalami kehilangan unsur Kromium itu pula bersifat anodik dan ia cenderung untuk mengeluarkan elektron untuk diberikan kepada kawasan katodik tadi (Kromium Karbida). Karat akan berlaku pada kawasan anodik tersebut dan inilah yang digelar sebagai kakisan antara butir yang berlaku pada kawasan butir keluli bukannya pada sempadan butir.

Garis hitam adalah sempadan butir yang dipenuhi oleh Kromium Karbida sementara kawasan putih adalah kawasan yang mengalami kehilangan Kromium dan terdedah kepada kakisan antara butir.

Untuk mengelakkan kehilangan Kromium, ahli saintis dan ahli metalurgi telah menambah kuantiti Titanium pada keluli gred AISI 304 untuk menghasilkan gred AISI 321 manakala niobium pula ditambah untuk menghasilkan gred AISI 347. Titanium dan Niobium adalah cenderung untuk memebentuk sebatian Karbida malah lebih aktif berbanding Kromium. Penyelesainya, Kromium terselamat daripada hilang dalam larutan pejal keluli tahan karat austenitik ini.

Keluli tahan karat austenitik boleh dipateri, namun untuk mengelakkan kakisan antara butir selepas dipateri ia mesti dilakukan proses rawatan haba yang sesuai untuk memecahkan sebatian Kromium Karbida yang terhasil.

Dalam rawatan haba selepas pateri, suhu sepuh lindap yang dipilih ialah antara 1010 C hingga 1120 C untuk Gred AISI 201, 202, 301, 302, 303, 304, 304L, 305, dan 308 di mana pada sekitar suhu ini unsur dalam keluli boleh bercampur baur. Bagi keluli yang berkarbon tinggi serta digunakan untuk tujuan suhu lampau panas seperti AISI 309 dan 310 atau keluli yang mengandungi molibdenum seperti AISI 316, 316L, 317, and 317L, suhu minimum bagi sepuh lindapnya perlu dinaikan menjadi 1040 C dalam masa yang sama suhu maksimum tetap pada 1120 C. Selepas dipanaskan pada jangka masa tertentu (bergantung kepada saiz produk), keluli akan dikleuarkan dari relau rawatan haba dan dicelup pantas menggunakaan air. Ia bertujuan mengelakan pembentukan Kromium Karbida jika masa celupan tidak pantas.

Ahli metalurgi mencipta pula Gred-gred keluli ini dengan renovasi baru iaitu mengurangkan pula kandungan karbonnya. Maka terhasillah gred 304L, 316L dan 317L. ‘”L” yang digunakan di sini bermaksud rendah karbon. Rendah karbon menatijahkan pengurangan sebatian Kromium yang bakal berlaku. Jadi, keluli 304L, 316L dan 317L sesuai untuk dipateri dan digunakan untuk plat-plat dan tiub pendidih (boiler) yang panas.

Malah jika ingin dipateri keluli ini, pengisi (filler) yang digunakan juga menggunakan bahan yang rendah karbon seperti AWS E/ER 308, 308L, 347, 316L dan sebagainya.

Masa untuk proses pateri juga harus dipendekkan untuk megelakkan kakisan ini berlaku. Selalunya projek pateri untuk paip dan plat keluli tahan kakisan austenitik memerlukan pemateri yang pakar di bawah seliaan inspektor pateri yang bertauliah.

Contoh paip yang mengalami kakisan antara butir di sekitar kawasan potongan menggunakan gas asitelin.

Kini jika jurutera ingin memilih bahan untuk kegunaan yang memerlukan pateri yang kerap keluli AISI 317 juga boleh menjadi alternatif selain 304 kerana kandungan Kromium molibdenum yang lebih tinggi berbanding keluli 304. Malah keluli 304 tidak mengandungi molibdenum yang mampu menahan lebih banyak jenis kakisan selain kakisan antara butir. Namun secara ekonominya keluli AISI 316 atau 317 adalah beih mahal kerana kandungan molibdenumnya yang ditambah. Molibdenum adalah bahan aloi yang agak mahal dalam industri foundari.

Untuk penggunaan keluli tahan karat pada suhu lampau panas gred AISI 309 dan 310 adalah disyorkan memandangkan keduanya mampu menahan kepanasan sehingga 1100 C. Keluli ini selalunya digunakan untuk nozel api atau pendidih besar.

Untuk menguji kehadiran kakisan (karatan) antara butir, ASTM ada menyediakan piawaian untuk digunakan. Antaranya ialah

* ASTM A 262 – amalan untuk mengesan kesan kakisan antara butir pada keluli tahan karat austenitik.

* ASTM G-28 – Metod ujian untuk mengesan kakisan antara granul pada besi tempa (wrought alloy), aloi dengan kadungan nikel tinggi.

* ASTM G-34 - Metod ujian untuk siri 2xxx and 7xxx di dalam siri aloi dan lain lain lagi ujian di peringkat antarabangsa.

Kakisan pada keluli tahan karat adalah merupakan satu kerugian besar kepada dunia teknologi. Menurut laporan FWHA pada tahun 2001 Amerika Syarikat telah kerugian hampir $276 billion akibat pengaratan. Mengetahui pengetahuan berkenaan kakisan bagi pihak rakyat Malaysia adalah amat perlu untuk meminimakan kegagalan kejuruteraan akibat penyelewengan, salah spesiffkasi dan kesalahan urus yang mungkin disaksikan oleh orang awam sendiri. Jelasnya pengetahuan kejuruteraan juga adalah pengetahuan umum yang perlu didedahkan.

Muhammad Nuruddin Bashah

Jika anda perlukan artikel ini yang lengkap bergambar, sila hubungi saya : jihadin82@yahoo.com. Berikan pandangan anda juga kepada dunia kejuruteraan.