Baja tahan karat: kromium dan lapisan pasif, keluarga austenitik, feritik, martensitik, dan dupleks, mutu umum, sensitisasi, dan perawatan permukaan

Meja kerja, rak, dan tudung mesin pencuci piring dari baja tahan karat di dapur sebuah hotel mulai berbintik coklat setelah setahun. Bintik paling banyak di sudut meja, di bawah dudukan rak, dan di sepanjang jalur las tudung. Pemasok peralatan menjawab keluhan dengan satu kalimat: baja tahan karat tidak bisa berkarat, jadi bintik itu pasti kotoran.

Teknisi yang memeriksa menemukan tiga kebiasaan. Meja digosok dengan sabut baja karena dianggap paling cepat membersihkan kerak. Larutan pemutih untuk sanitasi disemprotkan sore hari dan dibiarkan mengering semalam di sudut-sudut. Jalur las tudung masih berwarna kebiruan dan kecoklatan sejak dipasang. Sebagian bintik hilang setelah dibersihkan dengan benar, sebagian lain ternyata lubang sumuran kecil yang tidak bisa dihapus. Bab ini menjelaskan mengapa baja tahan karat tahan terhadap karat, kapan ketahanan itu hilang, dan cara memilih serta merawatnya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas baja tahan karat sebagai bahan: lapisan pasif, keluarga dan mutu yang umum, angka ketahanan sumuran, pengaruh klorida dan celah, sensitisasi, kontaminasi besi, perawatan permukaan, pengelasan dari sisi bahan, dan pemilihan mutu. Mekanisme elektrokimia pasivasi, sumuran, dan celah ada di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia; baja karbon dan cara mengenali bahan di Bab 2 tentang besi dan baja; prosedur las di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las; pipa baja tahan karat di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa; baut baja tahan karat, golongan A2 dan A4, serta ulir yang menyatu di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut, mur, dan sambungan ulir. Retak korosi tegangan dibahas di Bab 7 tentang mekanisme kegagalan selain lelah. Komposisi dan angka ketahanan di bab ini adalah angka tipikal; nilai untuk keputusan diambil dari standar bahan atau sertifikat pabrik.

Mengapa baja tahan karat tahan karat

Baja tahan karat (stainless steel) adalah paduan besi, nikel, dan kromium, yaitu paduan keras yang dibuat khusus untuk menahan korosi. Unsur yang membuatnya tahan adalah kromium. Bila kadar kromium lebih dari sekitar 10,5 persen, permukaan baja membentuk lapisan oksida kaya kromium yang sangat tipis, hanya beberapa nanometer, rapat, dan melekat kuat. Lapisan pasif (passive layer) adalah lapisan oksida tipis itu.

Lapisan pasif mempunyai tiga sifat yang menentukan cara merawat baja tahan karat:

1. Ia memperbaiki diri bila tergores, asalkan ada oksigen di permukaan. Goresan di udara akan pasif kembali dalam waktu singkat.
2. Ia memerlukan oksigen. Di bawah endapan, paking, atau celah sempit yang kehabisan oksigen, lapisan tidak dapat memperbaiki diri. Secara umum baja tahan karat dipakai untuk ketahanan korosi bila kondisinya mengoksidasi.
3. Ia dapat ditembus ion klorida. Klorida dari garam, air laut, pemutih, dan air bersalinitas tinggi menyerang titik-titik lemah lapisan dan memulai sumuran.

Jadi baja tahan karat tidak kebal. Ia tahan selama lapisan pasifnya utuh dan dapat memperbaiki diri, dan tugas perancang serta teknisi adalah menjaga dua syarat itu.

Keluarga dan mutu yang sering dijumpai

Baja tahan karat dikelompokkan menurut struktur kristalnya, yang ditentukan oleh komposisi:

1. Austenitik (austenitic): kromium sekitar 16 sampai 20 persen dan nikel sekitar 8 sampai 14 persen. Nikel membuat struktur austenit tetap ada pada suhu ruang. Sangat ulet, mudah dibentuk dan dilas, hampir tidak tertarik magnet, dan tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas, hanya dengan pengerjaan dingin. Keluarga ini paling banyak dipakai untuk tangki, drum, pipa, dan panel mesin laundry dan dapur.
2. Feritik (ferritic): kromium sekitar 11 sampai 18 persen dengan sedikit atau tanpa nikel. Tertarik magnet, lebih murah, ketahanan korosinya di bawah austenitik setara, kurang mudah dibentuk dan dilas. Panel luar, lis, dan peralatan rumah tangga. Baja tahan karat dapat dipakai juga untuk keperluan magnetis lunak, selain untuk struktur yang memerlukan ketahanan korosi; keluarga feritik dan martensitik yang dipakai untuk itu.
3. Martensitik (martensitic): kromium sekitar 11,5 sampai 18 persen dengan karbon lebih tinggi. Dapat dikeraskan dengan pencelupan dan temper seperti baja karbon, tertarik magnet, ketahanan korosinya lebih rendah. Pisau, poros pompa, katup, dan komponen yang perlu keras dan tahan aus.
4. Dupleks (duplex): campuran austenit dan ferit dengan kromium sekitar 22 sampai 25 persen, nikel sekitar 5 persen, dan molibdenum. Kekuatannya sekitar dua kali austenitik biasa dan lebih tahan retak korosi tegangan. Baja tahan karat dupleks dipakai untuk tekanan yang lebih tinggi.

Ada juga keluarga pengerasan presipitasi (precipitation hardening), yang dikeraskan dengan pemanasan penuaan. Baja tahan karat pengerasan presipitasi austenitik paling sulit dilas karena retak panas.

Mutu yang sering dijumpai

Penomoran tiga angka dari sistem Amerika paling sering ditemui di gambar dan katalog. Mutu berikut adalah yang paling sering dijumpai di mesin laundry, dapur, dan pengolahan air, dengan komposisi tipikal:

Nama mutu yang mirip tidak berarti sifatnya sama. Nilai tegangan untuk baja tahan karat tipe 304 tidak sama dengan nilai untuk 304L. Ada pula satu mutu yang sedikit lebih kuat daripada 304L dan lebih cocok untuk suhu tinggi.

Mutu yang lebih kuat itu ditafsirkan sebagai mutu yang distabilkan titanium. Manual sebuah washer-extractor mencantumkan pasak poros utama dari baja tahan karat 303, contoh pemakaian mutu mudah dimesin untuk komponen kecil yang dibubut.

Sumuran, klorida, dan celah

Sumuran (pitting) adalah korosi yang sangat setempat yang membentuk lubang di permukaan logam, dan sel konsentrasi biasanya terbentuk di celah dan dapat menyebabkan kegagalan dini. Mekanismenya dijelaskan di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia.

Angka ketahanan sumuran

Molibdenum dan nitrogen menambah ketahanan terhadap sumuran oleh klorida. Angka ketahanan sumuran setara (pitting resistance equivalent number, PREN) adalah angka pembanding ketahanan sumuran antarmutu yang dihitung dari kadar kromium, molibdenum, dan nitrogen. Rumus yang paling sering dipakai:

$$PREN = Cr + 3{,}3 \times Mo + 16 \times N$$

dengan setiap unsur dalam persen massa. Angka ini hanya untuk membandingkan mutu; ia tidak memberi batas klorida atau suhu yang aman. Kisaran tipikalnya: 430 sekitar 16 sampai 18, 304 sekitar 18 sampai 20, 316 sekitar 23 sampai 26, dupleks 2205 sekitar 34 sampai 36. Dari angka ini terlihat mengapa 316 dipilih untuk bahan kimia berklorida dan mengapa dupleks atau mutu yang lebih tinggi dipakai di air laut.

Ketahanan sumuran juga turun bila suhu naik. Larutan berklorida yang aman untuk 304 pada suhu ruang dapat menyumurkannya pada 60 °C. Batas klorida dan suhu untuk sebuah mutu diambil dari data pabrik bahan atau standar, bukan dari PREN.

Klorida, celah, dan endapan

Bagi baja tahan karat, akibat klorida dan celah sangat praktis:

1. Pemutih dan sanitiser berklorin adalah sumber klorida yang paling sering. Bila disemprotkan lalu dibiarkan mengering, airnya menguap dan kloridanya memekat di sudut, las, dan celah. Sesudah waktu kontak yang ditentukan, permukaan dibilas dengan air bersih dan dikeringkan.
2. Garam regenerasi pelunak air dan air garam yang tumpah di lantai atau rangka mesin meninggalkan klorida pekat. Tumpahan dibersihkan segera.
3. Paking, label, dan pita perekat di permukaan baja tahan karat membuat celah. Di bawahnya oksigen habis dan klorida masuk. Celah di bawah paking flens dan di bawah dudukan rak adalah tempat sumuran yang khas.
4. Endapan kerak, lumpur, dan sisa makanan berperan seperti celah. Permukaan yang dibersihkan teratur lebih awet daripada permukaan yang dibiarkan berkerak.
5. Air yang tergenang di dasar tangki selama mesin tidak dipakai memekat dan kehabisan oksigen. Tangki yang tidak dipakai dikuras dan dikeringkan.

Sensitisasi dan korosi antarbutir

Bila baja tahan karat austenitik biasa dipanaskan dalam rentang sekitar 450 sampai 850 °C, karbon bergabung dengan kromium membentuk karbida di batas butir. Daerah di sepanjang batas butir kehilangan kromium sehingga kadarnya turun di bawah batas pasif. Sensitisasi (sensitization) adalah keadaan batas butir yang kehilangan kromium karena karbida kromium itu. Di lingkungan yang korosif, logam lalu terserang di sepanjang batas butir, sering berupa pita sejajar di kiri dan kanan las, sementara permukaan lain tampak utuh.

Ada tiga cara mencegahnya:

1. Mutu karbon rendah (304L, 316L) dengan karbon paling tinggi sekitar 0,03 persen, sehingga karbida tidak sempat terbentuk selama pengelasan biasa.
2. Mutu distabilkan (321 dengan titanium, 347 dengan niobium) yang mengikat karbon sebelum sempat bergabung dengan kromium.
3. Anil pelarutan: memanaskan seluruh benda di atas rentang sensitisasi lalu mendinginkannya cepat, biasanya hanya mungkin di bengkel pabrik.

Untuk perbaikan di lapangan, artinya sederhana: bagian baja tahan karat austenitik yang akan dilas dan bekerja di lingkungan korosif dipesan dalam mutu L, dan logam pengisi las dipilih sesuai, misalnya pengisi berkarbon rendah untuk 304L dan 316L. Pada bak 304 yang sudah berkarat berupa pita di samping las, perbaikan dengan menambal las di atasnya akan memanaskan daerah baru ke rentang sensitisasi; bila diperbaiki, pakai pelat 304L atau 316L dan logam pengisi berkarbon rendah, atau ganti bak.

Perawatan permukaan: kontaminasi besi dan warna panas

Bintik coklat di meja dapur pada kasus pembuka sebagian besar bukan karat baja tahan karat itu sendiri. Itu karat dari partikel besi yang menempel. Sabut baja, sikat kawat baja karbon, kikir dan gerinda yang sebelumnya dipakai untuk baja karbon, percikan gerinda dari pekerjaan baja di dekatnya, dan rantai pengangkat baja dapat meninggalkan partikel besi di permukaan. Partikel itu berkarat dalam lembap, dan karatnya membuat sel kecil yang dapat merusak lapisan pasif di bawahnya. Bintik yang dapat dihapus dengan pembersih untuk baja tahan karat dan tidak meninggalkan lubang adalah karat dari partikel besi; bintik yang meninggalkan lubang kecil adalah sumuran.

Pencegahannya adalah memisahkan alat. Baja tahan karat dibersihkan dengan sabut bukan logam atau sabut baja tahan karat, disikat dengan sikat baja tahan karat yang khusus dipakai untuk itu, dan digerinda dengan batu yang belum dipakai untuk baja karbon. Pekerjaan gerinda baja karbon di dekat peralatan baja tahan karat ditutup dengan tirai. Untuk meja pada kasus pembuka, sabut baja diganti sabut bukan logam, pemutih dibilas setelah waktu kontaknya, sudut dan celah dikeringkan, dan meja diperiksa ulang sebulan kemudian.

Bila permukaan sudah terkontaminasi, partikel dihilangkan dengan pembersih yang sesuai, lalu permukaan dibiarkan pasif kembali di udara atau diberi perlakuan pasivasi. Pasivasi (passivation) adalah pembentukan lapisan pelindung yang dipercepat pada logam, terutama baja tahan karat, dengan bahan kimia yang dibuat khusus untuk tujuan itu. Larutan pasivasi adalah bahan kimia berbahaya; pemakaiannya mengikuti lembar data keselamatannya.

Warna panas las dan kehalusan permukaan

Warna panas (heat tint) adalah oksida berwarna jerami, biru, sampai kehitaman yang ditinggalkan pengelasan di samping las. Lapisan ini mengandung kromium lebih sedikit dan lebih berpori daripada lapisan pasif, jadi daerah berwarna adalah daerah yang lebih mudah terserang. Untuk peralatan yang basah dan terkena bahan kimia, warna panas dihilangkan dengan pasta atau larutan pengawet (pickling), dengan sikat baja tahan karat, atau dengan amplas halus, lalu permukaan dibilas dan dibiarkan pasif. Pasta pengawet dipakai sesuai lembar data keselamatannya. Warna panas yang tertinggal di tudung pada kasus pembuka menjelaskan bintik di sepanjang jalur las. Untuk pekerjaan baru, warna panas dibersihkan sebagai bagian dari pekerjaan las, tidak ditinggalkan.

Kehalusan permukaan juga berpengaruh. Permukaan yang halus lebih sedikit menahan endapan dan lebih mudah dibersihkan, sehingga peralatan pangan dan farmasi sering mensyaratkan kekasaran permukaan paling tinggi tertentu. Permukaan bergaris rambut digosok searah garisnya supaya tidak terlihat belang.

Pengelasan dan pengerjaan dari sisi bahan

Selain sensitisasi dan warna panas, sifat bahan memengaruhi pengerjaan baja tahan karat dengan beberapa cara:

1. Pemuaian lebih besar dan konduksi panas lebih rendah daripada baja karbon (muai sekitar satu setengah kali). Akibatnya distorsi las lebih besar; pengelasan dilakukan pendek-pendek dengan penjepitan yang baik.
2. Mengeras karena pengerjaan: mata bor yang tumpul atau berputar tanpa makan membuat permukaan austenitik mengeras, lalu mata bor tidak dapat menembusnya. Pengeboran dilakukan dengan mata tajam, putaran lebih rendah, dan pemakanan yang tetap.
3. Ulir mudah menyatu bila baut dan mur sama-sama baja tahan karat. Golongan A2 dan A4, torsi, dan pelumas ulir dibahas di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut, mur, dan sambungan ulir.
4. Martensitik memerlukan pemanasan awal dan perlakuan sesudah las seperti baja paduan berkarbon tinggi; feritik dapat mengalami pertumbuhan butir yang membuatnya getas di daerah las.

Bersinggungan dengan logam lain

Baja tahan karat yang pasif berada di ujung mulia deret galvanik. Bila disambung langsung dengan aluminium, baja galvanis, atau baja karbon dalam air, logam yang kurang mulia terkorosi lebih cepat, terutama bila luasnya kecil dibanding baja tahan karat. Baut baja tahan karat pada pelat aluminium kurang berbahaya daripada sebaliknya, tetapi sambungan seperti itu tetap diberi isolasi atau penyekat bila basah. Paduan tahan korosi yang lebih mahal sering dipakai sebagai lapisan pada baja karbon, cara lain memakai baja tahan karat hanya di permukaan yang basah. Aturan luas anode dan katode serta cara isolasi ada di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia.

Mengenali mutu di lapangan

Uji magnet dari Bab 2 tentang besi dan baja membedakan keluarga, tidak membedakan mutu. Mutu 430 dan 410 tertarik kuat; 304 dan 316 hampir tidak tertarik, tetapi daerah yang dibentuk dingin seperti tekukan dan ulir dapat sedikit tertarik. Uji magnet tidak dapat membedakan 304 dari 316. Untuk itu dipakai uji tetes molibdenum, penganalisis sinar-X genggam, atau sertifikat pabrik. Dokumen tetap cara termurah: gambar tangki atau daftar suku cadang biasanya menyebut mutu.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: membandingkan PREN. Dengan komposisi tipikal, 304 dengan Cr 18,2 dan N 0,05 memberi $PREN = 18{,}2 + 16 \times 0{,}05 = 19{,}0$. 316 dengan Cr 16,8, Mo 2,1, dan N 0,05 memberi $PREN = 16{,}8 + 3{,}3 \times 2{,}1 + 0{,}8 = 24{,}5$. Dupleks 2205 dengan Cr 22,4, Mo 3,1, dan N 0,17 memberi $PREN = 22{,}4 + 10{,}23 + 2{,}72 = 35{,}4$. Urutan ini menunjukkan ketahanan sumuran relatifnya, tetapi tidak menunjukkan apakah sebuah mutu cukup untuk larutan dan suhu tertentu.

Contoh 2: tangki larutan berklorida hangat. Tangki bahan kimia berisi larutan berklorida pada 50 °C dari 304 bersumur dalam setahun. Data pabrik bahan menyebut 304 tidak cocok untuk kondisi itu dan 316 masih di batasnya. Pilihan yang dibandingkan: tangki 316L, tangki dupleks, atau tangki plastik yang cocok secara kimia (Bab 22 · Kimia tentang polimer dan kecocokan bahan). Keputusan diambil dengan data kecocokan bahan dan diserahkan pemilik peralatan; teknisi mencatat suhu, konsentrasi, dan foto sumuran sebagai bahan keputusan.

Contoh 3: membedakan 304 dari 430 saat barang datang. Pelat yang dipesan sebagai 304 diuji dengan magnet. Satu lembar tertarik kuat, yang lain tidak. Lembar yang tertarik kuat kemungkinan feritik seperti 430, jadi dipisahkan dan dikembalikan bersama catatan nomor peleburannya. Uji magnet tidak dapat memastikan lembar yang lain 304 dan bukan mutu austenitik lain, jadi sertifikatnya diperiksa.

Contoh 4: poros pompa yang aus. Poros pompa dari 304 aus di daerah segel. Mutu martensitik seperti 420 yang dikeraskan lebih tahan aus tetapi kurang tahan korosi; alternatif lain adalah selongsong poros yang dapat diganti atau pelapisan keras di daerah segel. Pilihan diambil dari spesifikasi pabrik pompa, karena mengganti mutu poros dapat mengubah kekuatan dan ketahanan korosinya.

Contoh 5: pemutih tumpah di dasar mesin. Larutan pemutih pekat tumpah dan mengering di dasar rangka mesin cuci dari baja tahan karat. Sisa kering itu adalah klorida pekat. Dasar mesin dibilas dengan banyak air, dikeringkan, dan diperiksa beberapa minggu kemudian untuk bintik sumuran di sambungan dan bawah dudukan. Penyimpanan bahan kimia dipindahkan supaya tumpahan berikutnya tidak mengenai mesin.

Contoh 6: memesan pengganti pasak. Pasak poros asli dari baja tahan karat 303 hilang. Pengganti dari 304 sama tahan korosinya tetapi lebih sulit dimesin; pengganti dari baja karbon akan berkarat dan dapat membuat sel galvanik dengan poros. Pasak dipesan dengan nomor suku cadang pabrik; bila harus dibuat, mutu dan ukurannya mengikuti daftar suku cadang.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan pabrik, insinyur, atau penyelia bila:

1. Retak ditemukan pada tangki, bejana, atau pipa baja tahan karat yang bertekanan atau bersuhu tinggi.
2. Sumuran menembus atau sedalam lebih dari separuh tebal dinding di bagian yang menahan tekanan atau bahan kimia berbahaya.
3. Mutu pengganti untuk bagian yang terkena bahan kimia, air bersalinitas tinggi, atau suhu tinggi tidak dapat dipastikan.
4. Pekerjaan las pada baja tahan karat akan dilakukan tanpa logam pengisi yang sesuai atau tanpa cara membersihkan warna panas.
5. Bahan pengawet atau pasivasi akan dipakai tanpa lembar data keselamatan, alat pelindung, dan cara membuang sisa larutannya.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia menjelaskan pasivasi, sumuran, celah, dan deret galvanik yang dipakai di bab ini. Bab 2 tentang besi dan baja memperkenalkan baja dan uji magnet. Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las memuat prosedur las yang memakai pertimbangan sensitisasi dan warna panas. Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa memakai mutu baja tahan karat untuk pipa, Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut, mur, dan sambungan ulir membahas baut A2 dan A4 serta ulir yang menyatu, dan Bab 1 tentang struktur material, pemilihan, korosi, dan kegagalan memberi kerangka umum pemilihan bahan. Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer dipakai saat baja tahan karat dibandingkan dengan plastik untuk tangki bahan kimia. Di rak ini, Bab 7 tentang mekanisme kegagalan membahas retak korosi tegangan, dan Bab 8 tentang memilih bahan suku cadang membahas pemilihan bahan suku cadang.

Latihan dan pembahasan