Jurnal Teknologi Bahan dan Barang Teknik Vol. 12, No. 1, Juni 2022: 15-20 e-ISSN: 2715-9116 DOI: 10.37209/jtbbt.v12i1
Email: fadlin.qisthi@gmail.com DOI: http://dx.doi.org/10.37209/jtbbt.v12i1.235

## ANALISIS MIKROSTRUKTUR DAN SIFAT MEKANIK DARI BAJA TAHAN KARAT BEBAS NIKEL

## ANALYSIS OF MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF NICKEL-FREE STAINLESS STEELS

## Fadlin Qisthi Nasution
Kelompok Peneliti Rekayasa Teknologi dan Pengelolaan Lingkungan, Pusat Penelitian Kelapa Sawit, Indonesia
Diterima: 11 April 2022 Direvisi: 13 Mei 2022 Disetujui: 10 Juni 2022

## ABSTRAK
Baja tahan karat austenitik adalah jenis baja tahan karat yang paling banyak diproduksi di dunia. Akhir-akhir ini  terjadi  fluktuasi  harga  nikel  mentah  yang  berdampak  negatif  pada  produksi  baja  tahan  karat  austenitik.  Dari penelitian  awal,  ditemukan  paduan  multikomponen  BCC  fase  tunggal  dalam  sistem  paduan  Fe-Cr-X-Y  yang berpotensi menggantikan baja tahan karat austenitik. Penelitian ini difokuskan untuk mempelajari lebih lanjut struktur mikro dan perubahan sifat mekanik pada sistem paduan Fe-Cr-X-Y. Ternyata bahwa peningkatan kandungan kromium meningkatkan kekerasan dan mengurangi keuletan paduan. Penambahan 5% elemen X dan Y masing-masing dalam sistem  paduan  telah  dapat  menghasilkan  berbagai  paduan  yang  tidak  mengandung fase  sigma,  yang  merusak  sifat mekanik  baja  tahan  karat  feritik,  bahkan  setelah perlakuan  panas  yang  lama  pada  300-500 o C .  Namun, masih  ada peningkatan kekerasan ketika paduan diberi perlakuan panas pada suhu tersebut. Ini menandakan pemisahan fase  α dan α’ karena immiscibility dalam larutan padat. Studi lebih lanjut diperlukan untuk memecahkan masalah pemisahan fase ini.
Kata kunci : baja tahan karat, baja tahan karat feritik, alloys multikomponen, fase sigma, fase α’.

## ABSTRACT
Austenitic stainless steels are the most produced type of stainless steels in the world. Recently, there has been fluctuation  in  the  price  of  raw  Nickel  which  has  negative  impact  in  production  of  austenitic  stainless  steels.  It  is recently  discovered  a  BCC  single-phase  Multi  Component  Alloys  within  the  Fe-Cr-X-Y  alloy  system  which  can potentially  replace  austenitic  stainless  steels.  This  study  was  focused  to  further  the  study  of  microstructure  and mechanical properties changes in the Fe-Cr-X-Y alloy system. It is found that an increase in the chromium content increases the hardness and reduces the ductility of the alloys. The addition of 5% of X and Y elements respectively in the alloy system had successfully produced a range of alloys which contained no sigma phase, which was detrimental to the mechanical properties of ferritic stainless steels, even after prolonged heat treatment at 300-500 o C . However, there  was  still  an  increase  in  hardness  when  the  alloys  were  heat  treated  at  such  temperature.  This  signified  the separation of α and α’ phase due to the immiscibility in the solid solution. Further study is required to solve this phase separation problem.
Keywords: stainless steels, ferritic stainless steels, multicomponent alloys, sigma phase, α’ phase.

## PENDAHULUAN
Baja  tahan  karat  ( stainless  steel )  banyak digunakan karena sifatnya yang luar biasa, seperti sifat  mekanik  yang  baik  dan  ketahanan  korosi yang  baik.  Baja  tahan  karat  austenitik  Cr-Ni adalah jenis baja tahan karat yang paling banyak diproduksi di dunia [1-3]. Akhir-akhir ini terjadi fluktuasi  harga  nikel  mentah.  Gejolak  harga
tersebut  berdampak  negatif  pada  produksi  baja tahan  karat,  khususnya  baja  Cr-Ni.  Baja  Cr-Ni menggunakan  cukup  banyak  nikel  dalam paduannya;  sehingga  fluktuasi  harga  ini  sangat mempengaruhi  biaya  produksi.  Oleh  karena  itu, banyak  pabrikan  dan  pabrikan  baja  yang mencoba  menyubstitusi  baja  Cr-Ni  dengan  baja jenis lain [3-5].
Jenis  baja  tahan  karat  austenitik  lainnya, baja tahan karat seri 200, baja tahan karat feritik (seri 400) telah dicoba untuk menggantikan baja Cr-Ni.  Baja  tahan  karat  seri  200  dan  seri  400 mengandung  lebih  sedikit  nikel,  sehingga menurunkan  biaya  produksi.  Namun,  seri  200 memiliki  ketahanan  korosi  yang  lebih  buruk daripada baja tahan karat seri 300. Sementara itu, baja  tahan  karat  seri  400  tidak  dapat  digunakan untuk  menggantikan  baja  tahan  karat  seri  300 pada  aplikasi  suhu  tinggi  karena  adanya  475 o C embrittlement [6-11].  475 o C embrittlement terjadi  karena  keberadaan  kandungan  kromium yang tinggi mendorong pembentukan fasa sigma dalam  paduan.  Fasa  sigma  bersifat  getas, sehingga  dapat  menurunkan ultimate  tensile strength dan ketangguhan baja tahan karat feritik [12-14].
Penelitian  di  bidang  paduan  pada  entropi tinggi  dengan  logam  berbasis  Fe  sebagai  sarana untuk  menggantikan  baja  tahan  karat  seri  300 telah  dilakukan.  Akan  tetapi,  telah  ditemukan bahwa penggunaan komposisi ekuimolar konvensional  menghasilkan  struktur  multifasa dengan  senyawa  intermetalik  yang  terdapat dalam  paduan  multikomponen  [15-20].  Dari penelitian  awal,  telah  ditemukan  paduan  BCC fasa tunggal yang stabil dalam sistem paduan Fe- Cr-X-Y.  Baja  tahan  karat  entropi  tinggi  ini memiliki karakteristik yang baik bila dibandingkan  dengan  baja  tahan  karat  feritik konvensional yang mungkin dapat menggantikan baja  tahan  karat  seri  300.  Paduan  ini  tidak menunjukkan  adanya  fasa  sigma  bahkan  pada konsentrasi  Cr  yang  tinggi.  Penelitian  ini ditujukan untuk mengembangkan penemuan baru ini  dengan  mengembangkan  rangkaian  paduan Fe-Cr-X-Y  yang  memiliki  kemampuan  kerja yang  tetap  kompetitif  dari  segi  biaya  bila dibandingkan  dengan  baja  tahan  karat  kelas komersial  dan  bahkan  baja  galvanik  yang  dapat digunakan  dalam  industri  konstruksi,  otomotif, dirgantara, kelautan serta makanan dan minuman.

## BAHAN DAN METODE

## Bahan
Paduan  diproduksi  dari  logam  dengan kemurnian  tinggi  (Fe  99,95%,  Cr  99,9%,  X 99,95%, Y 99,95%).

## Metode
Sampel  paduan  multikomponen  dengan volume  1  cm 3 sesuai  dibuat  dengan  proses arc- melting menggunakan Edmund Bühler  Compact Arc MAM-1 dalam lingkungan inert (gas  argon) untuk  menghasilkan  sampel  berbentuk  kancing ( button ). Berikut ini (Tabel 1) adalah komposisi dari sampel yang digunakan pada studi ini.
Tabel 1. Komposisi Paduan Multi Komponen Sampel Komposisi (%) 1 Fe 65 Cr 25 X 5 Y 5 2 Fe 60 Cr 30 X 5 Y 5 3 Fe 55 Cr 35 X 5 Y 5 4 Fe 45 Cr 40 X 5 Y 5 5 Fe 40 Cr 45 X 5 Y 5
Sampel  kemudian  dibersihkan  permukaannya secara  abrasi  mekanis  menggunakan Struers Labopol-5 dan  pembersihan  ultrasonik  dalam etanol  menggunakan Bransonic®  Ultrasonic Cleaner .  Sampel  kemudian  dicetak  dalam keadaan vacuum menggunakan Edmund  Bühler Compact  Arc  MAM-1 .  Pengujian  kualitatif  dari keuletan  material  dilakukan  dengan  proses shearing menggunakan bolt cutter .
Sampel  kemudian  dipotong  menjadi beberapa  bagian  menggunakan IsoMet™  Low Speed  Precision  Cutter .  Selanjutnya,  sampel dienkapsulasi  menggunakan  tabung  silika  dan kemudian  diberi  perlakukan solution treatment pada temperatur 850 o C selama 6 jam yang diikuti dengan pendinginan di udara. Sampel kemudian diberi perlakuan panas lanjutan dengan memanaskannya pada temperatur 400 o C dan 500 o C selama 7 hari. Perlakuan panas dilakukan pada sampel menggunakan Nabertherm Muffle Furnace L 9/11/SKM . Proses mounting untuk keperluan uji keras dan metalografi dilakukan menggunakan Struers CitoPress-20 .  Uji  kekerasan  mikro  dilakukan menggunakan Struers  DuraScan dengan  beban 1  N  selama  10  detik.  Pengujian  kekerasan dilakukan pada kondisi as-cast , solution treated , dan setelah perlakuan panas pada temperatur 350 o C,  400 o C,  450 o C  dan  500 o C  selama  7  hari. Karakterisasi XRD dilakukan pada sampel 1 dan 5 menggunakan Philips/PANalytical X’Pert Pro- MPD Powder Diffractometer dengan pengaturan perangkat keras yang digunakan untuk pemindaian  adalah    10  mm fixed    mask ,    celah
divergen    ½°    dan    0,04    rad soller    slit pada pemegang  sampel  dengan  4  putaran/menit. Scanning degree mulai dari 20 o hingga 120 o dan waktu pemindaian 30 menit untuk setiap sampel. Analisis  hasil  XRD  dilakukan  menggunakan program HighScore Plus versi 4.8.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  1  menunjukkan  bahwa  paduan  1 (Fe 65 Cr 25 X 5 Y 5 )  dan  paduan  2  (Fe 60 Cr 30 X 5 Y 5 ) memiliki  keuletan  yang  baik.  Namun,  paduan  3 (Fe 55 Cr 35 X 5 Y 5 )  tampaknya  merupakan  titik transisi dari ulet ke getas, karena memiliki bagian patahan ulet dan getas. Paduan 4 (Fe 50 Cr 40 X 5 Y 5 ) dan  paduan  5  (Fe 45 Cr 45 X 5 Y 5 )  menunjukkan
keuletan yang buruk, ditunjukkan dengan patahan getas.
Gambar 2 memperlihatkan nilai kekerasan dari paduan 1 hingga paduan 5 untuk as-cast dan solution  treated .  Paduan  1  (Fe 65 Cr 25 X 5 Y 5 ), paduan  dengan  jumlah  Cr  paling  sedikit  dalam sistem,  memiliki  kekerasan as-cast dan solution treated terendah.  Sementara  itu,  paduan  5 (Fe 45 Cr 45 Mn 5 Al 5 ),  paduan  dengan  kadar  Cr tertinggi,  memiliki  kekerasan as-cast dan solution  treated tertinggi  dibandingkan  paduan lain.  Juga  terlihat  bahwa  kekerasan  paduan as- cast dan solution  treated terus  meningkat sehubungan dengan jumlah kandungan Cr dalam
Paduan 1 (Fe 65 Cr 25 X 5 Y 5 ) Paduan 2 (Fe 60 Cr 30 X 5 Y 5 ) Paduan 3 (Fe 55 Cr 35 X 5 Y 5 )
Paduan 4 (Fe 50 Cr 40 X 5 Y 5 ) Paduan 5 (Fe 45 Cr 45 X 5 Y 5 )
Gambar 1 . Penampang Permukaan Patahan
Gambar 2 . Nilai Kekerasan As-Cast and Solution Treated 189 181 201 195 217 210 253 236 272 266 0 50 100 150 200 250 300 K eke ra sa n ( H V 1)

## As Cast                              Solution Treated
Fe65Cr25X5Y5 Fe60Cr30X5Y5 Fe55Cr35X5Y5 Fe50Cr40X5Y5
Fe45Cr45X5Y5
sistem. Tidak terdapat perbedaan yang signifikan dari kekerasan as-cast dan solution treated untuk paduan yang sama.
Gambar  3(a)  –  3(d)  menunjukkan  hasil XRD  pada  paduan  1  dan  5  setelah  perlakuan panas  pada  temperatur  400 o C  dan  500 o C.  Dari hasil XRD, didapatkan bahwa tidak terbentuknya fasa intermetalik sigma, meskipun terpapar panas pada temperatur rawan getas ( 475 o C
embrittlement ).  Hal  ini  membuktikan  bahwa penambahan 5%  dari unsur X dan Y pada paduan berhasil menghasilkan lattice misfit yang mampu menghalangi  pergerakan  atom-atom  Fe  dan  Cr yang berpotensi untuk membentuk fasa sigma.
Namun, dari Gambar 4 terlihat bahwa tetap terjadi  peningkatan  kekerasan  ketika  terpapar oleh  panas  yang  lama  pada  temperatur  300 o C hingga  500 o C  untuk  seluruh  paduan.  Hal  ini
(a)
(b)
(c) (d)
Gambar 3. Hasil XRD pada Paduan 1 Setelah Perlakuan Panas pada Temperatur 400 o C (a) dan 500 o C (b). Hasil XRD pada Paduan 5 Setelah Perlakuan Panas pada Temperatur 400 o C (c) dan 500 o C(d).
Gambar 4. Pengaruh Temperatur
150 200 250 300 350 400 450 500 300 350 400 450
500
K eke ra sa n ( HV 1) Temperatur ( o C )
Fe65Cr25X5Y5 Fe60Cr30X5Y5 Fe55Cr35X5Y5 Fe50Cr40X5Y5 Fe45Cr45X5Y5
Jurnal Teknologi Bahan dan Barang Teknik Vol. 12, No. 1, Juni 2022: 15-20 e-ISSN: 2715-9116 DOI: 10.37209/jtbbt.v12i1
terjadi  karena  adanya  pemisahan  fasa  α  dan fasa  α’  yang  diakibatkan  oleh  adanya spinodal decomposition pada  diagram  fasa  Fe-Cr.  Dari Gambar 4 terlihat bahwa makin tinggi kandungan Cr  pada  paduan,  maka  makin  banyak  fraksi  α’ yang terbentuk.

## KESIMPULAN DAN SARAN

## Kesimpulan
Penambahan unsur X dan Y sebanyak 5% pada paduan multikomponen Fe-Cr-X-Y berhasil menghadang  pembentukan  fasa  sigma  yang bersifat getas. Oleh karena itu, adanya unsur X-Y berpotensi  untuk  menghambat  terjadinya 475 o C embrittlement .
Hal  ini  memungkinkan  aplikasi  paduan multikomponen  Fe-Cr-X-Y  pada  temperatur kerja  hingga  550 o C.  Namun,  masih  terdapat pemisahan  fasa  α  dan  fasa  α’  pada  komposisi paduan yang digunakan pada penelitian ini. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengatasi separasi fasa pada paduan.

## Saran
Untuk mengatasi separasi fasa pada paduan Fe-Cr-X-Y,  perlu  dilakukan  penelitian  lebih lanjut  dengan  menambahkan  elemen  baru  pada paduan  dan/atau  mengubah  komposisi  dari paduan yang ada.
Selain  itu,  perlu  juga  dilakukan  pengujian terhadap  sifat-sifat  lain  dari  paduan  tersebut seperti  ketahanan  korosi,  ketahanan  aus,  dan ketahanan mulur.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] H.  M.  Cobb,  “Steel  Products  Manual: Stainless  Steels,” Iron  &  Steel  Society .  p. 116, 1999.
[2] H.  M.  Cobb  and ASM  International., The history of stainless steel . ASM
International, 2010.
[3] J. Rowe, “Stainless Steel in Figures 2013,” 2013.
[4] P.-J. Cunat, Working with stainless steels . Euro Inox [u.a.], 2008.
[5] A.  Outokumpu  Stainless,  “Handbook  of stainless  steel,” Avesta  Resarch  Centre, Avesta, Sweden , 2013.
[6] J.  Ki,  L.  Lai,  K.  H.  Lo,  and  C.  H.  Shek, “Ferritic  Stainless  Steels,”  in Stainless Steels:  An  Introduction  and  Their  Recent
Developments , 2012, pp. 8–22.
[7] J.  Ki,  L.  Lai,  K.  H.  Lo,  and  C.  H.  Shek, “Martensitic Stainless Steels,” in Stainless Steels:  An  Introduction  and  Their  Recent Developments , 2012, pp. 41–51.
[8] J.  Ki,  L.  Lai,  K.  H.  Lo,  and  C.  H.  Shek, “Duplex  Stainless  Steels,”  in Stainless Steels:  An  Introduction  and  Their  Recent Developments , 2012, pp. 52–63.
[9] J.  Ki,  L.  Lai,  K.  H.  Lo,  and  C.  H.  Shek, “Austenitic  Stainless  Steels,”  in Stainless Steels:  An  Introduction  and  Their  Recent Developments , 2012, pp. 23–40.
[10]  J.  Ki,  L.  Lai,  K.  H.  Lo,  and  C.  H.  Shek,
“Precipitation-Hardening Stainless Steels,” in Stainless Steels: An Introduction and Their Recent
Developments , 2012, pp. 64–71.
[11]  B.  Holmberg,  “Stainless  Steels.  Their properties and their suitability for welding,” 2008.
[12]  T.  Michler,  “Austenitic  Stainless  Steels,” Ref.  Modul.  Mater.  Sci.  Mater.  Eng. ,  no.
June 2015, pp. 1–6, 2016, doi: 10.1016/b978-0-12-803581-8.02509-1.
[13]  M.  Cortie  and  M.  du  Toit,  “Stainless Steels,  Ferritic,” Ref.  Modul.  Mater.  Sci. Mater. Eng. , no. June 2015, pp. 1–4, 2016, doi:  10.1016/b978-0-12-803581-8.02501- 7.
[14]  P.  Lambert, Sustainability  of  metals  and alloys  in  construction ,  Second  Edi. Elsevier Ltd., 2016.
[15]  X.  Yang  and  Y.  Zhang,  “Prediction  of high-entropy  stabilized  solid-solution  in multi-component  alloys,” Mater.  Chem. Phys. ,  vol.  132,  no.  2–3,  pp.  233–238, 2012.
[16]  O. N. Senkov, J. M. Scott, S. V Senkova, D.  B.  Miracle,  and  C.  F.  Woodward, “Microstructure  and  room  temperature properties  of  a  high-entropy  TaNbHfZrTi alloy,” J. Alloys Compd. , vol. 509, no. 20, pp. 6043–6048, 2011.
[17]  D. Raabe, C. C. Tasan, H. Springer, and M. Bausch,  “From  high-entropy  alloys  to high-entropy  steels,” steel  Res.  Int. ,  vol. 86, no. 10, pp. 1127–1138, 2015.
[18]  C. C. Tasan, Y. Deng, K. G. Pradeep, M. J. Yao,  H.  Springer,  and  D.  Raabe, “Composition  dependence  of  phase stability,  deformation  mechanisms,  and mechanical properties of the CoCrFeMnNi
high-entropy  alloy  system,” Jom ,  vol.  66, no. 10, pp. 1993–2001, 2014.
[19]  M. J. Yao, K. G. Pradeep, C. C. Tasan, and D.  Raabe,  “A  novel,  single  phase,  non- equiatomic  FeMnNiCoCr  high-entropy alloy  with  exceptional  phase  stability  and tensile ductility,” Scr. Mater. , vol. 72, pp.
5–8, 2014.
[20]  Y. Zhang, Y. J. Zhou, J. P. Lin, G. L. Chen, and  P.  K.  Liaw,  “Solid-solution  phase formation  rules  for  multi-component alloys,” Adv.  Eng.  Mater. ,  vol.  10,  no.  6, pp. 534–538, 2008.