mg-4017 degradasi logam pada temperatur tinggi
TRANSCRIPT
MG-4017 Degradasi Logam Pada Temperatur Tinggi
Program Studi Teknik Metallurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
MODUL 3Paduan Logam Temperatur Tinggi (1)
Segmen 1 sd 3: Persyaratan untuk logam temperatur tinggi dan paduanberbasis besi
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Fadhli Muhammad, ST. MT.
Paduan logam yang dikembangkan untuk pemakaian pada temperatur tinggi harusmampu mengatasi masalah-masalah atau persoalan temperatur tinggi, diantaranyayang penting yaitu:
1. Kekuatan fasa matriks suatu paduan logam biasanya menurun terhadap peningkatantemperatur, kecuali beberapa senyawa intermetalik.
2. Mobilitas atom dan dislokasi menjadi semakin tinggi sehingga menyebabkan difusiatom-atom dan panjatan dislokasi yang berdampak pada penurunan kekuatan paduanlogam dan terjadinya transformasi fasa serta pembentukan fasa-fasa yang memilikistruktur dan morfologi merugikan dalam hal sifat mekanis, terutama ketahananperayapan.
3. Meningkatnya konsentrasi kesetimbangan dari vakansi di dalam kristal paduan logamsehingga mempercepat difusi atom dan perubahan struktur mikro.
Persoalan pemakaian logam pada temperatur tinggi
4) Munculnya mekanisme deformasi yang berbeda dengan yang terjadi pada temperatur rendahyaitu bila pada temperatur rendah berlangsung slip sederhana pada bidang tumpuk padat, sedangkan pada temperatur tinggi terjadi deformasi dengasn mekanisme tambahan sepertimisalnya cross-slip dan gelinciran batas butiran (grain boundary sliding) sehingga menambahkemungkinan paduan logam lebih mudah terdeformasi yang pada akhirnya menyebabkanpenurunan kekuatan paduan logam.
5) Terjadinya rekristalisasi terhadap paduan logam yang telah mengalami deformasi dalam proses pembentukannya dan berlangsungnya pertumbuhan butiran (grain growth).
6) Partikel endapan penguat mengalami pengkasaran (coarsening) dimana partikel endapan yang kecil larut sedangkan yang besar meningkat ukurannya sehingga jarak antar partikel menjadisemakin jauh dan berakibat menurunnya kekuatan paduan logam.
7) Berlangsungnya korosi temperatur tinggi termasuk oksidasi, sulfidasi, karburisasi & metal dustingdan hot corrosion sebagai moda kerusakan logam temperatur tinggi yang tidak terjadi padatemperatur rendah.
Persoalan pemakaian logam pada temperatur tinggi
Beberapa persyaratan sifat dan fungsi untuk boiler PLTU:
• Kekuatan luluh (yield strength). Pipa yang digunakan untuk superheater harus tidak mengalamidefomasi atau yielding yang disebabkan terutama oleh tekanan internal dari uap pada temperaturtinggi.
• Konduktifitas termal. Panas yang dihasilkan dari pembakaran di luar pipa harus dapat mengalir denganhambatan sekecil mungkin ke fasa fluida .
• Ketahanan korosi. Material yang digunakan untuk boiler harus memiliki ketahanan korosi oleh seranganlingkungan pada temperatur tinggi, baik pada permukaan luar (sisi api) maupun pada permukaan dalam(sisi uap).
• Kemudahan fabrikasi. Material yang akan digunakan sebagai komponen dalam boiler PLTU harus relatifmudah untuk dibentuk atau difabrikasi, sehingga materialnya harus memiliki kemudahan untuk di-rol, diekstrusi, dibubut, dilas atau disambung dll.
• Ketersediaan. Ketersediaan yang banyak serta pengadaan yang mudah bagi suatu material atau paduanlogam untuk digunakan dalam boiler biasanya akan mudah untuk dipilih atau digunakan.
• Biaya. Pemilihan material biasanya diarahkan pada paduan logam yang harganya murah.
Material properties required for high temperature applications (summary)
1. High melting points.2. High mechanical properties:
a. High creep resistantb. High toughnessc. High thermal fatigue.
3. Good resistance to high temperature corrosion:a. High temperature oxidation.b. Hot corrosion.c. Abrasion / wear resistance.
4. High microstructural stability:a. Low coarsening rate constants.b. Absent in brittle phase formation.
5. Easy for fabrication: casting, forging, powder metallurgy/3-D printing (additive manufacturing), welding.
6. Relatively economical (not expensive)
Komposisi kimia (%berat) beberapa baja untuk boiler PLTU (Masuyama 2002)
Paduan C Si Mn Ni Mo Cr V
1Cr½Mo 0.15 0.25 0.5 - 0.6 0.95 -
¼CrMoV 0.15 0.25 0.5 0.05 0.50 0.30 0.25
½Cr½Mo¼V 0.12 0.25 0.50 - 0.6 0.45 0.25
1CrMoV 0.25 0.25 0.75 0.70 1.00 1.10 0.35
2¼Cr1Mo 0.15 0.25 0.50 0.10 1.00 1.30 -
Mod.
2¼Cr1Mo
0.1 0.05 0.5 0.16 1.00 2.30
Ti=0.03
0.25
B=0.0024
2¼Cr1.6WV 0.05 0.2 0.5 - 0.10 2.20
W=1.60
0.20
Nb=0.05
3.0Cr1.5Mo 0.1 0.2 1.0 0.1 1.5 3.0 0.1
3.5NiCrMoV 0.24 0.01 0.20 3.50 0.45 1.70 0.10
9Cr1Mo 0.10 0.60 0.40 - 1.00 9.00 -
Mod.9Cr1Mo 0.10 0.35 0.40 0.05 0.95
Nb=0.08
8.75
N=0.05
0.22
Al<0.04
9Cr½MoWV 0.11 0.04 0.45 0.05 0.50
W=1.84
9.00
Nb=0.07
0.20
N=0.05
12CrMoV 0.20 0.25 0.50 0.50 1.00 11.25 0.30
12CrMoVW 0.20 0.25 0.50 0.50 1.00 11.25 0.30
W=0.35
12CrMoVNb 0.15 0.20 0.80 0.75 0.55 11.50
Nb=0.30
0.28
N=0.06
Unsur P9 P91 P92 E911
C Maks 0,15 0,10 0,124 0,105
Si 0,20-0,65 0,38 0,02 0,20
Mn 0,80-1,30 0,46 0,47 0,35
P Maks 0,030 0,020 0,011 0,007
S Maks 0,030 0,002 0,006 0,003
Cr 8,5-10,5 8,10 9,07 9,16
Mo 1,70-2,30 0,92 0,46 1,01
W - - 1,78 1,00
V 0,20-0,40 0,18 0,19 0,23
Nb 0,30-0,45 0,073 0,063 0,068
B - - 0,003 -
N - 0,049 0,043 0,072
Ni Maks 0,30 0,33 0,06 0,07
Al - 0,034 0,002 -
Dari dan dimensi
(mm)
Pipa, Ø159, tebal 20 Pipa, Ø300, tebal
40
Plat 100x16
Perlakuan panas 1 jam/1050oC + 1
jam/750oC,
pendinginan udara
2 jam/1070oC + 2
jam/775oC,
pendinginan udara
1 jam/1050oC + 1
jam/750oC,
pendinginan udara
Kekuatan putus pada
600oC, selama
100.000 jam (MPa)
35
94
115
110
Komposisikimia (dalam
%berat) beberapa baja
untuk PLTU (Ennis 2002).
Carbide formers
500 525 550 575 600 625
AISI 347
AISI 321
AISI 316
P92
E911
P91
12Cr1MoV
9Cr1Mo
2.25Cr1Mo
1Cr0,5Mo
Temperatur operasi maksimum (oC) untuk kekuatan
patah pada 100MPa selama 100.000jam
Temperatur untukkekuatan putus pada
tegangan 100 MPa selama 100.000 jam untuk beberapa bajayang digunakan saat
ini dan beberapa yang sedang dikembangkan
PLTU (Ennis, 2002).
Kek
uat
an p
atah
per
ayap
an 1
05 j
am
(MP
a)
150
100
50
0 50
0
55
0
60
0 65
0 70
0
75
0
Inconel 617
X8CrNiMoNbV16-13
X3CrNiMoNb17-13
X6CrNi18-11
X20CrMoNiV11-1 11CrMo9-10
P91
P911
P92
Baja
Ferit BajaAustenit
Superalloy Nikel
Temperatur (oC)
Material untuk pipa uaputama di PLTU (Abe 1999).
Feritik
L
300
500
700
900
1100
1300
1500
1700
1900
Fe Cr
σ
γ-Fe δ
α
α+δ
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Prosen berat Cr
T (oC)
830
13.4 11.2 912
1394
1538 1513
19.8
846
6.5
Tc
1863
Diagram fasa Fe-Cr
a) C<0,01% b) C=0,05%
% Cr % Cr Fe Fe 5 10 15 20 5 10 15 20 25 30
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
γ δ
+
γ
α+γ
α
+
δ α
δ
γ δ + γ δ
L+δ
δ+C
α+γ
α+γ+C α+C
δ+γ+C
δ+α+C
Tem
per
atur
(oC
)
Pengaruh unsur C terhadap gammaloop pada diagram fasa Fe-Cr
γ
1600
1400
1200
1000
800
600 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
L + δ δ
L
δ + γ γ
L + γ
γ + C2
γ + C1
γ+C1+C2
α+C1+C2 α+C1
α
α+γ+C1
L+δ+γ
T(oC)
Kandungan karbon
(%)
1600
1400
1200
1000
800
600 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
L + δ
δ
L
δ + γ
γ
L + γ
γ + C2
γ + C1
γ+C1+C2
α+C1
δ + γ + C1
L+δ+γ
T(oC)
Kandungan karbon
(%)
L+γ+C2
Diagram pseudobiner Fe-Cr-C. (a) 13% Cr dan (b) 17% Cr
(Davis 1994)
C1=M23C6
C2=M7C3
Ni Cr
Fe
BCC
BCC +
FCC FCC
ASS
FeBSA
NiBSA CrBA
Baja Tahan Karat
Feritik
Paduan
Berbasis Cr
Baja Tahan Karat
Austenitik
Superalloy
Berbasis Fe
Superalloy
Berbasis Ni
(Jonsson dkk. 2005).
Peta komposisi dasar paduan berbasis sistem terner Fe-Ni-Cr
Berdasarkan pengaruhnya terhadap matriks dalam baja, unsur-unsur pemadu di dalam baja secara garis besar dibagi menjadi dua kelompok besar, yaitu
1. Kelompok unsur-unsur yang melebarkan bidang kestabilan austenit (unsur-unsur penstabil fasa austenit, γ-FCC) yaitu unsur-unsur seperti Ni, Mn, Cu, Co, C dan N.
2. Kelompok unsur-unsur yang menyusutkan bidang kestabilan austenit, ataumelebarkan daerah kestabilan fasa ferit (unsur penstabil fasa ferit, α-BCC), yaituunsur-unsur seperti Si, Al, Cr, Mo, W, Nb, Al, Sb, Sn, Ce, B, P, S.
Pengaruh unsur pemadu terhadap kestabian fasa
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8
Karbon, C (%berat)
T (oC)
Baja karbon 0% Mo
2% Mo
4% Mo
7% Mo
Contoh: Mo dan Cr menstabilkan ferit (menyusutkan bidang austenit)
Karbon, C (%berat)
T (oC)
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8
Baja karbon 0%Cr
5%Cr
12%Cr
15%Cr
19%Cr
Gamma loop (γ-loop)
Berdasarkan interaksinya dengan karbon, maka unsur-unsur pemadudalam baja dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu:
1. Unsur-unsur yang sangat kuat membentuk karbida, seperti Mo, W, Nb, V, Mn, Zr, dan Ti. Unsur Cr juga kuat membentuk karbida tetapitidak sekuat unsur-unsur sebelumnya. Unsur-unsur ini larut dalamjumlah sedikit membentuk larutan padat matriks, tetapi bilakonsentrasinya relatif tinggi dan kelarutannya di dalam matriks (feritatau austenit) terlampaui maka akan bereaksi dengan karbonmembentuk berbagai jenis karbida.
2. Unsur-unsur yang tidak membentuk karbida seperti Ni, Cu, Co, Si, Al dan P. Unsur-unsur ini umumnya larut dalam jumlah relatif besardalam matriks.
• Beberapa partikel endapan yang mungkin terbentuk dalambaja untuk PLTU adalah karbida atau karbonitrida sepertiM3C, M2,3C, M(C,N), M2(C,N), M7C3, M23C6, M5C2, M6C dimana M merupakan unsur-unsur logam, seperti Fe, Cr, Mo, V.
• Transformasi / evolusi karbida yang berlangsung pada temperatur 600-650oC :
Evolusi partikel endapan
M3C → M3C + M2C → M3C + M2C + M7C3 → M3C
+ M2C + M7C3 +M23C6 → M7C3 +M23C6
Karbida stabil
Karbida metastabil
Baja Tahan Karat
• Komponen PLTU modern telah menggunakan baja tahan karat, misalnya 304H, 316H, 321H, dan 347H.
• Baja tahan karat adalah sistem Fe-Cr dengan kandungan Cr minimum 12 Cr yaitu yang dapat memberikan lapisan Cr2O3 sebagai lapisan pasif pada permukaan untuk menahan korosi.
Sistem Fe-Cr
• Diagram fasa Fe-Cr menjadi pegangan awal untuk melihatkestabilan fasa baja tahan karat karena Cr menjadi unsurpemadu utama.
Penambahan unsur pamadu dalam jumlah kecil (<1%, atau dopan) dapatmeningkatkan performance ketahanan oksidasi pada temperatur tinggi. Unsur-unsur seperti Si, Ce, Hf, Y, Zr telah terbukti meningkatkan dayalekat (adherence) dari kerak protektifnya.
Source: Outokumpu
Fe-Cr phase diagram
σ (sigma) phase
Paduan dengan Cr tinggiberpotensi untukmembentuk fasa sigma yang morfologinya umumnyamenjarum sehinggamenggetaskan baja.
Isothermal section at 900oC of the Fe-Cr-Ni ternary phase diagram, showing the nominal composition of 18-8 stainless steel
Baja tahan karat 304