Panduan Definitif Tentang Stainless Steel: Komposisi, Jenis, dan Perawatan

Grade, komposisi, struktur molekuler, produksi, dan properti stainless steel

Dalam panduan ini:

• Bagaimana stainless steel dibuat?
• Dari apa stainless steel terbuat?
• Jenis stainless steel
• Grade stainless steel
• Apakah stainless steel magnetik?
• Properti mekanis stainless steel
• Tampilan teknis – mikrostruktur molekuler stainless steel
• Perawatan dan pemeliharaan

Stainless steel adalah nama umum untuk sekelompok besar legas ferrous yang tahan karat. Tidak seperti legas besi lainnya, stainless steel memiliki lapisan passivasi yang stabil yang melindunginya dari udara dan kelembaban. Ketahanan karat ini menjadikannya pilihan yang baik untuk banyak aplikasi, termasuk outdoor, aqueous, food service, dan penggunaan suhu tinggi.

Bagaimana stainless steel dibuat?

Stainless steel dapat dicasting atau wrought. Perbedaan utama ada dalam cara ia dibentuk menjadi produk akhir. Stainless steel casting dibuat dengan mencurahkan logam cair ke dalam wadah cetakan dengan bentuk tertentu. Stainless steel wrought dimulai di pabrik baja, di mana continuous caster membuat stainless menjadi ingot, bloom, billet, atau slab. Bahan baku manufaktur ini kemudian harus dibentuk dengan pemrosesan lebih lanjut. Mereka dipanaskan ulang dan dikerjakan ulang menggunakan teknik rolling atau hammering.

Produk stainless steel wrought lebih umum daripada produk stainless steel casting.

Objek stainless steel casting biasanya dibuat dan diselesaikan baik di pabrik tuang atau dengan supervisi pabrik tuang. Jika mereka adalah komponen kecil dari produk yang lebih besar, cetakan mungkin pergi ke pabrik lain untuk assembly. Stainless steel wrought dimulai di pabrik baja tetapi diubah menjadi produk akhir di pabrik lain.

Dari apa stainless steel terbuat?

Seperti semua baja, stainless steel dimulai dengan campuran besi dan karbon. Apa yang membedakan keluarga legas ini adalah stainless juga memiliki paling sedikit 10.5% chromium. Elemen ini memberikan stainless steel resistensi karakteristik terhadap oksidasi. Saat stainless steel terekspos pada atmosfer, chromium bereaksi dengan oksigen untuk membentuk lapisan passivasi tipis dan stabil dari oksida chromium (III) (Cr₂O₃). Lapisan passivasi melindungi baja di dalam dari oksidasi, dan dengan cepat terbentuk ulang jika permukaan diiris.

Lapisan passivasi ini berbeda dari plating. Beberapa logam dilapisi dengan seng, chromium, atau nickel, untuk perlindungan permukaan. Dalam kasus itu, manfaat lapisan hilang sekali goresan menembus plating. Chromium di dalam stainless steel memberikan lebih dari perlindungan permukaan ini. Ia menciptakan film pasifnya setiap kali terekspos pada udara. Oleh karena itu, bahkan jika stainless teriris dalam, lapisan passivasi akan menyembuhkan diri sendiri.

BESI + KARBON = BAJA

+ CHROMIUM = STAINLESS STEEL
(PALING SEDIKIT 10.5% CHROMIUM)

Legas Ferritic

Chromium
(10.5–18%)
Carbon
(0.08–0.15%)

Legas Ferritic

Chromium (10.5–18%)
Carbon (0.08–0.15%)

Legas Martensitic

Carbon
(0.10–1.2%)
+ Chromium
(12-18%)

Produksi mungkin melibatkan quenching atau air-hardening.

Legas Martensitic

Carbon (0.10–1.2%)
+ Chromium (12-18%)

Produksi mungkin melibatkan quenching atau air-hardening.

Legas Austenitic

+ Chromium
(16%)
+ Nickel
(8+%)

Mungkin mengandung molibdenum, titanium, atau tembaga.

Legas Austenitic

+ Chromium (16%)
+ Nickel (8+%)

Mungkin mengandung molibdenum, titanium, atau tembaga.

Legas Duplex

+ Chromium (19+%)
+ Molibdenum
+ sedikit nickel

Secara umum mengandung molibdenum, tembaga, atau elemen paduan lainnya.

Legas Duplex

+ Chromium (19+%)
+ Molibdenum
+ sedikit nickel

Secara umum mengandung molibdenum, tembaga, atau elemen paduan lainnya.

Legas Precipitation Hardening

+ Chromium
+ Nickel
+ Tembaga &/atau elemen lainnya

Produksi harus melibatkan teknik perlakuan panas.

Legas Precipitation Hardening

+ Chromium
+ Nickel
+ Tembaga &/atau elemen lainnya

Produksi harus melibatkan teknik perlakuan panas.

Jenis stainless steel

Ada beberapa “keluarga” stainless steel. Setiap keluarga ini memiliki proporsi besi, chromium, dan karbon yang berbeda. Beberapa memiliki elemen lain, seperti nickel, molibdenum, manganese, atau tembaga. Properti baja ini bervariasi menurut kandungan, menjadikan ini sekelompok legas yang serbaguna.

Grade stainless steel

Grade memberikan petunjuk tentang keluarga stainless steel tertentu. Grade yang paling umum adalah:

• Ferritic stainless: 430, 444, 409
• Austenitic stainless: 304, 302, 303, 310, 316, 317, 321, 347
• Martensitic stainless: 420, 431, 440, 416
• Duplex stainless: 2304, 2205

Kadang-kadang, insinyur memilih antara legas dalam keluarga yang sama, seperti dalam dua grade komersial populer dari stainless steel austenitic, 304 vs. 316. Namun, ini tidak selalu terjadi. Sistem exhaust otomotif sering memilih antara 304 dan 409. Grill barbeque mungkin ditemukan terbuat dari 304 atau 430.

Apakah stainless steel magnetik?

Menggunakan magneten untuk menentukan apakah logam di depan Anda adalah stainless tidak akan memberi Anda jawaban yang definitif. Beberapa grade dan jenis stainless steel magnetik dan beberapa bukan—semua tergantung pada elemen yang berbeda dalam legas.

Grade stainless steel austenitic (seri 3xx) tidak magnetik. Lemari es stainless Anda yang bebas dari magnet dan hiasan lemari es? Austenitic stainless karena mikrostruktur kristal. (Baca lebih lanjut di bawah di bagian teknis kami.)

Martensitic dan grade ferritic stainless yang lebih umum, seperti 430, magnetik. Baja duplex, yang adalah campuran dari baja austenitic dan ferritic, biasanya sedikit magnetik. Magneten pada baja ferritic menempel kuat. Pada baja duplex, mungkin lebih mudah untuk mengganggu dan tergelincir.

Properti mekanis stainless steel

Stainless steel biasanya dipilih karena tahan terhadap korosi—tetapi juga dipilih karena adalah baja. Properti seperti kekuatan, yield, toughness, hardness, respons terhadap work hardening, weldability, dan heat-tolerance membuat baja menjadi logam yang sangat berguna dalam teknik, konstruksi, dan manufaktur, mengingat biayanya. Seorang insinyur mempertimbangkan beban kerja dan kondisi atmosfer stainless steel sebelum memutuskan grade.

Properti tarik

Properti tarik logam diukur dengan menarik. Sebuah batang tarik representatif diadakannya gaya tarik, juga dikenal sebagai beban tarik. Setelah kegagalan, tarik kekuatan, yield kekuatan, elongation, dan reduksi area diukur.

Kekakuan

Hardness adalah kemampuan baja untuk menahan indensi dan abrasi. Dua tes kekerasan yang paling umum adalah Brinell dan Rockwell. Dalam tes Brinell, bola baja keras kecil dipaksa ke dalam baja oleh beban standar, dan diameter jejak yang dihasilkan diukur. Tes Rockwell mengukur kedalaman indensi. Hardness dapat ditingkatkan dalam beberapa logam dengan cold-working, juga dikenal sebagai work-hardening. Dalam beberapa logam, hardness dapat ditingkatkan melalui perlakuan panas.

Ketawalan

Toughness adalah kapasitas baja untuk meleleh plastis di bawah stres yang sangat terlokalisasi. Baja yang tahan rapuh, membuat toughness sebagai kualitas yang sangat diinginkan digunakan dalam aplikasi teknik. Tingkat toughness ditentukan menggunakan tes dinamis. Sebuah batang sampel diiris untuk melokalisasi stres, kemudian dipukul oleh bandul goyang. Energi yang terserap dalam memecahkan batang sampel diukur oleh seberapa banyak energi yang hilang dari bandul. Logam tahan menyerap lebih banyak energi, sementara logam rapuh menyerap lebih sedikit.

Ferritic

Baja stainless ferritic mengandung besi, karbon, dan 10.5–18% chromium. Mereka mungkin mengandung elemen paduan lainnya seperti molibdenum atau aluminium, tetapi biasanya dalam jumlah yang sangat kecil. Mereka memiliki struktur kristal body-centered-cubic (BCC)—sama dengan besi murni pada suhu ruangan.

Karena struktur kristal mereka, baja stainless ferritic magnetik. Kandungan karbon yang relatif rendah menghasilkan kekuatan yang rendah pula. Kelemahan lain dari tipe ferritic meliputi weldability yang buruk dan ketahanan korosi yang berkurang. Mereka, namun, diinginkan untuk aplikasi teknik karena toughness yang superior. Baja stainless ferritic sering digunakan untuk pipa exhaust kendaraan, saluran bahan bakar, dan hiasan arsitektur.

Austenitic

Baja stainless austenitic memiliki struktur kristal face-centered cubic (FCC) dan terdiri dari besi, karbon, chromium, dan paling sedikit 8% nickel. Karena kandungan chromium dan nickel yang tinggi, mereka sangat tahan korosi dan non-magnetik. Seperti baja stainless ferritic, baja stainless austenitic tidak dapat dikeras dengan perlakuan panas. Namun, mereka dapat dikeras dengan cold working. Kandungan nickel yang tinggi dalam baja stainless austenitic membuat mereka mampu berfungsi baik dalam aplikasi suhu rendah.

Dua stainless steel yang paling umum—304 dan 316—keduanya adalah grade austenitic. Penggerak utama di balik popularitas baja stainless austenitic adalah kemudahan dengan mana mereka dapat dibentuk dan dielas, menjadikannya ideal untuk manufaktur yang efisien tinggi. Ada banyak sub-grup dari baja stainless austenitic dengan variasi luas dalam kandungan karbon. Properti lebih ditentukan lagi oleh penambahan elemen paduan seperti molibdenum, titanium, dan tembaga. Baja stainless austenitic sering digunakan untuk menghasilkan keranjang cuci, bingkai jendela, peralatan pengolahan pangan, dan tangki kimia. Mereka juga biasanya digunakan untuk furnitur situs outdoor seperti bangku, borcah stainless steel, dan rak sepeda.

Martensitic

Baja stainless martensitic memiliki struktur body-centered tetragonal (BCT). Mereka mengandung 12–18% chromium, dan memiliki kandungan karbon yang lebih tinggi (0.1–1.2%) daripada baja stainless austenitic atau ferritic. Seperti struktur BCC ferritic, BCT magnetik. Baja stainless martensitic sangat berguna dalam situasi di mana kekuatan baja lebih penting daripada weldability atau ketahanan korosinya. Perbedaan utama adalah bahwa baja stainless martensitic dapat dikeras dengan perlakuan panas karena kandungan karbon yang tinggi. Ini membuatnya berguna untuk sejumlah aplikasi termasuk bagian penerbangan, talenan, dan pisau.

Duplex

Baja stainless duplex adalah jenis stainless steel terbaru. Mereka mengandung lebih banyak chromium (19–32%) dan molibdenum (hingga 5%) daripada baja stainless austenitic, tetapi secara signifikan lebih sedikit nickel. Baja stainless kadang-kadang disebut sebagai austenitic-ferritic karena mereka memiliki struktur kristal hibrida ferritic dan austenitic. Campuran setengah-setengah dari fasa austenitic dan ferritic dalam baja stainless duplex memberikan keuntungan unik. Mereka lebih tahan terhadap retak stres-korosi daripada grade austenitic, lebih tahan dari grade ferritic, dan sekitar dua kali lebih kuat dari bentuk murni salah satunya. Keuntungan utama dari baja stainless duplex adalah ketahanan korosi yang sama dengan, atau melebihi, grade austenitic dalam kasus paparan klorida.

Baja stainless duplex juga sangat hemat biaya. Kekuatan dan ketahanan korosi dari baja stainless duplex dicapai dengan kandungan legas yang lebih rendah daripada grade austenitic setara. Baja stainless duplex secara teratur digunakan untuk menghasilkan bagian untuk aplikasi yang terekspos klorida di industri desalinasi dan petrokimia. Mereka juga digunakan di industri bangunan dan konstruksi untuk jantung, tangki tekanan, dan tie bars.

Precipitation hardening

Baja stainless precipitation hardening dapat memiliki rentang struktur kristal, namun, mereka semua mengandung baik chromium dan nickel. Karakteristik umum mereka adalah ketahanan korosi, kemudahan pembuatan, dan kekuatan tarik yang sangat tinggi dengan perlakuan panas suhu rendah.

Legas precipitation hardening austenitic sebagian besar telah digantikan oleh superlegas dengan kekuatan lebih tinggi. Namun, baja stainless precipitation hardening semi-austenitic terus digunakan dalam aplikasi penerbangan, dan bahkan diterapkan pada bentuk baru. Baja stainless precipitation hardening martensitic lebih kuat dari grade martensitic reguler dan sering digunakan untuk menghasilkan bar, batang, dan kawat.

Tampilan teknis: mikrostruktur molekuler stainless steel

Saat logam membeku dari keadaan cair, mereka kristal dan membentuk butir. Struktur kristal ini menentukan banyak properti mekanis logam. Banyak faktor mempengaruhi mikrostruktur ini.

Jenis atom dalam legas mengubah struktur karena molekul yang dibentuk oleh jenis atom tersebut. Persentase setiap material juga menentukan susunan apa yang dibentuk atom.

Suhu memiliki efek yang mendalam pada bentuk jaring kristal logam. Struktur berbeda mulai terbentuk pada suhu tertentu. Legas memiliki tabel fasa yang menunjukkan jenis butir apa yang umum pada suhu yang berbeda dan dengan persentase elemen penting yang berbeda.

Diagram fasa besi-karbon kami mengilustrasikan cara suhu dan karbon mempengaruhi pembentukan butir dalam baja. Ini menunjukkan tiga fasa pembentukan besi:

• Ferrite, atau besi alpha, (α) adalah butir standar yang terbentuk pada suhu di bawah 912°C.
• Austenite, atau besi gamma, (γ), memiliki kristal butir yang lebih padat dan muncul antara 912–1394°C.
• Besie delta (δ) terbentuk pada panas di atas 1395°C, sebelum besi berubah menjadi cair pada 1538°C. Fasa besi delta lebih mirip dengan besi α, atau ferrite.

Penambahan karbon mempengaruhi cara butir dasar baja kristal, stabil, dan berinteraksi satu sama lain. Suhu mempengaruhi cara karbon diserap. Fasa austenite panas tinggi ter saturasi dengan karbon, dengan molekul logam yang padat. Pada suhu lain, tidak semua karbon terserap. Ia menciptakan struktur molekuler lainnya. Misalnya, umum bagi legas besi-karbon untuk mengandung molekul cementite Fe₃C. Dalam bentuk murni, cementite diklasifikasikan sebagai keramik: ia keras dan rapuh, dan memberikan atribut ini pada logam akhir. Grafit juga dapat terbentuk pada tingkat molekuler. Bentuk grafit ini dapat mempengaruhi cara logam berperilaku saat dipukul. Nodul grafit bundar dapat meluncur satu sama lain saat dipukul, merubah bentuk tetapi tidak pecah. Bandingkan, logam dengan banyak grafit irisan dapat bergeser along batas irisan saat dipukul. Seberapa cepat logam didinginkan, dan apakah dioleh panas atau dikerjakan, juga mempengaruhi ukuran dan bentuk butir.

Baja austenitic adalah yang memiliki jaring austenite dengan besi γ. Pada diagram fasa besi-karbon jaring ini biasanya ditemukan pada suhu tinggi. Namun, penambahan nickel dan/atau manganese memungkinkan austenite untuk tetap ada sementara baja pendingin. Mikrostruktur austenite dikenal sebagai “face-centered cubic.” Molekul face-centered cubic memberikan properti tertentu pada logam.

Body-Centered vs. Face-Centered cubic microstructures

Logam adalah kristal yang terdiri dari jaring molekuler. Setiap sel jaring terdiri dari atom. Jumlah atom dalam setiap sel jaring, dan bagaimana mereka terhubung satu sama lain, mengubah cara jaring ini berperilaku di bawah regangan. Jaring dasar adalah primitive, body-centered, dan face-centered.

BASIC CELL SHAPES

Primitive
Cubic

• Setiap atom dalam kubus primitif ini duduk di sudut sel. Setiap atom adalah titik sambungan dalam jaring.
• Setiap atom sudut dibagi secara sama dengan sel di sekitarnya. Oleh karena itu, setiap atom adalah bagian dari delapan kubus berseberangan.
• Sel unit berisi 1 atom total. Karena setiap atom sudut dibagi dengan delapan kubus berseberangan, hanya 1/8 dari setiap atom di dalam sel primitif. 
  8 x 1/8 bagian dari setiap atom sudut = 1 atom total.

Body-
Centered
Cubic (BCC)

• Seperti bentuk kubus primitif, ada atom di setiap sudut sel.
• Selain itu, sebuah atom duduk di tengah sel. Atom ini tidak dibagi dengan sel lain: ada 8 sel yang terhubung ke jaring dan satu hanya untuk atom.
• Sel unit berisi 2 atom total: 
  8 atom x 1/8 share per atom, seperti dalam struktur kubus primitif, ditambah atom di tengah.
• Besie alpha (ferrite) dan besie delta keduanya adalah logam BCC.

Face-Centered
Cubic (FCC)

• Struktur kubus face-centered memiliki atom di setiap sudut sel dan tambahan atom di tengah setiap sisi kubus.
• Atom “sisi” centered dibagi hanya dengan dua sel, dan jadi masing-masing menyumbang 1/2 atom.
• Sel unit berisi 4 atom total:
  8 atom x 1/8 share untuk atom sudut, dan 6 atom x 1/2 share untuk atom centered sisi.
• Besie gamma (austenite) adalah logam FCC.

Baja, tanpa nickel atau manganese, mencapai struktur face-centered cubic (FCC) yang stabil antara 1,674—2,541°F. Pada suhu ini, karbon dalam baja menyusuri setiap sel.

Namun, baja ini, didinginkan secara reguler (tidak diquench), akan menjadi ferritic dan body-centered cubic (BCC). Ia tidak akan mempertahankan struktur FCC.

Jaring BCC lebih rentan terhadap beberapa jenis regangan mekanis daripada struktur FCC yang lebih padat. Mereka tidak memiliki jumlah atom yang sama dalam setiap sel yang memegang jaring bersama. Mempertahankan struktur FCC bahkan pada suhu ruangan membantu mempertahankan kekuatan ekstra. Ini biasanya dilakukan dengan elemen tambahan yang ditambahkan ke legas.

Microstructures of ferritic, austenitic, martensitic, and duplex steels

Baja ferritic adalah baja BCC yang umum. Ia menjadi rapuh pada suhu kriogenik, kehilangan kekuatan dengan cepat pada suhu tinggi, dan magnetik. Properti ini karena bentuk body-centered cubic (BCC).

Di dalam setiap sel BCC yang “longgar”, tidak semua elektron dapat menemukan dan berpasangan dengan elektron dengan spin berlawanan. Elektron yang tidak terpasang ini yang menciptakan magnetisme baja ferritic. Dengan hanya dua atom yang menambahkan kekuatan ke setiap sel, baja ferritic juga lebih mudah pecah, terutama dalam lingkungan panas atau dingin.

Baja austenitic adalah FCC pada suhu ruangan karena penambahan nickel dalam legas. Baja austenitic lebih duktil daripada FCC, bahkan pada suhu kriogenik. Ia memiliki daya tahan panas. Ia juga tidak magnetik. Properti ini karena bentuk face-centered (FCC)nya.

Semua jaring memiliki “slip systems,” atau garis geser, di mana jaring dapat meluncur saat dipukul tanpa sel yang dicabut. Kubus jaring memiliki banyak simetri dan jadi lebih banyak slip plane. Mungkin sebaliknya, kristal FCC yang lebih padat memiliki lebih banyak garis geser daripada kristal BCC yang longgar. Kristal yang padat meluncur lebih mudah satu sama lain. Setiap sel memiliki lebih banyak bobot atom dan kekuatan dan menyatukan lebih mudah.

Deformasi plastis di tingkat mikro mendukung duktibilitas material di tingkat makro. Itulah mengapa ada rentang daya tahan yang lebih luas dalam struktur face-centered cubic. Struktur ferritic lebih mungkin hancur saat dampak, atau retak saat ditarik, terutama dalam lingkungan yang menantang.

Baja stainless austenitic adalah jenis stainless tunggal yang tidak menjadi rapuh dan mudah pecah dalam aplikasi kriogenik. Baja austenitic mempertahankan sebagian besar ketawalan dan elongation bahkan di bawah -292°F. Embrittlement suhu rendah adalah karakteristik baja ferritic dan duplex. Setelah suhu transisi mereka lebih mungkin hancur di bawah stres.

Baja martensitic adalah jenis baja lain dengan jenis butir yang sangat berbeda di permukaan. Baja ini tidak memiliki mikrostruktur kubus sederhana. Martensite terbentuk dengan quenching: pendinginan cepat permukaan. Kejutan lingkungan menyebabkan jaring naik saat membeku. Mikrostruktur martensitic berada di bawah regangan, dalam bentuk body-centered tetragonal, dan tidak rata rata. Ini memungkinkan permukaan martensitic untuk lebih keras, tetapi mereka juga lebih rapuh, bahkan pada suhu ruangan.

Baja duplex adalah tambahan yang relatif baru ke dalam varietas baja stainless. Baja ini memiliki campuran mikrostruktur. Lapisan berseliweran dari ferrite dan austenite memberikan properti material akhir dari keduanya. Persentase nickel dan/atau manganese yang lebih rendah yang dibutuhkan untuk stainless duplex menurunkan biaya dibandingkan stainless austenitic.

Perawatan dan pemeliharaan stainless steel

Meskipun stainless steel tahan karat, ia tidak kebal. Ketahanan korosinya berdasarkan pada lapisan passivasinya, yang dapat terganggu secara kimiawi. Garam, asam, goresan yang menahan kelembaban, dan deposit besi dapat menyebabkan stainless steel menjadi rentan terhadap karat.

Perlu hati-hati saat memasang stainless: alat baja dapat mengubah kimia permukaan baja dengan meninggalkan deposit besi yang membuat permukaan rentan. Setiap tempat yang telah bersentuhan dengan baja harus dibersihkan. Goresan dalam yang dapat menahan kelembaban harus dihindari.

Pemeliharaan permukaan stainless tidak sulit tetapi harus dilakukan secara teratur jika baja terekspos pada benturan, goresan, garam, besi, atau kimia lainnya. Furnitur situs outdoor harus diperhatikan dua kali setahun.

Cara membersihkan stainless steel tergantung pada jenis masalah yang dihadapi. Strategi berbeda diperlukan untuk berbagai jenis noda. Postingan pembersihan mendalam kami menjelaskan langkah-langkah untuk warna yang berubah, karat, lemak, sidik jari, semen, atau batu kapur. Baik untuk menangani korosi dengan cepat. Saat ditangani awal, WD-40 atau pelumas lain mungkin sudah cukup untuk menghapus karat.

Dengan perawatan dan pemeliharaan yang tepat, properti stainless steel yang membuatnya begitu menarik—ketawalan baja yang berpadukan dengan ketahanan korosi dan kilatan chromium—dapat terus menjadi aset bebas stres selama bertahun-tahun.

Untuk informasi lebih lanjut tentang stainless steel, atau untuk meminta penawaran untuk proyek kustom, silakan hubungi kami.