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.

Min-Gu Jo, 2015

Superheater header Reheater header

Tube elements

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.

Partikel M23C6 dalam baja 9-12 Cr

Contoh industri yang memproduksi baja untuk pemakaian di boiler pembangkit listrik.

Application of steels as high temperature corrosion resistant alloys in automotive exhaust system

• 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.

Composition and property linkages in the stainless steel

family of alloys

ASM Handbook

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.

Schaeffler Diagram

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