Magnesium Mg (magnesium) dalam baja – sifat, pengaruh pada baja dan aplikasi metalurgi

Magnesium (Mg) adalah unsur logam ringan dan sangat reaktif yang memainkan peran yang sama sekali berbeda dalam metalurgi baja dibandingkan dengan aditif paduan tipikal seperti chrom, nikel, molibdenum czy vanadiumKarena afinitasnya yang sangat tinggi terhadap oksigen i sulfur Magnesium terutama digunakan sebagai Suatu unsur yang memodifikasi inklusi non-logam, mendukung deoksidasi dan desulfurisasi, serta meningkatkan kemurnian metalurgi baja..
Magnesium biasanya tidak dimasukkan ke dalam baja dalam jumlah besar sebagai unsur paduan klasik. Pengaruhnya terutama terkait dengan penambahan kecil dan terkontrol yang digunakan selama proses metalurgi sekunder dan pemurnian baja cair.
Perawatan magnesium yang dilakukan dengan benar dapat mengubah jenis, ukuran, bentuk, dan distribusi inklusi non-logamyang dapat memengaruhi kekuatan benturan, ketahanan lelah, sifat melintang, kemampuan pemesinan, dan perilaku baja selama pemrosesan lebih lanjut.

Magnesium (Magnesium) – informasi dasar

Peran magnesium dalam baja

Pada baja struktural klasik, kandungan magnesium biasanya bukanlah salah satu parameter utama yang menentukan mutu baja. Pentingnya kandungan magnesium terutama berkaitan dengan proses metalurgi.
Fungsi terpenting dari Mg meliputi:

• deoksidasi baja cair,
• desulfurisasi,
• modifikasi sulfida,
• modifikasi oksida dan inklusi non-logam kompleks,
• membatasi terjadinya inklusi yang besar dan memanjang,
• meningkatkan kemurnian metalurgi baja,
• pengaruh pada nukleasi dan pengembangan mikrostruktur dalam teknologi tertentu.

Pengaruh penambahan magnesium bergantung pada jumlahnya, metode pengenalannya, kandungan oksigen dan sulfur , deoksidasi baja sebelumnya, dan keberadaan unsur-unsur lain, terutama aluminium , mangan, dan kalsium.

Mengapa magnesium merupakan bahan tambahan metalurgi yang sulit?

Magnesium memiliki titik didih yang jauh lebih rendah daripada baja cair.
Pada suhu baja cair, Mg memiliki tekanan uap yang sangat tinggi dan reaktivitas yang sangat tinggi.
Penambahan magnesium secara langsung dan tanpa kendali ke dalam baja cair akan menyebabkan penguapan yang sangat cepat dan reaksi yang intens.
Oleh karena itu, Mg harus dimasukkan secara terkontrol, misalnya dalam bentuk paduan yang dipersiapkan dengan baik, kawat inti, atau menggunakan teknologi khusus untuk meningkatkan hasil magnesium.
Mengendalikan metode pengenalan Mg merupakan salah satu elemen kunci dari pemrosesan magnesium yang efektif pada baja.

Magnesium sebagai deoksidator baja

Magnesium memiliki afinitas kimia yang sangat tinggi terhadap oksigen.
Ia dapat bereaksi dengan oksigen yang terlarut dalam baja cair:

Muncul magnesium oksida MgO merupakan senyawa yang sangat stabil secara termodinamika.
Kemampuan magnesium untuk mengikat oksigen berarti bahwa magnesium dapat berpartisipasi dalam proses deoksidasi dan modifikasi oksida yang sudah ada.
Namun dalam praktiknya, Mg tidak secara otomatis menggantikan teknologi deoksidasi konvensional yang menggunakan, antara lain, aluminium, silikon i mangganLebih sering, ini merupakan elemen dari proses metalurgi yang lebih canggih yang dilakukan setelah deoksidasi awal baja.

Desulfurisasi magnesium dan baja

Sifat Mg yang kedua dan sangat penting adalah afinitasnya yang tinggi terhadap sulfur.
Magnesium dapat berpartisipasi dalam reaksi yang mengarah pada pembentukan magnesium sulfida:

Berkat hal ini, Mg dapat mendukung proses desulfurisasi mendalam pada baja cair.
Dalam proses metalurgi yang sebenarnya, reaksinya lebih kompleks dan efisiensi penghilangan sulfur bergantung, antara lain, pada:

• aktivitas oksigen,
• komposisi terak,
• suhu,
• jumlah Mg yang dimasukkan,
• metode memasukkan magnesium,
• kondisi untuk mencampur cairan logam.

Karena afinitas Mg terhadap oksigen yang sangat kuat secara simultan, pengendalian sulfur yang efektif memerlukan persiapan baja cair yang tepat.

Magnesium dan mangan sulfida MnS

Seruan MnS – mangan sulfida merupakan inklusi penting yang ditemukan di banyak jenis baja.
Selama bergulir lub penempaan Inklusi MnS plastis dapat memanjang searah dengan deformasi material.
Hal ini menyebabkan terbentuknya pita inklusi memanjang yang khas.
Inklusi semacam itu dapat menyebabkan:

• anisotropi sifat mekanik,
• kerusakan sifat pada arah melintang,
• penurunan ketahanan terhadap retak dalam kondisi tertentu,
• pembentukan lokasi inisiasi retak kelelahan,
• Kerusakan properti akibat beban dinamis.

Perlakuan Mg dapat mengubah sifat inklusi sulfida, mengurangi proporsi MnS memanjang klasik dan mendorong pembentukan inklusi yang mengandung Mg yang lebih kompleks.

Modifikasi inklusi non-logam oleh magnesium

Salah satu aplikasi modern terpenting magnesium dalam metalurgi baja adalah modifikasi inklusi – modifikasi inklusi non-logam.
Inklusi non-logam terbentuk, antara lain, sebagai hasil dari reaksi-reaksi berikut:

• deoksidasi,
• desulfurisasi,
• reaksi antara logam dan terak,
• reaksi dengan bahan tahan panas,
• oksidasi sekunder baja cair.

Magnesium dapat bereaksi dengan inklusi yang ada dan mengubah komposisi kimia serta morfologinya.
Tergantung pada komposisi baja, hal-hal berikut dapat terjadi:

• MgO,
• MgS,
• MgO·Al₂O₃ – spinel magnesium-aluminium,
• oksida-sulfida kompleks yang mengandung Mg,
• inklusi multikomponen yang mengandung Mg, Ca, Al, O dan S.

Inklusi Magnesium dan Al₂O₃

Pada baja yang telah mengalami deoksidasi aluminium Inklusi Al dapat terjadi₂O₃.
Aluminium oksida sangat keras dan dapat ditemukan dalam bentuk gugusan atau sebagai partikel tidak beraturan.
Keberadaan Mg dapat menyebabkan reaksi dengan inklusi yang mengandung Al.₂O₃ dan pembentukan inklusi spinel MgO·Al₂O₃.
Namun, proses ini harus dikendalikan dengan cermat.
Pembentukan spinel tidak selalu otomatis menguntungkan. Inklusi spinel yang keras juga dapat menimbulkan masalah teknologi, sehingga tujuan dari perawatan Mg adalah modifikasi terkontrol pada populasi inklusi, bukan sekadar memaksimalkan jumlah MgO atau spinel.

Kemurnian metalurgi baja

Konsep kemurnian metalurgi tidak hanya berarti kandungan oksigen atau sulfur total yang rendah.
Hal penting lainnya adalah:

• jumlah inklusi,
• ukuran mereka,
• membentuk,
• komposisi kimia,
• distribusi dalam material,
• kecenderungan untuk membentuk kelompok.

Oleh karena itu, pada baja berkualitas tinggi modern, pengendalian inklusi sama pentingnya dengan pengendalian komposisi kimia matriks.
Magnesium dapat menjadi salah satu alat yang digunakan untuk rekayasa inklusi non-logam.

Pengaruh magnesium terhadap sifat mekanik baja

Mg tidak secara langsung meningkatkan sifat mekanik baja dengan cara yang sama seperti unsur paduan klasik.
Pengaruhnya sebagian besar bersifat tidak langsung dan dihasilkan dari pengendalian inklusi.

Namun, efek tersebut tidak bersifat universal. Jumlah Mg yang berlebihan atau pembentukan inklusi keras yang tidak menguntungkan dapat menyebabkan efek sebaliknya.

Magnesium dan kekuatan terhadap kelelahan

Inklusi non-logam merupakan salah satu lokasi penting inisiasi retak kelelahan pada baja berkekuatan tinggi.
Inklusi yang besar, keras, atau terkonsentrasi yang terletak di dekat permukaan atau di area dengan tekanan tinggi dapat sangat tidak menguntungkan.
Perlakuan Mg yang terkontrol dapat mengubah distribusi ukuran dan morfologi inklusi, sehingga memungkinkan untuk meningkatkan ketahanan terhadap kelelahan.
Hal ini sangat penting khususnya pada baja dengan kemurnian tinggi yang ditujukan untuk komponen mesin yang menerima beban tinggi.

Magnesium dan kekuatan benturan baja

Pita sulfida yang memanjang dan inklusi besar dapat mempermudah inisiasi dan perambatan retakan.
Oleh karena itu, modifikasi yang mereka lakukan dapat memengaruhi hasil penelitian. kekuatan benturan.
Faktor terpenting mungkin adalah keterbatasan anisotropi, karena inklusi memanjang yang terbentuk selama proses penggulungan menyebabkan sifat material bergantung pada arah pengambilan sampel.
Memodifikasi inklusi ke arah partikel yang lebih halus dan terdistribusi lebih merata dapat mengurangi ketergantungan ini.

Magnesium dan baja berbutir halus

Inklusi halus yang mengandung Mg, dalam kondisi tertentu, dapat bertindak sebagai tempat nukleasi heterogen dari fase-fase lain.
Fenomena ini digunakan dalam penelitian dan teknologi tertentu yang berkaitan dengan pengendalian struktur mikro baja.
Yang menarik perhatian adalah kemungkinan menggunakan oksida yang mengandung Mg yang sangat halus sebagai lokasi nukleasi selama transformasi fasa.
Namun, mekanisme ini tidak berarti bahwa setiap penambahan Mg secara otomatis menyebabkan penghalusan butiran. Efeknya bergantung pada jumlah, ukuran, komposisi, dan distribusi partikel, serta siklus termal keseluruhan material.

Magnesium dalam baja dengan kemurnian tinggi

Pentingnya Mg meningkat terutama pada baja, di mana sifat-sifatnya dibatasi oleh inklusi non-logam.
Hal ini berlaku untuk, antara lain, beberapa hal berikut:

• baja struktural berkekuatan tinggi,
• baja bantalan,
• baja pegas,
• baja perkakas,
• baja yang dirancang untuk komponen mesin dengan beban tinggi,
• baja dengan persyaratan khusus untuk kemurnian metalurgi.

Pada material semacam itu, mengendalikan bahkan jumlah inklusi yang sangat kecil dapat menjadi penting untuk daya tahan operasional.

Magnesium dalam baja bantalan

Baja bantalan adalah material yang sangat sensitif terhadap keberadaan inklusi non-logam berukuran besar.
Bantalan beroperasi di bawah tegangan kontak siklik yang sangat tinggi, dan inklusi tersebut dapat menjadi tempat inisiasi retakan kelelahan.
Oleh karena itu, dalam produksi baja bantalan berkualitas tinggi, hal-hal berikut ini sangat penting:

• kandungan oksigen rendah,
• membatasi inklusi besar,
• pengendalian komposisi mereka,
• kontrol atas ukuran dan susunannya.

Perlakuan Mg dapat menjadi salah satu cara untuk memodifikasi populasi inklusi dalam baja tersebut jika diintegrasikan dengan benar ke dalam keseluruhan proses metalurgi.

Magnesium dalam baja pegas

Baja pegas berkualitas tinggi beroperasi di bawah beban berulang, sehingga ketahanan terhadap kelelahan sangatlah penting.
Inklusi oksida atau sulfida berukuran besar dapat menjadi lokasi awal terbentuknya retakan.
Oleh karena itu, pengendalian inklusi menggunakan Mg juga dapat menjadi penting dalam produksi produk berkualitas tinggi pilihan. baja pegas, khususnya ditujukan untuk elemen dengan kekuatan lelah yang tinggi.

Magnesium dan kalsium dalam metalurgi baja

Baik magnesium maupun kalsium dapat digunakan untuk memodifikasi inklusi, tetapi perilaku metalurginya tidak identik.

Dalam metalurgi modern, dimungkinkan juga untuk merancang proses di mana interaksi Mg dan Ca dipertimbangkan bersama untuk mendapatkan populasi inklusi tertentu.

Magnesium dan aluminium dalam baja

Aluminium adalah deoksidator yang umum digunakan untuk baja. Deoksidasi Al dapat menghasilkan pembentukan inklusi Al₂O₃ _{. Dengan} adanya Mg, transformasi yang mengarah pada pembentukan spinel dimungkinkan:

Dari sudut pandang metalurgi, menganalisis hanya kandungan total Mg dan Al saja tidak cukup. Yang penting adalah aktivitasnya dan keseimbangan antara:

• Mg terlarut dalam baja cair,
• Aluminium terlarut dalam baja,
• oksigen,
• sulfur,
• membentuk oksida, spinel, dan sulfida.

Magnesium, mangan, dan sulfur

Mangan sangat penting dalam mengendalikan dampaknya sulfur pada baja dan mendorong pembentukan MnS sebagai pengganti FeS yang tidak diinginkan.
Namun, Mg memiliki afinitas yang sangat kuat terhadap sulfur dan dapat berpartisipasi dalam modifikasi inklusi sulfida.
Akibatnya, sistem Fe–Mn–Mg–S–O dapat menyebabkan terbentuknya inklusi kompleks dengan sifat dan morfologi yang berbeda dari MnS klasik.
Hal ini sangat penting terutama ketika tujuannya adalah untuk mengurangi inklusi memanjang yang terbentuk selama pemrosesan plastik.

Magnesium dan kemampuan baja untuk diolah dengan mesin

Inklusi non-logam juga memengaruhi proses pemotongan.
Komposisi, kekerasan, ukuran, dan distribusinya dapat memengaruhi:

• keausan mata pisau,
• pemecahan chip,
• gesekan pada antarmuka alat-material,
• Kualitas permukaan setelah pemrosesan.

Oleh karena itu, modifikasi inklusi oleh Mg dapat memengaruhi kemampuan pemesinan, tetapi arah perubahannya bergantung pada jenis baja tertentu dan populasi inklusi yang dihasilkan.
Oleh karena itu, tidak dapat diasumsikan sebagai aturan umum bahwa penambahan Mg apa pun secara otomatis meningkatkan kemampuan pemesinan.

Magnesium dan kemampuan pengelasan

Pengaruh Mg terhadap kemampuan pengelasan baja terutama bersifat tidak langsung.
Mengubah jenis dan distribusi inklusi dapat memengaruhi perilaku material di zona yang terkena panas dan proses nukleasi mikrostruktur.
Dalam konsep metalurgi tertentu, oksida halus yang mengandung Mg digunakan untuk mengendalikan transformasi yang terjadi selama siklus termal pengelasan.
Namun, efeknya bergantung pada komposisi baja, teknologi manufaktur, dan parameter pengelasan.

Metalurgi oksida – penggunaan oksida Mg halus

Salah satu bidang penggunaan Mg tertentu adalah konsep yang dikenal sebagai metalurgi oksida – metalurgi oksida.
Alih-alih memperlakukan semua inklusi oksida semata-mata sebagai pengotor, tujuannya adalah untuk mengontrol komposisi, jumlah, dan ukurannya sehingga partikel yang sangat halus dapat menjalankan fungsi spesifik dalam membentuk struktur mikro.
Oksida halus yang mengandung Mg dapat, dalam kondisi yang sesuai:

• berpartisipasi dalam nukleasi fase spesifik,
• mempengaruhi pertumbuhan biji-bijian,
• mempengaruhi perubahan yang terjadi selama pendinginan,
• mempengaruhi struktur mikro zona yang terkena panas selama pengelasan.

Ini adalah penggunaan Mg yang jauh lebih canggih daripada deoksidasi atau desulfurisasi klasik.

Berapa banyak magnesium yang ditambahkan ke baja?

Tidak seperti unsur paduan klasik, magnesium biasanya digunakan dalam jumlah yang sangat kecil . Tidak ada kadar magnesium tunggal dan universal untuk semua baja. Jumlah optimal bergantung pada, antara lain:

• jenis baja,
• kandungan oksigen dan sulfur awal,
• isi aluminium,
• kehadiran kalsium,
• jenis inklusi yang dibutuhkan,
• Metode pengenalan Mg,
• suhu baja cair,
• selang waktu antara pemrosesan Mg dan pengecoran.

Dalam praktik metalurgi, kandungan yang diukur dalam ppm mungkin penting , oleh karena itu bahkan perubahan kecil dalam jumlah Mg dapat secara signifikan memengaruhi jenis inklusi yang terbentuk.

Mengapa kelebihan magnesium bisa berbahaya?

Kandungan Mg yang lebih tinggi tidak secara otomatis berarti baja yang lebih baik.
Pemrosesan yang berlebihan atau tidak terkontrol dengan baik dapat menyebabkan:

• pembentukan inklusi MgO keras dalam jumlah berlebihan,
• pembentukan spinel MgO·Al yang tidak diinginkan₂O₃,
• aglomerasi inklusi,
• masalah selama proses pengecoran,
• pengendapan produk reaksi pada elemen-elemen sistem pengecoran,
• penurunan kemurnian baja, bukan peningkatan.

Oleh karena itu, Mg harus diperlakukan sebagai pengubah metalurgi yang dikontrol secara tepat , dan bukan sebagai aditif yang efek menguntungkannya meningkat sebanding dengan kandungannya.

Magnesium dan unsur-unsur lain yang digunakan dalam pembuatan baja

Magnesium dalam baja dan paduan magnesium

Perbedaan yang jelas harus dibuat. magnesium sebagai aditif atau pengubah kecil yang digunakan dalam metalurgi baja dari paduan magnesium.
Pada baja, komponen dasarnya tetap sama. besi, dan Mg hanya terdapat dalam jumlah yang sangat kecil dan terutama digunakan untuk mengendalikan proses metalurgi dan inklusi.
Paduan magnesium Mereka adalah kelompok material yang berbeda di mana Mg merupakan komponen matriks utama. Mereka dicirikan oleh kepadatan yang sangat rendah dan digunakan dalam aplikasi seperti penerbangan, otomotif, dan struktur ringan.
Ini adalah dua kelompok aplikasi magnesium yang sama sekali berbeda.

Pentingnya magnesium dalam metalurgi baja modern

Dengan meningkatnya persyaratan akan umur kelelahan, kekuatan benturan, dan keandalan komponen, tidak hanya komposisi kimia nominal baja yang menjadi semakin penting, tetapi juga kemurnian metalurgi dan rekayasa inklusi.
Dalam hal ini, Mg dapat memainkan peran yang sangat penting.
Penggunaannya memungkinkan proses yang dirancang dengan tepat untuk memengaruhi:

• komposisi kimia inklusi,
• ukuran mereka,
• morfologi,
• pengaturan,
• kecenderungan untuk mengalami deformasi selama proses penggulungan dan penempaan,
• pengaruh inklusi terhadap mikrostruktur.

Oleh karena itu, Mg harus dianggap terutama sebagai unsur teknologi yang digunakan untuk mengontrol secara tepat kualitas metalurgi baja.

Magnesium Mg dalam baja – ringkasan

Magnesium Mg bukanlah unsur paduan baja yang umum, melainkan aditif metalurgi yang sangat reaktif yang terutama digunakan untuk memodifikasi inklusi non-logam, menghilangkan sulfur, dan mengontrol kemurnian baja.
Afinitas Mg yang tinggi terhadap oksigen dan sulfur memungkinkan pembentukan, antara lain, MgO dan MgS serta transformasi inklusi lain yang ada dalam baja cair.
Interaksi Mg dengan inklusi yang terbentuk selama deoksidasi sangatlah penting. aluminium dan kemungkinan menciptakan spinel MgO·Al.₂O₃.
Perlakuan magnesium yang terkontrol dapat mengurangi efek buruk dari inklusi yang besar dan memanjang, mengurangi anisotropi sifat, dan pada baja tertentu, meningkatkan kekuatan benturan dan umur kelelahan.
Pada saat yang sama, Mg memerlukan kontrol teknologi yang sangat presisi. Karena reaktivitasnya yang tinggi dan titik didihnya yang rendah relatif terhadap suhu baja cair, Mg tidak dapat diperlakukan sebagai tambahan paduan biasa.
Peran terpenting magnesium dalam baja modern berkaitan dengan metalurgi sekunder, kemurnian metalurgi, dan rekayasa inklusi non-logam.

Besi Węgiel chrom Nikel Vanadium Mangan Silikon molibdenum serigala Tembaga Tytan Aluminium Kobalt niobium Fosfor Sulfur Oksigen nitrogen magnesium Seng