Pengaruh Fosfor (P)

Besi dengan fosfor akan membentuk senyawa fosfid Fe₃P dan Fe₂P. Antara Fe₃P dengan besi a akan membentuk eutektikum pada temperatur 1050 ^oC dan  kandungan P 10,5%. Paduan Besi – Fosfor membeku secara stabil walaupun pendinginan dilakukan dengan cepat. Pada pendinginan yang lambat (sekitar 50 K/menit) akan terbentuk Fe₂P yang tidak stabil dan membentuk eutektikum pada temperatur 945 ^oC dan kandungan P = 12,5%.

Gambar 1. Diagram biner Fe – P.

P termasuk dalam golongan unsur paduan yang mempersempit daerah γ paduan besi-fosfor. Pada kandungan P = 0,6%, struktur paduan besi-fosfor yang bebas karbon sudah akan feritis penuh.

Pada paduan baja-karbon, kandungan P umumnya adalah 0,06%. Hanya pada beberapa baja khusus saja yang memiliki kandungan P sampai 0,3%. Karena pada temperatur kamar P dapat larut sampai 0,6% didalam besi α, maka sampai dengan kandungan ini tidak akan menghasilkan fasa-fasa khusus didalam baja. Terutama karena Fe₃P tidak terbentuk didalam baja (tidak seperti pada besi cor).

Perlu diperhatikan, bahwa karena perbedaan temperatur yang besar antara likuidus dan solidus, juga karena lambatnya kecepatan difusi P kedalam besi, maka kristal campuran γ (austenit) akan memiliki kecenderungan yang kuat untuk terjadinya segregasi kristal.

Dendrit-dendrit γ yang terbentuk pada awal proses kristalisasi akan memiliki kandungan P jauh lebih sedikit dari kristal γ yang terbentuk dari sisa cairan, dimana disini terjadi pengayaan kandungan P. Perbedaan kandungan P pada struktur kristal ini tidak dapat diubah dengan mudah baik pada proses pengerjaan panas maupun pada saat perlakuan panas biasa terhadap baja. Segregasi P ini baru dapat dihomogenkan melalui suatu proses pemanasan yang lama dan mahal pada temperatur yang sangat sedikit dibawah temperatur solidusnya (diffusions heattreatment). Untuk mencegah segregasi ini, maka stu-satunya cara yang dianjurkan adalah dengan mengendalikan kandungan P didalam baja serendah-rendahnya.

Disamping segregasi P secara primer tersebut diatas, terdapat kemungkinan terjadinya segregasi P secara sekunder, dimana pada saat pendinginan, ferrit yang terbentuk dari austenit memiliki kemampuan melarutkan P lebih tinggi dari austenit. Sehubungan dengan kecepatan larut P yang sangat rendah dan temperatur pembentukan α yang juga lebih rendah, maka segregasi P ini tidak dapat dihindari. Maka pada struktur, kristal-kristal α akan memiliki kandungan P yang berbeda-beda.

Segregasi P primer juga akan berpengaruh terhadap pembentukan struktur perlit-ferit. Kelarutan C didalam austenit akan menurun akibat adanya P. Apabila segregasi P ini terjadi pada kristal campuran γ (austenit), maka atom-atom C akan terdesak dan menumpuk pada bagian kristal yang miskin P, sehingga sudah sejak fasa austenit dan pada temperatur tinggi dapat terjadi pembentukan struktur karbon.

Pada proses pendinginan, kristal α (ferit) akan terbentuk pada struktur yang miskin C yang notabene kaya akan P. Pada saat yang sama perlit terbentuk pula pada bagian struktur yang kaya dengan unsur C yang miskin P. Akibatnya akan terjadi inhomogenitas struktur perlit-ferrit yang hanya dapat dihilangkan melalui peningkatan temperatur proses normalisasi.

Hal lain yang sangat perlu diperhatikan adalah kemungkinan akan terjadinya segregasi rongga gas pada produk baja. Proses pendinginan baja cair akan selalu terjadi pelepasan gas dalam bentuk rongga-rongga yang mengapung kepermukaan atas. Pergerakan rongga gas ini semakin melambat bersama  dengan turunnya temperatur cairan sehingga lambat-laun akan tinggal diam didalam cairan yang semakin kental. Pada saat ini, tekanan udara didalam rongga-rongga gas juka akan ikut menurun dan bergerak kearah sisa cairan yang kaya dengan kandungan P (dan S) serta berkumpul menjadi koloni rongga-rongga gas didaerah ini.

Gambar 2. Rongga gas didalam produk bantalan dari bahan baja.

Atas: Tanpa etsa. Dengan metode Oberhoffer. Segregasi P terlihat berwarna terang.

Gambar 3. Segregasi gas pada produk tempa dari baja 40Mn5.

Etsa: Oberhoffer.

Segregasi P pada baja-baja teknik sangat dihindari mengingat inhomogenitas struktur yang disebabkannya, dimana hal ini juga akan mengakibatkan perbedaan kekerasan, kekuatan maupun keuletan. Perbedaan kekuatan dan keuletan pada struktur mikro akan menimbulkan tegangan dalam yang besar yang akhirnya mengakibatkan terjadinya keretakan.

Gambar 4. Retakan pada bagian produk baja tempa 37MnSi₅

dengan segregasi P luas.

P juga menjadi penyebab perapuhan baja pada keadaan dingin yang ditunjukkan dengan peningkatan kekuatan namun dengan demikian menurunkan mampu takiknya sebagaimana ditunjukkan pada tabel berikut:

Tabel 1. Penurunan harga impak akibat pengaruh kandungan P pada baja.

Kandungan P tinggi (sampai dengan 0,6%) didalam baja hanya dilakukan pada kasus-kasus tertentu saja khususnya pada produk-produk tipis, sebab P meningkatkan fluiditas cairan sehingga mampu alirnya meningkat cukup tinggi.