Short Review of High Temperature Corrosion: Metal Dusting

SHORT REVIEW OF HIGH TEMPERATURE CORROSION: METAL DUSTING

A B Joe H | 0806331355 | S2 – Peminatan Korosi

MMK8210852 – KOROSI LANJUT

PROGRAM PASCA SARJANA

DEPARTEMEN TEKNIK METALURGI DAN MATERIAL

FAKULTAS TEKNIK – UNIVERSITAS INDONESIA

2012

Short Review of High Temperature Corrosion: Metal Dusting

2

DAFTAR ISI

Halaman

1. Pengantar 3

2. Lingkungan Metal Dusting 3

2.1. Pengaruh Sulfur 5

2.2. Pengaruh Kondisi Permukaan dan Finish 5

3. Perilaku Metal Dusting dari Sejumlah Logam Murni & Paduan 6

3.1. Besi Murni 6

3.2. Nikel Murni 8

3.3. Baja Paduan Rendah dan Tinggi 8

3.4. Copper-base 11

3.5. Iron-base 11

3.6. Nickel-base 12

3.7. Paduan Temperatur Tinggi 13

4. Pengendalian Metal Dusting 13

5. Daftar Pustaka 13


3

1. Pengantar

Metal dusting merupakan bentuk catastrophic dari korosi, dimana mengarah

pada disintegrasi paduan seperti iron-base dan nickel-base menjadi “debu” partikulat

logam, logam karbida, karbon, dan/atau oksida[1-2]. Metal Dusting terjadi pada

rentang temperatur 430-900oC di lingkungan gas, dengan tingkat serangan

maksimum pada rentang temperatur 600-700oC, tergantung dari jenis paduan dan

lingkungannya[3-4]. Proses ini terjadi pada lingkungan dengan aktivitas karbon yang

sangat tinggi (ac > 1). Terdapat 3 reaksi kimia yang dapat menyebabkan karburisasi,

dan juga menyebabkan serangan metal dusting[5]. Yaitu:

Reaksi diatas digambarkan secara skematis pada gambar 1 dibawah ini.

Gambar 1. Skema Proses Metal Dusting[4-5]

.

2. Lingkungan Metal Dusting

Proses metal dusting terjadi pada lingkungan campuran gas CO-H2 berbanding

50:50. Karakterisasi lingkungan metal dusting dilihat oleh aktivitas karbon yang tinggi

dari kesatuan dan tekanan parsial oksigen yang sangat rendah. Tabel 1

menunjukkan aktivitas semu dari karbon dan oksigen pada lingkungan metal dusting

sebagai fungsi dari temperatur. Berdasarkan tabel 1, dapat dilihat bahwa aktivitas

karbon menurun dengan meningkatnya temperatur, sedangkan tekanan parsial


4

oksigen meningkat dengan meningkatnya temperatur. Para peneliti pun

mengembangkan campuran gas yang berbeda dalam proses metal dusting.

Tabel 1. Aktivitas Semu Karbon & Oksigen dalam 50CO: 50H2 sebagai Fungsi Temperatur[3]

.

Aktivitas semu pada tabel 1, dengan persamaan 3Fe + C = Fe3C, diplot

kedalam grafik seperti ditunjukkan pada gambar 2. Pada gambar 2 juga disertakan

koeksistensi tekanan oksigen Cr-Cr2O3.

Gambar 2. Aktivitas Semu Karbon & Oksigen dalam 50CO: 50H2 sebagai Fungsi Temperatur[3]

.


5

2.1. Pengaruh Sulfur

Sulfur, yang memiliki kecenderungan kuat untuk untuk segregasi menuju

permukaan dan batas butir, dapat bertindak sebagai inhibitor dalam metal dusting.

Grabke & Muller-Lorenz, (1995), menyatakan bahwa mekanisme inhibisi sulfur yaitu

absorbsi pada permukaan cementite yang menekan nukleasi dari grafit, sehingga

menginhibisi serangan metal dusting. H.J. Grabke, (2000)[6], menyediakan perilaku

metal dusting besi dari segi rasio pH2S/pH2 sebagai fungsi temperatur (1/T) pada

gambar 3. Gambar 3 menunjukkan daerah ketika metal dusting dihindari dengan

injeksi belerang dibawah rasion pH2S/pH2 pada temperatur yang berbeda dari 500 –

1000oC.

Gambar 3. Pengaruh H2S pada perilaku metal dusting besi dari segi rasio pH2S/pH2 terhadap 1/T[4]

.

2.2. Pengaruh Kondisi Permukaan dan Finish

Dari diskusi yang panjang mengenai metal dusting, pembentukan scale

kromium oksida yang good dan protective adalah cara yang sangat efektif untuk

menyediakan proteksi atas serangan metal dusting. Konsentrasi kromium yang

tinggi pada permukaan logam menyediakan pembentukan cepat dari scale protektif

kromium oksida. Kemudian, paduan dengan konsentrasi kromium bulk yang tinggi


6

lebih tahan terhadap metal dusting. Untuk paduan yang sama, struktur butir yang

halus memiliki ketahanan metal dusting lebih baik dari struktur butir kasar. Hal ini

disebabkan oleh batas butir menyediakan jalur difusi cepat untuk kromium bereaksi

dengan permukaan logam. Butir halus memiliki lebih banyak batas butir, sehingga

lebih banyak kromium yang akan bereaksi dengan permukaan logam untuk

membentuk krom oksida.

Gambar 4 menunjukkan hasil uji TGA sejumlah paduan terhadap ketahanan

metal dusting yang dipengaruhi oleh permukaannya. Untuk paduan 800, permukaan

ground memiliki ketahanan metal dusting yang lebih buruk dibandingkan dengan

cold rolled dan electropolished. Sedangkan untuk tipe SS 310, permukaan ground

memiliki ketahanan metal dusting yang lebih baik dibandingkan dengan cold rolled

dan electropolished. Hal ini disebabkan SS 310 mengandung banyak kromium.

Gambar 4. Analisa Termogravimetrik pengaruh Permukaan terhadap ketahanan Metal Dusting[4]

.

3. Perilaku Metal Dusting dari Sejumlah Logam Murni & Paduan

Pada bab ini akan dibahas mengenai perilaku metal dusting dari sejumlah

logam murni & paduan, seperti besi murni,

3.1. Besi Murni

Ketika besi terekspos oleh gas kaya karbon pada potensial oksigen yang terlalu

rendah untuk membentuk oksida besi, logam mengkatalis reaksi sintesis gas, reaksi

boudouard, dan reaksi hydrocarbon cracking. Namun karbon yang dihasilkan

dilarutkan dalam logam. Gambar 5 menunjukkan model Hochman-Grabke untuk

dusting besi murni.


7

Gambar 5. Model Hochman-Gabke untuk Dusting Besi Murni[4]

.

C.M. Chun, et. al. (2002)[7] meneliti mekanisme metal dusting dari besi. Dia

menemukan bahwa untuk jangka waktu yang singkat, sampai sekitar 7 jam, laju

tergantung pada rasio CO/H2 seperti ditunjukkan pada gambar 6 untuk reaksi pada

temperatur 550oC. Laju korosi umum dilihat melewati maksimum pada konsentrasi

yang sama dari CO dan H2. Pada kandungan H2 rendah, laju korosi lebih atau

kurang konstan. Berdasarkan gambar 6 pula, laju ke depan dari reaksi transfer

karbon harus sebanding dengan produk konsentrasi CO dan H2, sehingga

menunjukkan perilaku parabolik. Laju korosi maksimum diharapkan terjadi pada

komposisi gas 50CO:50H2.

Gambar 6. Laju Metal Dusting Besi Murni[3]

.


8

3.2. Nikel Murni

Sama seperti besi murni, untuk waktu terpapar pendek (kurang lebih 7 jam),

reaksi metal dusting pada nikel murni adalah reaksi permukaan terkontrol dan

menunjukkan laju maksimum pada komposisi gas 50CO:50H2 (gambar 7a). Pada

interface antara logam dan deposit karbon, tidak ada karbida yang teramati (gambar

7b). Karbon grafit yang diamati di sebelah permukaan logam juga merupakan karbon

berbentuk filamen pada permukaan luar dari deposit karbon.

Gambar 7. a) Laju Metal Dusting Ni dengan waktu papar 7 jam. b) Corroding Interface Ni ketika Metal

Dusting[8-9]

.

3.3. Baja Paduan Rendah & Tinggi

H.J. Grabke, (1995)[5], melakukan penelitian metal dusting untuk baja paduan

rendah & tinggi. Untuk baja paduan rendah, ditemukan bahwa laju metal wastage

dan deposisi karbon digabungkan oleh efek katalitik dari partikel-partikel logam pada

pengendapan karbon. Mekanisme, reaksi, dan pengaruh temperatur serta komposisi

gas metal dusting baja paduan rendah sama dengan besi murni.

Penambahan silikon untuk besi memiliki dua dampak: destabilisasi parsial

Fe3C terhadap C (gr), dan peningkatan pembentukan SiO2 pada potensial oksigen

dari gas CO/H2/H2O. Pada baja paduan rendah, SiO2 terbentuk sebagai endapan

internal dendritik daripada scale eksternal (gambar 8). Sehingga SiO2 memberikan

sedikit atau tidak ada perlindungan terhadap akses karbon dengan logam. Lapisan

cementite yang dibentuk oleh paduan Fe-Si lebih tipis daripada besi, kokas lebih

cepat dan metal wastage juga lebih cepat. Presipitat SiO2 internal dimasukkan

kedalam scale Fe3C seperti tumbuh ke dalam paduan. Hal ini mungkin berperan


9

sebagai tempat nukleasi grafit dalam cementite, sehingga mempercepat disintegrasi

tersebut.

Gambar 8. Pengaruh penambahan Silikon terhadap Baja Paduan Rendah[4]

.

Sedangkan untuk baja paduan tinggi, terdapat dua langkah pengantar

tambahan: kegagalan protective oxide scale dan pembentukan internal karbida

stabil, yang dapat menghambat metal dusting dan menyebabkan waktu inkubasi.

Perlindungan baja paduan tinggi tergantung pada kemampuan mereka untuk

membentuk dan untuk healing lapisan chromia. Pada baja Austenitik Ni-Cr umum

dan baja Ni-Cr agak rentan terhadap metal dusting, dengan perbedaan tertentu

tentang masa inkubasi dan seberapa parah serangannya. Mekanisme metal dusting

baja paduan tinggi terdiri dari beberapa langkah (gambar 9), yaitu: oversaturasi

dengan karbon, pembentukan karbida metastabil M3C di permukaan, pengendapat

grafit pada permukaan M3C, dekomposisi dari karbida kini tidak stabil, dan deposisi

grafit pada partikel logam. Untuk baja paduan rendah terdapat pada gambar 10.


10

Gambar 9. Mekanisme Metal Dusting Baja Paduan Tinggi[5]

.

Gambar 10. Mekanisme Metal Dusting Baja Paduan Rendah

[10].


11

3.4. Copper-base

Tembaga dan sejumlah paduan copper-base memiliki ketahanan terhadap

korosi metal dusting di lingkungan karbon jenuh (CO-H2)[11]. Berbagai pengaruh

unsur paduan Cu telah diteliti. Antara Sn dan Zn rentan terhadap penguapan pada

suhu diatas 500oC. Konsentrasi besar dari Cu dan Ni membuat alloy catalytic untuk

ingression karbon. Antara Al dan Si mempromosikan pembentukan film oksida yang

sesuai pada permukaan paduan.

Proses electroless plating konvensional telah digunakan untuk membentuk

lapisan Cu pada substrat baja 2.25Cr-0.5Mo. Akibat pembentukan karbon filamen

dalam jumlah kecil, proses cladding mutakhir dikembangkan dengan pelapisan yang

lebih tipis dan lebih rekat.

3.5. Iron-base

Z. Zeng, et. al. (2004)[12]. Melakukan penelitian terhadap efek komposisi scale

oksida terhadap korosi metal dusting dari Fe-based alloys. Terdapat dua aspek

dalam proses scalling yang memainkan peran inisiasi dan propagasi dari serangan

metal dusting, yaitu fasa yang hadir dalam scale oksida dan kadar fe dalam fasa

oksida. Komposisi paduan, tekanan parsial oksigen dalam campuran gas, dan

pretreatment paduan dapat mempengaruhi komposisi fasa yang terbentuk di

permukaan scale oksida. Lapisan Cr2O3 merupakan lapisan paling protektif dengan

kandungan Cr yang tinggi. Uap juga memiliki efek terhadap metal dusting, yaitu

kandungan tinggi dalam atmosfer memberikan tekanan parsial oksigen yang tinggi

dan menstabilkan fasa spinel. Serta tekanan oksigen yang tinggi dapat

menyebabkan kandungan Fe yang tinggi dari spinel, dimana hal ini kurang baik

untuk melawan metal dusting. Metal dusting akan terhambat jika konten uap jauh

lebih tinggi dari nilai kritis, dimana spinel yang paling tidak stabil akan distabilkan

dengan tekanan oksigen yang tinggi. Kristalinitas karbon buruk pada permukaan

sampel yang tidak mengalami metal dusting, sedangkan pada permukaan sampel

yang mengalami metal dusting memiliki kristalinitas yang baik.

Y. Nishiyama, et. al. (2006)[13]. Melakukan penelitian metal dusting terhadap

material paduan 800H. Ketebalan lapisan oksida yang terbentuk pada spesimen

paduan 800H tidak bergantung pada potensial oksigen di kesetimbangan termal, tapi

pada kesetimbangan parsial reaksi H2O dan H2. Metal dusting terjadi ketika kondisi

dimana deposisi karbon dan pembentukan oksida bersaing. Yaitu, dimana aktivitas

karbon dan potensial oksigen sama-sama tinggi, tidak salah satu. Metal dusting


12

diketahui diinisiasi oleh sejumlah localized imperfect sites seperti flaws dan defects

dari protective scale oxide.

3.6. Nickel-base

Y. Nishiyama, et. al. (2005)[14]. Melakukan penelitian metal dusting terhadap

sejumlah paduan nickel-base. Dengan temperatur 600oC, dalam waktu 200 jam,

dengan campuran gas CO-H2-CO2-H2O, serta aktivitas karbon dan kandungan CO

yang tinggi, ditemukan bahwa paduan 600 dengan 15% Cr mengalami pengurangan

massa akibat metal dusting, dan kokas terdeposit pada permukaan spesimen. Pada

paduan 690 yang mengandung 30% Cr, tidak terjadi metal dusting. Berdasarkan

pengamatan mikroskopis, bahwa untuk spesimen berkarat difusi kedalam karbon

mungkin melalui celah dan flaws dalam scale oksida. Gambar 10 menunjukkan

model skematis untuk presipitasi langsung grafit platelets paduan super nickel-base,

sedangkan gambar 11 menunjukkan skematis inisiasi dan propagasi dari pit, seperti

metal dusting pada paduan nickel-base.

Gambar 10. Presipitasi langsung grafit platelets pada Ni-based Superalloys[14]

.


13

Gambar 11. Inisiasi dan Propagasi Pit-Metal Dusting pada Paduan Nickel-Base[14]

.

Penelitian metal dusting untuk paduan nickel-base juga dilakukan oleh peneliti

lain, seperti J.Z. Albertsten, (2007)[15], dengan menggunakan paduan nickel-base

602 dan 693, yang sering digunakan untuk aplikasi plant.

3.7. Paduan Temperatur Tinggi

Sejumlah paduan temperatur tinggi yang memiliki sifat heat-resistant yang

sangat baik, dengan penamaan komersil, diteliti kemampuan ketahanan metal

dusting nya untuk diaplikasikan pada berbagai kondisi. Beberapa paduan temperatur

tinggi tersebut diantaranya KHR35C HiSi, KHR45A LC, UCX, HP, dan 35Cr-

45Ni[1,10].

4. Pengendalian Metal Dusting

Sejumlah metode digunakan untuk mengendalikan serangan metal dusting,

yaitu: (1) seleksi material terhadap paduan dengan ketahanan intrinsik metal

dusting; (2) menekan reaksi transfer karbon dengan aditif kimia & pelapisan

permukaan logam; (3) Coatings untuk promosi permukaan protektif dengan lapisan

oksida; serta (4) penambahan inhibitor, yaitu gas H2S[3,16].

5. Daftar Pustaka

[1] A. Al-Meshari, & J. Little. (2009). Metal Dusting of Commercial High-Temperature Alloys. The

Arabian Journal of Science and Engineering. Vol. 34, no. 2C, pp. 19-35.

[2] D.J. Young. (2008). High Temperature Oxidation and Corrosion of Metals. Netherland: Elsevier.


14

[3] W. Gao, & Z. Li. (2008). Developments in High-Temperature Corrosion and Protection of

Materials. England: Woodhead Publishing Limited.

[4] G.Y. Lai. (2007). High Temperature Corrosion and Materials Applications. USA: ASM

International.

[5] H.J. Grabke. (1995). Metal Dusting of Low- and High-Alloy Steels. Corrosion. Vol. 51, no. 9, pp.

711-720.

[6] H.J. Grabke. (2000). Corrosion by Carbonaceous Gases, Carburization and Metal Dusting, and

Methods of Prevention. Materials at High Temperatures. Vol. 17, no. 4, p. 483.

[7] C.M. Chun, et. al. (2002). Mechanisms of Metal Dusting Corrosion of Iron. Journal of the

Electrochemical Society. Vol. 149B, pp. 348-355.

[8] C.M. Chun, et. al. (2000). Carbon-induced corrosion of nickel anode. Journal of the

Electrochemical Society. Vol. 147, pp. 3680-3686.

[9] C.M. Chun, et. al. (2003). Metal Dusting Corrosion of Cobalt. Journal of the Electrochemical

Society. Vol. 150, pp. B76-B82.

[10] A.I. Al-Meshari. (2008). Metal Dusting of Heat-Resistant Alloys. PhD Dissertation. Department

of Material Science and Metallurgy, University of Cambridge.

[11] C.M. Chun, et. al. (). Metal Dusting Resistant Copper-based Material. Corrosion Preprint. 45 p.

[12] Z. Zeng, et. al. (2004). Effect of Oxide Scale Compositions on Metal Dusting Corrosion of Fe-

based Alloys. Corrosion. Vol. 60, no.7, pp. 632-642.

[13] Y. Nishiyama, et. al. (2006). Effect of Syngas Composition on Metal Dusting of Alloy 800H in

Simulated Reforming Gas Atmospheres. Corrosion. Vol. 62, no. 1, pp. 54-63.

[14] Y. Nishiyama, et. al. (2005). A Metallurgical Approach to Metal Dusting of Nickel-Base Alloys.

Materials Transaction. Vol. 46, no. 8, pp. 1890-1896.

[15] J.Z. Albertsten. (2007). Experimental and Theoretical Investigations of Metal Dusting Corrosion

in Plant exposed Nickel-based Alloys. PhD Thesis. Department of Material Science and

Engineering, Norwegian University of Science and Technology.

[16] R.F. Hochman. (1977). Effects of High Pressure and Inhibitors of Metal Dusting Corrosion

Pertinent to Coal Gasification Systems. Final Research Report, Grant No. G0155088. Bureau

of Mines, Washington D.C.

Short Review of High Temperature Corrosion: Metal Dusting

Documents

Transcript of Short Review of High Temperature Corrosion: Metal Dusting