Baja
Baja adalah logam paduan, logam besi yang berfungsi sebagai unsur dasar dicampur dengan beberapa elemen lainnya, termasuk unsur karbon. Besi dapat terbentuk menjadi dua bentuk kristal yaitu Body Center Cubic (BCC) dan Face Center Cubic (FCC), tergantung dari tempraturnya ketika ditempa. Dalam susunan bentuk BCC, ada atom besi ditengah-tengah kubus atom, dan susunan FCC memiliki atom besi
disetiap sisi pada enam sisi kubus atom. Interaksi alotropi yang terjadi antara logam besi dengan elemen pemadu, seperti karbon, yang membuat baja dan besi tuang memiliki ciri khas yang ada pada diri mereka.
Kandungan unsur karbon dalam baja berkisar antara 0.2% hingga 2.1% dari berat keseluruhan baja tersebut sesuai grade-nya. Elemen berikut ini selalu ada dalam baja: karbon, mangan, fosfor, sulfur, silikon, dan sebagian kecil oksigen, nitrogen dan aluminium. Selain itu, ada elemen lain yang ditambahkan untuk membedakan karakteristik antara beberapa jenis baja diantaranya: mangan, nikel, krom, molybdenum, boron, titanium, vanadium dan niobium.
Dengan memvariasikan kandungan karbon dan unsur paduan lainnya, berbagai jenis kualitas baja bisa didapatkan. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras dengan mencegah dislokasi bergeser pada kisi kristal dari atom penyusun besi. Tanpa karbon ini maka struktur kristal dari besi murni tidak memiliki resistensi antar atom dan akan saling melewati satu sama lain,
atau menjadi sangat lembek. Baja karbon ini dikenal sebagai baja hitam karena berwarna hitam, banyak digunakan untuk peralatan pertanian misalnya sabit dan cangkul.
Penambahan kandungan karbon pada baja dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan tariknya, namun di sisi lain membuatnya menjadi getas serta menurunkan keuletannya.
Meskipun baja sebelumnya telah diproduksi oleh pandai besi menggunakan tungku pembakar selama ribuan tahun, penggunaannya menjadi semakin bertambah ketika metode produksi yang lebih efisien ditemukan pada abad ke-17. Dengan penemuan proses Bessemer di pertengahan abad ke-19, baja menjadi material produksi massal yang membuat harga produksinya menjadi lebih murah. Saat
ini, baja merupakan salah satu material paling umum di dunia, dengan produksi lebih dari 1.3 miliar ton tiap tahunnya menggantikan besi tempa. Baja merupakan komponen utama pada bangunan, infrastruktur, kapal, mobil, mesin, perkakas, dan senjata.
Baja modern secara umum diklasifikasikan berdasarkan kualitasnya oleh beberapa lembaga-lembaga standar. Proses pemurnian lanjutan, seperti basic oxygen steelmaking (BOS), menggantikan sebagian besar metoda-metoda lama dengan menurunkan biaya produksi dan meningkatkan kualitas produk akhir.
Kata Baja dalam bahasa inggris, yaitu steel berasal dari kata keterangan Proto-Germanic yaitu stahlija atau stakhlijan (terbuat dari baja), yang terkait dengan stahlaz atau stahlija (berdiri tegap).
Seperti yang sudah diulas, kandungan karbon dalam paduan baja ialah antara 0002% sampai 2.14% dari berat paduan besi-karbon. Jumlah ini bisa bervariasi tergantung dari elemen pemadu yang ada didalam paduan seperti mangan, krom, nikel, besi, tungsten, karbon, dan lain sebagainya. Pada dasarnya, baja adalah paduan besi-karbon yang tidak menjalani
reaksi eutektik. Kebalikannya, besi tuang justru mengalami reaksi tersebut. Apabila kandungan karbon dalam baja terlalu sedikit, maka besi murni dalam paduan akan menjadi ulet, lembek, dan lemah. Kandungan karbon yang lebih tinggi dari baja normal akan membuat satu paduan yang sering disebut besi babi. Meskipun besi yang berhasil terpadu dengan karbon disebut
baja karbon, baja paduan sendiri adalah baja yang dimasukan dengan paduan elemen lain dengan tujuan untuk memberikan karakteristik tertentu terhadap baja tersebut. Elemen-elemen pemadu yang umum dipadukan adalah: mangan, nikel, kroma, molybdenum, boron, titanium, vanadium, tungsten, kobalt, dan niobium. Elemen lain yang penting dalam pembuatan baja: fosfor, belerang, silikon, dan
adanya sedikit oksigen, nitrogen, dan tembaga, yang biasanya tidak boleh ada dalam kandungan baja.
Paduan besi-karbon saja tanpa elemen lain dengan kandungan karbon 2.1% biasa disebut besi tuang. Dengan teknik pembuatan baja moderen seperti pembentukan bubuk logam, proses ini bisa menghasilkan baja dan material lain dengan kandungan karbon amat tinggi. Besi Tuang tidak mudah untuk dilunakkan bahkan ketika dipanaskan, tapi bisa dibentuk dengan proses penuangan karena besi ini memiliki titik leleh
yang rendah serta memiliki properti kemudahan penuangan yang baik. Sebagian komposisi dari besi tuang, meskipun masih lebih ekonomis apabila di lebur dan tuang, bisa diberi perlakuan panas setelah dituang untuk membuat benda dengan karakteristik besi lunak atau besi ulet. Baja berbeda dari besi tempa (sekarang sudah kuno), yang mana besi tersebut mengandung sedikit karbon tetapi banyak sekali mengandung terak
Berbagai sampel baja flatbar tempa-total. Yang pertama di paling, adalah baja yang sudah normal. Yang kedua telah melalui martensit tanpa tempa, proses penyiraman. Bagian lainnya telah melalui proses tempa di oven menurut temperatur mereka masing-masing, selama satu jam. "Standar tempaan" seperti ini biasa digunakan oleh pandai besi sebagai pembanding, memastikan bahwa pekerjaan mereka ditempa sesuai dengan warna yang diinginkan.
Besi dapat ditemukan pada bagian kerak bumi hanya dalam bentuk bijih, biasanya dalam bentuk besi oksida seperti magnetit dan hematit. besi diekstraksi dari bijih besi dengan menghilangkan atom oksigen dan kemudian menggabungkannya kembali dengan atom lain seperti karbon. Proses ini disebut peleburan, yang pertamakali digunakan pada logam dengan titik lebur yang lebih rendah dari besi
seperti timah, yang meleleh di titik 250 °C (482 °F), serta tembaga yang meleleh di titik 1.100 °C (2.010 °F), kemudian kombinasi dari timah dan tembaga yaitu perunggu, yang titik lelehnya lebih rendah dari 1.083 °C (1.981 °F). Sebagai pembanding, besi tempa meleleh di sekitar suhu 1.375 °C (2.507 °F). Ada sejumlah kecil besi yang sudah
melalui proses ini pada masa lampau dengan cara memanaskan bijih yang ditanam pada bara api dan kemudian menggabungkan kedua logam dengan menempanya menggunakan palu. Kandungan karbon yang terkandung juga dapat dikontrol.
Temperatur tinggi pada proses peleburan dapat dicapai dengan metode kuno yang sudah dipakai sejak zaman Perunggu. Karena tingkat oksidasi besi meningkat sangat cepat diatas suhu 800 °C (1.470 °F), maka harus diperhatikan bahwa proses peleburan harus dilaksanakan pada lingkungan dengan tingkat oksigen rendah. Proses peleburan akan menghasilkan paduan yang dinamakan baja. Kelebihan karbon dan pengotor lainnya dapat dihilangkan dengan beberapa proses bertahap.
Beberapa material lainnya juga ditambahkan ke campuran besi/karbon untuk mendapatkan baja dengan karakteristik yang diinginkan. Nikel dan mangan ditambahkan untuk menambah kekuatan, krom ditambahkan untuk meningkatkan kekerasan dan titik didih, serta penambahan vanadium juga menambah kekerasan serta mengurangi dampak kelelahan logam.
Untuk mencegah korosi, harus ditambahkan kromium paling sedikit 11% wt sehingga membentuk oksida yang keras pada permukaan baja; baja ini dikenal dengan stainless steel (baja anti noda). Tungsten ditambahkan pada pembentukan cementit, sehingga pada kecepatan penyiraman yang lebih rendah akan membentuk martensit. Di sisi lain, sulfur, nitrogen, dan fosfor membuat baja menjadi getas, sehingga elemen ini harus dipisahkan ketika pemrosesan.
Densitas baja bervariasi tergantung dari unsur pembentuknya, namun umumnya berada di antara 7.750 and 8.050 kg/m3 (484 and 503lb/cuft), atau 7.75 and 8.05 g/cm3 (4.48 and 4.65oz/cuin).