Baja

Baja
Ferit Austenit Sementit Grafit Martensit
Mikrostruktur
Sferoidit Pearlit Bainit Ledeburit Martensit temper Struktur Widmanstätten
Jenis
Baja krus Baja karbon Baja pegas Baja paduan Baja maraging Baja nirkarat Baja cuaca Baja alat
Material besi lainnya
Besi tuang Besi abu Besi putih Besi ulet Besi lunak Besi tempa

Baja adalah paduan besi dan karbon yang menunjukkan sifat mekanik yang lebih baik dibandingkan besi murni. Berkat modulus elastisitas, kekuatan luluh, kekuatan patah yang tinggi serta biaya bahan bakunya yang rendah, baja merupakan salah satu material yang paling banyak diproduksi di dunia. Baja digunakan pada struktur (sebagai batang penulangan beton atau balok baja), jembatan, infrastruktur, perkakas, kapal, kereta, mobil, sepeda, mesin, peralatan listrik, furnitur, dan senjata.

Baja didefinisikan sebagai paduan besi dan karbon, dan sering kali unsur lain, dengan kadar karbon hingga 2,14%.^[1][2][3] Besi dan karbon selalu menjadi unsur utama dalam baja, tetapi unsur lain digunakan untuk menghasilkan berbagai mutu baja, dengan sifat material, mekanik, dan mikrostruktur yang berubah. Baja nirkarat, misalnya, biasanya mengandung 18% kromium dan menunjukkan ketahanan korosi dan oksidasi yang lebih baik dibandingkan baja karbon. Baja galvanis dilapisi seng untuk mencapai efek serupa. Pada tekanan atmosfer, baja umumnya memiliki dua bentuk kristal: kubik berpusat badan dan kubik berpusat muka; namun, tergantung pada riwayat termal dan pemaduannya, mikrostruktur dapat mengandung fase martensit yang terdistorsi atau fase sementit yang kaya karbon, yang masing-masing berbentuk tetragonal dan ortorombik. Pada besi paduan, penguatan terutama disebabkan oleh masuknya karbon ke dalam kisi yang sebagian besar berupa besi, yang menghambat deformasi akibat tegangan mekanik. Pemaduan juga dapat memicu fase tambahan yang memengaruhi sifat mekanik. Dalam kebanyakan kasus, sifat mekanik hasil rekayasa diperoleh dengan mengorbankan keuletan dan perpanjangan keadaan besi murni, yang menurun seiring penambahan karbon.

Baja diproduksi dalam tungku bloomery selama ribuan tahun, tetapi penggunaannya secara industri berskala besar baru dimulai setelah metode produksi yang lebih efisien dirancang pada abad ke-17, dengan diperkenalkannya tanur tinggi dan produksi baja kui. Hal ini diikuti oleh proses Bessemer di Inggris pada pertengahan abad ke-19, lalu tungku hamparan terbuka. Dengan ditemukannya proses Bessemer, era baru baja produksi massal dimulai. Baja lunak menggantikan besi tempa. Negara-negara Jerman merupakan produsen baja utama di Eropa pada abad ke-19.^[4] Produksi baja Amerika berpusat di Pittsburgh, Bethlehem, Pennsylvania, dan Cleveland, Ohio hingga akhir abad ke-20. Saat ini, produksi baja dunia berpusat di Tiongkok, yang menghasilkan 54% baja dunia pada 2023.

Penyempurnaan lebih lanjut pada proses ini, seperti pembuatan baja oksigen basa (BOS), sebagian besar menggantikan metode sebelumnya dengan menurunkan biaya produksi dan meningkatkan kualitas produk akhir. Saat ini, lebih dari 1,6 miliar ton baja diproduksi setiap tahun. Baja modern umumnya diidentifikasi menurut berbagai mutu yang ditetapkan oleh beragam organisasi standar. Industri baja modern merupakan salah satu industri manufaktur terbesar di dunia, tetapi juga salah satu industri yang paling intensif energi dan emisi gas rumah kaca, dengan kontribusi 8% emisi global.^[5] Namun, baja juga sangat dapat digunakan kembali: baja adalah salah satu material yang paling banyak didaur ulang di dunia, dengan tingkat daur ulang lebih dari 60% secara global.^[6]

Definisi dan material terkait

Kata benda steel (baja) berasal dari adjektiva Proto-Jermanik *stahliją atau *stakhlijan 'terbuat dari baja', yang berkaitan dengan *stahlaz atau *stahliją 'berdiri teguh'.^[7]

Kadar karbon baja berkisar antara 0,02% dan 2,14% berdasarkan berat untuk baja karbon biasa (paduan besi-karbon). Baja paduan adalah baja yang dengan sengaja ditambahkan unsur paduan lain untuk mengubah karakteristik baja. Unsur paduan yang umum meliputi: mangan, nikel, kromium, molibdenum, boron, titanium, vanadium, tungsten, kobalt, dan niobium.^[8] Unsur tambahan, yang paling sering dianggap tidak diinginkan, juga penting dalam baja: fosfor, belerang, silikon, serta jejak oksigen, nitrogen, dan tembaga.^[9]

Paduan besi–karbon biasa dengan kadar karbon di atas 2,1% dikenal sebagai besi cor. Dengan teknik pembuatan baja modern seperti pembentukan logam serbuk, dimungkinkan membuat baja berkarbon sangat tinggi (dan bahan paduan lain), tetapi hal itu jarang dilakukan. Besi cor tidak dapat ditempa bahkan ketika panas, tetapi dapat dibentuk dengan pengecoran karena titik lelehnya lebih rendah daripada baja dan sifat kemampuan cornya baik.^[8] Komposisi tertentu besi cor, sambil tetap mempertahankan keekonomisan peleburan dan pengecoran, dapat diberi perlakuan panas setelah pengecoran untuk membuat benda besi malleabel atau besi nodular. Baja dapat dibedakan dari besi tempa (kini sebagian besar usang), yang mungkin mengandung sedikit karbon (<0,1%) tetapi banyak terak (sekitar 1–2%).^[10]

Produksi

Ketika besi dilebur dari bijihnya dengan kokas atau arang, hasilnya memiliki kadar karbon yang tinggi dan dikenal sebagai besi kasar. Agar menjadi baja, besi ini harus diolah ulang untuk menurunkan karbon hingga jumlah yang tepat, dan pada tahap itu unsur lain dapat ditambahkan. Proses ini disebut pemurnian, yaitu oksigen disuntikkan ke dalam besi cair untuk menghilangkan kelebihan karbon; oksigen bereaksi dengan karbon menghasilkan gas karbon dioksida.^[11]

Secara historis, proses ini melibatkan pengujian coba-coba secara terus-menerus terhadap produk yang telah didinginkan untuk menilai apakah jumlah karbon sudah tepat sehingga bahan memiliki sifat baja. Kini analisis kimia dapat dilakukan untuk menentukan komposisi paduan secara tepat, selain pengujian praktis terhadap sifat bahan seperti uji kekerasan Rockwell, Pengujian ultrasonik, uji impak Charpy, dan uji lentur tiga titik.^[12][13] Dahulu, pabrik baja mengecor produk baja mentah menjadi ingot yang disimpan hingga digunakan dalam proses pemurnian lebih lanjut yang menghasilkan produk jadi. Di fasilitas modern, produk awal mendekati komposisi akhir dan dicor secara kontinu menjadi slab panjang, dipotong dan dibentuk menjadi batang serta ekstrusi, lalu diberi perlakuan panas untuk menghasilkan produk akhir. Saat ini, sekitar 96% baja dicor secara kontinu, sedangkan hanya 4% yang diproduksi sebagai ingot.^[14] Ingot kemudian dipanaskan dalam sumur perendaman dan digulung panas menjadi slab, billet, atau bloom. Slab digulung panas atau dingin menjadi lembaran logam atau pelat. Billet digulung panas atau dingin menjadi batang, rod, dan kawat. Bloom digulung panas atau dingin menjadi baja struktural, seperti balok-I dan rel. Di pabrik baja modern, proses-proses ini sering berlangsung dalam satu lini perakitan, dengan bijih masuk dan produk baja jadi keluar.^[15] Terkadang setelah pengerolan akhir baja, baja diberi perlakuan panas untuk kekuatan; namun, hal ini relatif jarang.^[16]

Sifat material

Asal-usul dan produksi

Besi lazim ditemukan di kerak Bumi dalam bentuk bijih, biasanya oksida besi, seperti magnetit atau hematit. Besi diekstraksi dari bijih besi dalam kondisi reduktif, yaitu oksigen bereaksi dengan karbon dalam bahan bakar menghasilkan karbon monoksida, yang kemudian mereduksi oksida besi menjadi besi logam.^[17] Proses ini, yang dikenal sebagai smelting, pertama kali diterapkan pada logam dengan titik leleh lebih rendah, seperti timah, yang meleleh pada sekitar 250 °C (482 °F), dan tembaga, yang meleleh pada sekitar 1.100 °C (2.010 °F), serta kombinasinya, perunggu, yang titik lelehnya lebih rendah dari 1.083 °C (1.981 °F). Sebagai perbandingan, besi meleleh pada sekitar 1.540 °C (2.800 °F), suhu yang belum dapat dicapai pada awal Zaman Besi. Sejumlah kecil besi dilebur pada zaman kuno dalam keadaan setengah cair dengan memanaskan bijih berulang kali dalam api arang lalu mengelas gumpalan hasilnya dengan palu. Proses ini menghilangkan sebagian besar pengotor, sehingga menghasilkan besi tempa. Seiring tungku mencapai suhu yang lebih tinggi berkat perbaikan ubub yang meningkatkan aliran udara, besi dengan kadar karbon lebih tinggi dapat diproduksi.^[18] Tidak seperti tembaga dan timah,^[19][20] besi cair maupun padat melarutkan karbon dengan cukup mudah.^[21]

Semua suhu ini dapat dicapai dengan metode kuno yang digunakan sejak Zaman Perunggu. Karena laju oksidasi besi meningkat pesat di atas 800 °C (1.470 °F), penting agar peleburan berlangsung dalam lingkungan rendah oksigen. Peleburan, dengan menggunakan karbon untuk mereduksi oksida besi, menghasilkan paduan (besi kasar) yang masih menyimpan terlalu banyak karbon untuk disebut baja.^[18] Kelebihan karbon dan pengotor lain dihilangkan melalui pengolahan lebih lanjut.^[22]

Bahan lain sering ditambahkan ke campuran besi/karbon untuk menghasilkan baja dengan sifat yang diinginkan. Nikel dan mangan dalam baja menambah kuat tariknya dan membuat bentuk austenit dari larutan besi-karbon lebih stabil, kromium meningkatkan kekerasan dan suhu leleh, dan vanadium juga meningkatkan kekerasan sekaligus membuatnya kurang rentan terhadap kelelahan logam.^[23]

Untuk menghambat korosi, setidaknya 11% kromium dapat ditambahkan ke baja sehingga oksida keras terbentuk pada permukaan logam; ini dikenal sebagai baja nirkarat. Tungsten memperlambat pembentukan sementit, menjaga karbon tetap berada di matriks besi dan memungkinkan martensit terbentuk secara istimewa pada laju pendinginan cepat yang lebih lambat, sehingga menghasilkan baja kecepatan tinggi. Penambahan timbal dan belerang memperkecil ukuran butir, sehingga baja lebih mudah dibubut, tetapi juga lebih rapuh dan rentan terhadap korosi. Meskipun demikian, paduan semacam itu sering digunakan untuk komponen seperti mur, baut, dan ring pada aplikasi yang tidak mengutamakan ketangguhan dan ketahanan korosi. Namun pada umumnya, unsur blok-p seperti belerang, nitrogen, fosfor, dan timbal dianggap sebagai pengotor yang membuat baja lebih rapuh sehingga dihilangkan dari baja selama proses peleburan.^[23]

Sifat-sifat

Kerapatan baja bervariasi bergantung pada unsur paduannya tetapi biasanya berkisar antara 7.750 dan 8.050 kg/m³ (484 dan 503 lb/cu ft), atau 775 dan 805 g/cm³ (448 dan 465 oz/cu in).^[24]

Bahkan dalam rentang konsentrasi sempit campuran karbon dan besi yang membentuk baja, beberapa struktur metalurgi yang berbeda dengan sifat yang sangat berbeda dapat terbentuk. Memahami sifat-sifat tersebut sangat penting untuk membuat baja berkualitas. Pada suhu ruang, bentuk besi murni yang paling stabil adalah struktur kubik berpusat badan (BCC) yang disebut besi alfa atau α-iron. Logam ini cukup lunak dan hanya dapat melarutkan karbon dalam konsentrasi kecil, tidak lebih dari 0,005% pada 0 °C (32 °F) dan 0,021 wt% pada 723 °C (1.333 °F). Masuknya karbon ke dalam besi alfa disebut ferit. Pada 910 °C, besi murni bertransformasi menjadi struktur kubik berpusat muka (FCC), yang disebut besi gamma atau γ-iron. Masuknya karbon ke dalam besi gamma disebut austenit. Struktur FCC austenit yang lebih terbuka dapat melarutkan karbon jauh lebih banyak, hingga 2,1% (38 kali lipat ferit),^[25] pada 1.148 °C (2.098 °F), yang mencerminkan batas atas kadar karbon baja, di atasnya adalah besi cor.^[26] Ketika karbon keluar dari larutan dengan besi, ia membentuk material yang sangat keras tetapi rapuh yang disebut sementit (Fe₃C).^[21]

Ketika baja dengan karbon tepat 0,8% (dikenal sebagai baja eutektoid) didinginkan, fase austenitik (FCC) dari campuran tersebut berusaha kembali ke fase ferit (BCC). Karbon tidak lagi muat dalam struktur austenit FCC, sehingga terjadi kelebihan karbon. Salah satu cara karbon meninggalkan austenit adalah dengan mengendap keluar dari larutan sebagai sementit, meninggalkan fase BCC besi di sekelilingnya yang disebut ferit dengan persentase kecil karbon dalam larutan. Keduanya, sementit dan ferit, mengendap secara bersamaan menghasilkan struktur berlapis yang disebut perlit, dinamai karena kemiripannya dengan lapisan mutiara.^[27] Pada komposisi hipereutektoid (lebih dari 0,8% karbon), karbon pertama-tama akan mengendap sebagai inklusi besar sementit pada batas butir austenit hingga persentase karbon dalam butir menurun ke komposisi eutektoid (0,8% karbon), dan pada titik itu struktur perlit terbentuk.^[28] Untuk baja dengan karbon kurang dari 0,8% (hipoeutektoid), ferit akan terbentuk lebih dahulu di dalam butir hingga komposisi yang tersisa naik menjadi 0,8% karbon, dan pada titik itu struktur perlit akan terbentuk. Tidak ada inklusi besar sementit yang terbentuk pada batas butir baja hipoeutektoid. Hal di atas mengasumsikan bahwa proses pendinginan sangat lambat, sehingga karbon punya cukup waktu untuk bermigrasi.^[29]

Seiring laju pendinginan ditingkatkan, karbon akan memiliki lebih sedikit waktu untuk bermigrasi membentuk karbida pada batas butir, tetapi akan ada jumlah perlit yang semakin besar dengan struktur yang semakin halus di dalam butir; dengan demikian karbida lebih tersebar luas dan bekerja mencegah selip cacat dalam butir tersebut, sehingga baja mengeras. Pada laju pendinginan yang sangat tinggi yang dihasilkan oleh pendinginan cepat (quenching), karbon tidak punya waktu untuk bermigrasi tetapi terkunci di dalam austenit berpusat muka dan membentuk martensit.^[30] Martensit adalah bentuk karbon dan besi yang sangat teregang dan tertekan serta lewat jenuh, dan sangat keras tetapi rapuh. Bergantung pada kadar karbonnya, fase martensitik mengambil bentuk berbeda. Di bawah 0,2% karbon, ia berbentuk kristal ferit BCC, tetapi pada kadar karbon lebih tinggi ia berstruktur tetragonal berpusat badan (BCT). Tidak ada penghalang energi aktivasi termal yang mencegah transformasi dari austenit ke martensit. Tidak ada perubahan komposisi, sehingga atom-atomnya umumnya mempertahankan tetangga yang sama.^[31]

Martensit memiliki kerapatan yang lebih rendah (mengembang saat pendinginan) dibandingkan austenit, sehingga transformasi di antara keduanya menghasilkan perubahan volume. Dalam hal ini terjadi pemuaian. Tegangan internal akibat pemuaian ini umumnya berbentuk tekan pada kristal martensit dan tarik pada ferit yang tersisa, dengan geser yang cukup besar pada kedua penyusun. Jika pendinginan cepat dilakukan secara tidak tepat, tegangan internal dapat menyebabkan komponen pecah saat mendingin. Setidaknya, tegangan tersebut menyebabkan pengerasan regang internal dan ketidaksempurnaan mikroskopis lainnya. Retak pendinginan umum terbentuk ketika baja didinginkan cepat dengan air, meskipun tidak selalu terlihat.^[32]

Perlakuan panas

Ada banyak jenis proses perlakuan panas yang tersedia untuk baja, seperti penyepuhan (anil), pendinginan cepat, dan tempering.

Penyepuhan adalah proses memanaskan baja hingga suhu yang cukup tinggi untuk meredakan tegangan internal lokal. Proses ini tidak menciptakan pelunakan umum pada produk, tetapi hanya meredakan secara lokal regangan dan tegangan yang terkunci dalam material. Penyepuhan melalui tiga fase: pemulihan, rekristalisasi, dan pertumbuhan butir. Suhu yang diperlukan untuk menyepuh baja tertentu bergantung pada jenis penyepuhan yang ingin dicapai dan unsur paduannya.^[33]

Pendinginan cepat melibatkan pemanasan baja untuk menciptakan fase austenit lalu mendinginkannya dalam air atau minyak. Pendinginan cepat ini menghasilkan struktur martensitik yang keras tetapi rapuh.^[31] Baja kemudian ditemper, yang merupakan jenis khusus penyepuhan, untuk mengurangi kerapuhan. Dalam penerapan ini proses penyepuhan (tempering) mengubah sebagian martensit menjadi sementit, atau sferoidit, sehingga mengurangi tegangan internal dan cacat. Hasilnya adalah baja yang lebih ulet dan tahan patah.^[34]

Sejarah

Kuno

Baja telah dikenal pada zaman kuno dan diproduksi dalam bloomery dan kui.^[35][36]

Produksi baja paling awal yang diketahui terlihat pada potongan barang besi yang digali dari situs arkeologi di Anatolia (Kaman-Kalehöyük) yang berusia hampir 4.000 tahun, berasal dari 1800 SM.^[37][38]

Baja wootz dikembangkan di India Selatan dan Sri Lanka pada milenium ke-1 SM.^[36] Situs produksi logam di Sri Lanka menggunakan tungku angin yang digerakkan oleh angin muson, yang mampu menghasilkan baja berkarbon tinggi. Produksi baja wootz skala besar di India menggunakan kui terjadi pada abad ke-6 SM, perintis dan pendahulu produksi baja dan metalurgi modern.^[35][36]

Baja berkarbon tinggi diproduksi di Britania di Benteng Bukit Broxmouth dari 490 hingga 375 SM,^[39][40] dan baja berkarbon sangat tinggi diproduksi di Belanda dari abad ke-2 hingga ke-4 M.^[41] Penulis Romawi Horace menyebut senjata baja seperti falcata di Semenanjung Iberia, sedangkan baja Noric digunakan oleh militer Romawi.^[42]

Bangsa Tionghoa pada Zaman Negara Perang (403–221 SM) telah memiliki baja yang dikeraskan dengan pendinginan cepat,^[43] sedangkan bangsa Tionghoa pada masa Dinasti Han (202 SM – 220 M) membuat baja dengan melebur bersama besi tempa dan besi cor, sehingga menghasilkan baja berkarbon menengah pada abad ke-1 M.^[44][45]

Ada bukti bahwa baja karbon dibuat di Tanzania bagian barat oleh nenek moyang bangsa Haya sejak 2.000 tahun yang lalu melalui proses kompleks "pemanasan awal" yang memungkinkan suhu di dalam tungku mencapai 1300 hingga 1400 °C.^{[46][47][48][49][50][51]}

Wootz dan Damaskus

Bukti produksi baja berkarbon tinggi paling awal di Asia Selatan ditemukan di Kodumanal di Tamil Nadu, kawasan Golconda di Telangana dan Karnataka, wilayah India, serta di Samanalawewa dan Dehigaha Alakanda, wilayah Sri Lanka.^[52] Baja ini kemudian dikenal sebagai baja wootz, diproduksi di India Selatan sekitar abad ke-6 SM dan diekspor ke seluruh dunia.^[53][54] Teknologi baja ini sudah ada sebelum 326 SM di wilayah tersebut karena disebut dalam literatur Tamil Sangam, Arab, dan Latin sebagai baja terbaik di dunia yang diekspor ke dunia Romawi, Mesir, Tiongkok, dan Arab pada masa itu – yang mereka sebut besi Seric.^[55] Sebuah serikat dagang Tamil tahun 200 SM di Tissamaharama, di tenggara Sri Lanka, membawa serta sebagian artefak besi dan baja tertua beserta proses produksinya ke pulau itu dari periode klasik.^[56][57][58] Bangsa Tionghoa dan penduduk setempat di Anuradhapura, Sri Lanka, juga telah mengadopsi metode produksi baja wootz dari orang Tamil Dinasti Chera di India Selatan pada abad ke-5 M.^[59][60] Di Sri Lanka, metode pembuatan baja awal ini menggunakan tungku angin yang unik, digerakkan oleh angin muson, yang mampu menghasilkan baja berkarbon tinggi.^[61][62] Karena teknologi tersebut diperoleh dari orang Tamil di India Selatan,^[63] asal-usul teknologi baja di India dapat diperkirakan secara konservatif pada 400–500 SM.^[53][62]

Pembuatan baja wootz dan baja Damaskus, yang terkenal karena daya tahannya dan kemampuannya mempertahankan ketajaman, mungkin diambil oleh bangsa Arab dari Persia, yang mengambilnya dari India. Pada 327 SM, Alexander Agung diberi hadiah oleh Raja Porus yang telah dikalahkan, bukan dengan emas atau perak melainkan dengan 30 pon baja.^[64] Ahli alkimia Yunani Zosimos dari Panopolis membuktikan asal-usul India baja wootz, dengan menyatakan bahwa "orang India membuat pedang berkualitas tinggi dengan melebur besi lunak dalam kui."^[65] Sebuah studi terbaru berspekulasi bahwa nanotabung karbon termasuk dalam strukturnya, yang mungkin menjelaskan sebagian kualitas legendarisnya, meskipun, mengingat teknologi pada masa itu, kualitas tersebut dihasilkan secara kebetulan, bukan dengan rancangan.^[66] Angin alami digunakan, dengan tanah yang mengandung besi dipanaskan menggunakan kayu. Bangsa Sinhala kuno mampu mengekstraksi satu ton baja dari setiap 2 ton tanah,^[61] pencapaian yang luar biasa pada masa itu. Salah satu tungku semacam itu ditemukan di Samanalawewa dan para arkeolog mampu memproduksi baja seperti yang dilakukan orang-orang kuno.^[61][67]

Baja kui, yang dibentuk dengan memanaskan dan mendinginkan perlahan besi murni dan karbon (biasanya berupa arang) dalam kui, diproduksi di Merv pada abad ke-9 hingga ke-10 M.^[54] Pada abad ke-11, terdapat bukti produksi baja di Tiongkok masa Song menggunakan dua teknik: metode "berganesque" yang menghasilkan baja inferior dan tidak homogen, serta pendahulu proses Bessemer modern yang menggunakan dekarburisasi parsial melalui penempaan berulang di bawah hembusan dingin.^[68]

Modern

Sejak abad ke-17, langkah pertama dalam produksi baja Eropa adalah peleburan bijih besi menjadi besi kasar dalam tanur tinggi.^[69] Awalnya menggunakan arang, metode modern menggunakan kokas, yang terbukti lebih ekonomis.^{[70][halaman dibutuhkan][71][halaman dibutuhkan][72][halaman dibutuhkan]}

Proses yang bermula dari besi batangan

Dalam proses-proses ini, besi kasar yang dibuat dari bijih besi mentah dimurnikan (fined) dalam tempa pemurnian untuk menghasilkan besi batangan, yang kemudian digunakan dalam pembuatan baja.^[69]

Produksi baja dengan proses sementasi dijelaskan dalam sebuah risalah yang diterbitkan di Praha pada 1574 dan digunakan di Nürnberg sejak 1601. Proses serupa untuk pengerasan permukaan baju zirah dan kikir dijelaskan dalam sebuah buku yang diterbitkan di Napoli pada 1589. Proses ini diperkenalkan ke Inggris sekitar 1614 dan digunakan untuk memproduksi baja semacam itu oleh Sir Basil Brooke di Coalbrookdale pada tahun 1610-an.^[73]

Bahan baku untuk proses ini adalah batang besi. Pada abad ke-17, disadari bahwa baja terbaik berasal dari besi oregrounds dari sebuah wilayah di utara Stockholm, Swedia. Ini tetap menjadi sumber bahan baku yang lazim pada abad ke-19, hampir selama proses itu digunakan.^[74][75]

Baja kui adalah baja yang dilebur dalam kui dan bukan ditempa, sehingga hasilnya lebih homogen. Sebagian besar tungku sebelumnya tidak dapat mencapai suhu yang cukup tinggi untuk melebur baja. Industri baja kui awal modern lahir dari penemuan Benjamin Huntsman pada 1740-an. Baja lepuh (dibuat seperti di atas) dilebur dalam kui atau dalam tungku, dan (biasanya) dicor menjadi ingot.^{[75][76][halaman dibutuhkan]}

Proses yang bermula dari besi kasar

Era modern dalam pembuatan baja dimulai dengan diperkenalkannya proses Henry Bessemer pada 1855, dengan bahan baku berupa besi kasar.^[77] Metodenya memungkinkan ia memproduksi baja dalam jumlah besar dengan murah, sehingga baja lunak mulai digunakan untuk sebagian besar keperluan yang sebelumnya dipenuhi besi tempa.^[78] Proses Gilchrist-Thomas (atau proses Bessemer basa) merupakan penyempurnaan proses Bessemer, dengan melapisi konverter dengan bahan basa untuk menghilangkan fosfor.^[79]

Proses pembuatan baja lain pada abad ke-19 adalah proses Siemens-Martin, yang melengkapi proses Bessemer,^[75] yang awalnya terdiri dari peleburan bersama besi tempa bekas dengan besi kasar.^[80]

Metode produksi baja ini menjadi usang oleh proses Linz-Donawitz berupa pembuatan baja oksigen basa (BOS), yang dikembangkan pada 1952,^[81] dan metode pembuatan baja oksigen lainnya. Pembuatan baja oksigen basa lebih unggul daripada metode pembuatan baja sebelumnya karena oksigen yang dipompakan ke dalam tungku membatasi pengotor, terutama nitrogen, yang sebelumnya masuk dari udara yang digunakan,^[82] dan karena, dibandingkan proses hamparan terbuka, jumlah baja yang sama dari proses BOS diproduksi dalam seperdua belas waktu.^[81] Saat ini, tanur busur listrik (EAF) merupakan metode umum untuk mengolah ulang logam bekas guna membuat baja baru. Tanur ini juga dapat digunakan untuk mengubah besi kasar menjadi baja, tetapi menggunakan banyak energi listrik (sekitar 440 kWh per ton metrik), sehingga umumnya hanya ekonomis bila pasokan listrik murah melimpah.^[83]

Industri

Industri baja sering dianggap sebagai indikator kemajuan ekonomi, karena peran penting baja dalam infrastruktur dan pembangunan ekonomi secara keseluruhan.^[84] Pada 1980, terdapat lebih dari 500.000 pekerja baja di AS. Pada 2000, jumlah pekerja baja turun menjadi 224.000.^[85]

Ledakan ekonomi di Tiongkok dan India menyebabkan peningkatan besar permintaan baja. Antara 2000 dan 2005, permintaan baja dunia naik 6%. Sejak 2000, beberapa perusahaan baja India^[86] dan Tiongkok^[87] telah berekspansi untuk memenuhi permintaan, seperti Tata Steel, Baowu Steel, dan Ansteel Group. Hingga2025^[update], Baowu adalah produsen baja terbesar di dunia, disusul ArcelorMittal dan Nippon Steel.^[88]

Pada 2005, British Geological Survey menyatakan Tiongkok adalah produsen baja teratas dengan sekitar sepertiga pangsa dunia; Jepang, Rusia, dan Amerika Serikat berturut-turut berada di posisi kedua, ketiga, dan keempat, menurut survei tersebut.^[89] Pembuatan baja merupakan penyumbang besar perubahan iklim, menyumbang sekitar 7% emisi gas rumah kaca global per 2024.^[90] Cara potensial untuk mengurangi emisi meliputi penggantian metode produksi berbasis kokas dengan hidrogen, peningkatan daur ulang baja, dan penerapan teknologi penangkapan dan penyimpanan karbon.^[90]

Daur ulang

Baja adalah salah satu material yang paling banyak didaur ulang di dunia, dengan tingkat daur ulang lebih dari 60% secara global;^[6] di Amerika Serikat saja, lebih dari ^{[convert: nomor tidak sah]} didaur ulang pada 2008, dengan tingkat daur ulang keseluruhan 83%.^[91]

Karena lebih banyak baja diproduksi daripada yang dibuang, jumlah bahan baku daur ulang sekitar 40% dari total baja yang diproduksi – pada 2016, ^{[convert: nomor tidak sah]} baja mentah diproduksi secara global, dengan ^{[convert: nomor tidak sah]} didaur ulang.^[92]

Kontemporer

Karbon

Baja modern dibuat dengan berbagai kombinasi logam paduan untuk memenuhi banyak keperluan.^[23] Baja karbon, yang tersusun hanya dari besi dan karbon, menyumbang 90% produksi baja.^[8] Baja paduan rendah dipadukan dengan unsur lain, biasanya molibdenum, mangan, kromium, atau nikel, dalam jumlah hingga 10% berat untuk meningkatkan kemampuan keras penampang tebal.^[8] Baja paduan rendah berkekuatan tinggi memiliki penambahan kecil (biasanya kurang dari 2% berat) unsur lain, umumnya 1,5% mangan, untuk memberikan kekuatan tambahan dengan kenaikan harga yang wajar.^[93]

Regulasi corporate average fuel economy (CAFE) terbaru telah melahirkan varietas baja baru yang dikenal sebagai Advanced High Strength Steel (AHSS). Material ini kuat sekaligus ulet sehingga struktur kendaraan dapat mempertahankan tingkat keselamatannya saat ini dengan menggunakan material lebih sedikit. Terdapat beberapa mutu AHSS yang tersedia secara komersial, seperti baja dwifase, yang diberi perlakuan panas agar mengandung mikrostruktur feritik dan martensitik untuk menghasilkan baja berkekuatan tinggi yang mudah dibentuk.^[94] Baja Transformation Induced Plasticity (TRIP) melibatkan pemaduan dan perlakuan panas khusus untuk menstabilkan sejumlah austenit pada suhu ruang dalam baja feritik paduan rendah yang biasanya bebas austenit. Dengan pemberian regangan, austenit mengalami transisi fase menjadi martensit tanpa penambahan panas.^[95] Baja Twinning Induced Plasticity (TWIP) menggunakan jenis regangan tertentu untuk meningkatkan efektivitas pengerasan regang pada paduan.^[96]

Baja karbon sering digalvanisasi, melalui celup panas atau pelapisan listrik dengan seng untuk perlindungan terhadap karat.^[97]

Paduan

Baja nirkarat mengandung minimal 11% kromium, sering dikombinasikan dengan nikel, untuk menahan korosi. Beberapa baja nirkarat, seperti baja nirkarat feritik, bersifat magnetik, sedangkan yang lain, seperti austenitik, bersifat nonmagnetik.^[98] Baja tahan korosi disingkat CRES.^[99]

Baja paduan adalah baja karbon biasa yang ditambahkan sedikit unsur paduan seperti kromium dan vanadium. Beberapa baja yang lebih modern meliputi baja perkakas, yang dipadukan dengan tungsten dan kobalt dalam jumlah besar atau unsur lain untuk memaksimalkan pengerasan larutan. Hal ini juga memungkinkan penggunaan pengerasan presipitasi dan meningkatkan ketahanan suhu paduan.^[8] Baja perkakas umumnya digunakan pada kapak, bor, dan perangkat lain yang membutuhkan mata potong tajam dan tahan lama. Paduan serba guna khusus lainnya meliputi baja tahan cuaca seperti Cor-ten, yang melapuk dengan memperoleh permukaan berkarat yang stabil, sehingga dapat digunakan tanpa dicat.^[100] Baja maraging dipadukan dengan nikel dan unsur lain, tetapi tidak seperti kebanyakan baja, mengandung sedikit karbon (0,01%). Hal ini menghasilkan baja yang sangat kuat namun tetap dapat ditempa.^[101]

Baja Eglin menggunakan kombinasi lebih dari selusin unsur berbeda dalam jumlah bervariasi untuk membuat baja berbiaya relatif rendah yang digunakan pada senjata bunker buster. Baja Hadfield, dinamai menurut Robert Hadfield, atau baja mangan, mengandung 12–14% mangan yang, ketika terabrasi, mengeras regang membentuk kulit yang sangat keras yang tahan aus. Penggunaan paduan khusus ini meliputi trek tank, tepi bilah buldoser, dan bilah pemotong pada jaws of life.^[102]

Standar

Sebagian besar paduan baja yang lebih umum digunakan dikategorikan ke dalam berbagai mutu oleh organisasi standar. Misalnya, Society of Automotive Engineers memiliki serangkaian mutu yang mendefinisikan banyak jenis baja.^[103] American Society for Testing and Materials memiliki serangkaian standar tersendiri, yang mendefinisikan paduan seperti baja A36, baja struktural yang paling umum digunakan di Amerika Serikat.^[104] JIS juga mendefinisikan serangkaian mutu baja^[105] yang digunakan secara luas di Jepang dan negara-negara sekitarnya.^[106]

Penggunaan

Berkas:Steel-wool.JPG

Besi dan baja digunakan secara luas dalam pembangunan jalan, rel kereta api, infrastruktur lain, peralatan, dan bangunan. Sebagian besar struktur modern berukuran besar, seperti stadion dan pencakar langit, jembatan, dan bandara, ditopang oleh rangka baja. Bahkan yang berstruktur beton pun menggunakan baja untuk penulangan. Baja digunakan secara luas pada peralatan rumah tangga besar dan mobil. Meskipun penggunaan aluminium meningkat, baja tetap menjadi bahan utama bodi mobil. Baja digunakan dalam berbagai bahan konstruksi lain, seperti baut, paku, dan sekrup, serta produk rumah tangga dan peralatan memasak lainnya.^[107]

Aplikasi umum lainnya meliputi perkapalan,^[108] pipa, pertambangan, konstruksi lepas pantai, kedirgantaraan, barang putih (misalnya mesin cuci), alat berat seperti buldoser, furnitur kantor, wol baja, perkakas,^[109][110] dan baju zirah dalam bentuk rompi dan helm pelindung pribadi^[111] atau lapis baja kendaraan (lebih dikenal sebagai rolled homogeneous armour dalam peran ini).^[112]

Historis

Sebelum diperkenalkannya proses Bessemer dan teknik produksi modern lainnya, baja mahal dan hanya digunakan jika tidak ada alternatif yang lebih murah, terutama untuk mata pisau, pisau cukur, pedang, dan benda lain yang memerlukan tepi keras dan tajam. Baja juga digunakan untuk pegas, termasuk yang digunakan pada jam dinding dan jam tangan.^[75]

Dengan munculnya metode produksi yang lebih cepat dan murah, baja menjadi lebih mudah diperoleh dan jauh lebih murah. Baja telah menggantikan besi tempa untuk berbagai keperluan. Namun, tersedianya plastik pada paruh akhir abad ke-20 memungkinkan bahan-bahan ini menggantikan baja pada sejumlah aplikasi karena biaya fabrikasi dan bobotnya yang lebih rendah.^[113] Serat karbon menggantikan baja pada aplikasi berbasis penguatan karena nilai modulus-nya yang tinggi (hingga 5 kali lebih tinggi daripada baja), tetapi harganya yang mahal menjadi penghalang bagi penggunaan luas di bidang transportasi.^[114]

Produk panjang

• Sebagai batang dan jaring tulangan pada beton bertulang^[115]
• Rel kereta api^[116]
• Baja struktural pada bangunan dan jembatan modern^[117]
• Kawat^[118]
• Bahan masukan untuk aplikasi penempaan ulang^[119]

Karbon datar

• Peralatan rumah tangga besar^[120]
• Inti magnetik^[121]
• Bagian dalam dan luar bodi mobil,^[122] kereta,^[122] dan kapal.^[123]

Tahan cuaca (COR-TEN)

• Kontainer intermodal^[124]
• Patung luar ruangan^[125]
• Arsitektur^[126]

Nirkarat

Latar belakang rendah

Baja yang diproduksi setelah Perang Dunia II tercemar radionuklida, karena produksi baja menggunakan udara, dan atmosfer tercemar debu radioaktif yang dihasilkan oleh uji coba senjata nuklir. Baja latar belakang rendah, yaitu baja yang diproduksi sebelum 1945, digunakan untuk aplikasi tertentu yang peka terhadap radiasi seperti pencacah Geiger dan perisai radiasi.^[135]

Lihat pula

• Portal Kimia

Referensi

Bibliografi

• Ashby, Michael F.; Jones, David Rayner Hunkin (1992b). An introduction to microstructures, processing and design. Butterworth-Heinemann.
• Barraclough, K. C. (1984). Steel before Bessemer. Vol. I, Blister Steel: The Birth of an Industry. London: Metals Society.
• Barraclough, K. C. (1984). Steel Before Bessemer. Vol. II, Crucible Steel: The Growth of Technology. London: Metals Society.
• Bugayev, K.; Konovalov, Y.; Bychkov, Y.; Tretyakov, E.; Savin, Ivan V. (2001). Iron and Steel Production. Minerva Group. ISBN 978-0-89499-109-7.
• Davidson, H. R. Ellis (1994). The Sword in Anglo-Saxon England: Its Archaeology and Literature. Woodbridge, Suffolk: Boydell Press. ISBN 0-85115-355-0.
• Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materials and Processes in Manufacturing (Edisi 9th). Wiley. ISBN 0-471-65653-4.
• Fruehan, R. J.; Wakelin, David H. (1998). The Making, Shaping, and Treating of Steel (Edisi 11th). Pittsburgh: AISE Steel Foundation. ISBN 0-930767-03-9.
• Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006). Foundations of Materials Science and Engineering (Edisi 4th). McGraw-Hill. ISBN 0-07-295358-6.

Bacaan lanjutan

• Reutter, Mark (2005). Making Steel: Sparrows Point and the Rise and Ruin of American Industrial Might. University of Illinois Press. ISBN 978-0-252-07233-8.
• Burn, Duncan (1961). The Economic History of Steelmaking, 1867–1939: A Study in Competition. Cambridge University Press. Diarsipkan dari asli tanggal 26 Juli 2012 – via Questia.
• Hasegawa, Harukiyu (1996). The Steel Industry in Japan: A Comparison with Britain. Routledge. Diarsipkan dari asli tanggal 18 April 2012 – via Questia.{{cite book}}: Pemeliharaan CS1: Tanggal diterjemahkan otomatis (link)
• Carr, J. C.; Taplin, W. (1962). History of the British Steel Industry. Harvard University Press. Diarsipkan dari asli tanggal 29 Juli 2012 – via Questia.
• Scamehorn, H. Lee (1992). Mill & Mine: The CF&I in the Twentieth Century. University of Nebraska Press. Diarsipkan dari asli tanggal 26 Juli 2012 – via Questia.
• Verein Deutscher Eisenhüttenleute, ed. (1992). Steel: A Handbook for Materials Research and Engineering. Vol. 1: Fundamentals. Berlin, Heidelberg / Düsseldorf: Springer-Verlag / Verlag Stahleisen. ISBN 3-540-52968-3.
• Verein Deutscher Eisenhüttenleute, ed. (1993). Steel: A Handbook for Materials Research and Engineering. Vol. 2: Applications. Berlin, Heidelberg / Düsseldorf: Springer-Verlag / Verlag Stahleisen. ISBN 3-540-54075-X.
• Verhoeven, John D. (2007). Metallurgy for the Non-Metallurgist. ASM International. ISBN 9781615030569.
• Warren, Kenneth (2001). Big Steel: The First Century of the United States Steel Corporation, 1901–2001. University of Pittsburgh Press. Diarsipkan dari asli tanggal 1 Mei 2010.

Pranala luar

Cari tahu mengenai Baja pada proyek-proyek Wikimedia lainnya:
	Definisi dan terjemahan dari Wiktionary
	Gambar dan media dari Commons
	Berita dari Wikinews
	Kutipan dari Wikiquote
	Teks sumber dari Wikisource
	Buku dari Wikibuku
	Entri basisdata #Q11427 di Wikidata

• Situs web resmi World Steel Association (WorldSteel.org)
  • SteelUniversity.org – sumber pendidikan baja daring, inisiatif World Steel Association
• MATDAT Database of Properties of Unalloyed, Low-Alloy and High-Alloy Steels – diperoleh dari hasil pengujian material yang dipublikasikan

Templat:Iron and steel production Templat:Recycling