Logam paduan

Paduan adalah campuran unsur kimia yang dalam kebanyakan kasus setidaknya salah satunya merupakan unsur logam, meskipun istilah ini terkadang juga digunakan untuk campuran unsur; dalam artikel ini hanya paduan logam yang dibahas. Paduan logam sering kali memiliki sifat yang berbeda dari unsur-unsur murni penyusunnya. Sebagian besar logam yang digunakan untuk keperluan komersial dipadukan untuk meningkatkan sifat atau perilakunya, seperti meningkatkan kekuatan, kekerasan, atau ketahanan terhadap korosi. Logam juga dapat dipadukan untuk mengurangi biaya keseluruhannya, misalnya paduan emas dan tembaga.

Dalam suatu paduan, atom-atom bergabung melalui ikatan logam, bukan melalui ikatan kovalen yang biasanya ditemukan dalam senyawa kimia.^[1] Konstituen paduan biasanya dinyatakan sebagai persentase massa untuk penerapan praktis, dan sebagai fraksi atom untuk penelitian ilmu dasar. Paduan biasanya diklasifikasikan sebagai paduan substitusi atau paduan interstisial, bergantung pada susunan atom yang membentuk paduan tersebut. Paduan selanjutnya dapat diklasifikasikan sebagai homogen (terdiri dari satu fase), heterogen (terdiri dari dua fase atau lebih), atau intermetalik. Suatu paduan dapat berupa larutan padat unsur-unsur logam (satu fase, dengan semua butir (kristal) logam memiliki komposisi yang sama) atau berupa campuran fase logam (dua larutan atau lebih yang membentuk mikrostruktur dari kristal-kristal berbeda di dalam logam).

Contoh paduan meliputi emas merah (emas dan tembaga), emas putih (emas dan perak), perak sterling (perak dan tembaga), baja atau baja silikon (besi dengan karbon atau silikon nonlogam), solder, kuningan, timah putih, duralumin, perunggu, dan amalgam. Paduan digunakan dalam berbagai macam penerapan, mulai dari paduan baja yang digunakan dalam segala hal, dari bangunan hingga mobil dan peralatan bedah, hingga paduan titanium khusus yang digunakan dalam industri dirgantara, serta paduan tembaga-berilium untuk perkakas yang tidak menimbulkan percikan api.

Karakteristik

Paduan adalah campuran unsur kimia yang membentuk zat tidak murni (campuran) yang mempertahankan karakteristik suatu logam. Paduan dibuat dengan mencampurkan dua unsur atau lebih, setidaknya salah satunya merupakan logam. Unsur tersebut biasanya disebut logam utama atau logam dasar, dan nama logam ini juga dapat menjadi nama paduannya. Konstituen lainnya dapat berupa logam ataupun bukan, tetapi ketika dicampurkan dengan logam dasar cair, konstituen tersebut akan larut dan terlarut dalam campuran.^[2]

Sifat mekanis paduan sering kali sangat berbeda dari sifat masing-masing konstituennya. Logam yang biasanya sangat lunak ([[ulet]), seperti aluminium, dapat diubah dengan memadukannya dengan logam lunak lainnya, seperti tembaga. Meskipun kedua logam tersebut sangat lunak dan ulet, paduan aluminium–tembaga yang dihasilkan memiliki kekuatan yang jauh lebih besar.^[3] Penambahan sejumlah kecil karbon nonlogam ke besi menukar keuletannya yang tinggi dengan kekuatan yang lebih besar pada paduan yang disebut baja. Karena kekuatannya yang sangat tinggi, tetapi tetap memiliki ketangguhan yang besar, serta kemampuannya untuk banyak diubah melalui perlakuan panas, baja merupakan salah satu paduan yang paling berguna dan umum digunakan pada zaman modern. Dengan menambahkan kromium ke baja, ketahanannya terhadap korosi dapat ditingkatkan sehingga menghasilkan baja tahan karat,^[4] sedangkan penambahan silikon akan mengubah karakteristik listriknya sehingga menghasilkan baja silikon.^[5]

Seperti minyak dan air, logam cair mungkin tidak selalu dapat bercampur dengan unsur lainnya. Misalnya, litium, magnesium, atau perak hampir sepenuhnya tidak larut dalam besi murni.^[6] Bahkan ketika konstituen dapat larut, masing-masing biasanya memiliki titik jenuh, yang jika terlampaui tidak ada lagi konstituen yang dapat ditambahkan. Besi, misalnya, dapat menahan karbon secara stabil hingga maksimum 6,67%, membentuk senyawa yang disebut sementit.^[7]

Meskipun unsur-unsur suatu paduan biasanya harus dapat larut dalam keadaan cair, unsur-unsur tersebut belum tentu selalu dapat larut dalam keadaan padat. Jika logam-logam tersebut tetap dapat larut ketika padat, paduan membentuk larutan padat, menjadi struktur homogen yang terdiri dari kristal-kristal identik, yang disebut suatu fase.^[8] Jika ketika campuran mendingin konstituen menjadi tidak larut, konstituen tersebut dapat terpisah untuk membentuk dua atau lebih jenis kristal yang berbeda, sehingga menciptakan mikrostruktur heterogen dari fase-fase berbeda, beberapa di antaranya memiliki lebih banyak salah satu konstituen daripada konstituen lainnya. Namun, pada paduan lainnya, unsur-unsur yang tidak larut mungkin tidak terpisah hingga setelah kristalisasi terjadi. Jika didinginkan dengan sangat cepat, unsur-unsur tersebut pertama-tama mengkristal sebagai fase homogen, tetapi menjadi jenuh berlebih dengan konstituen sekunder. Seiring berjalannya waktu, atom-atom dari paduan yang jenuh berlebih ini dapat terpisah dari kisi kristal, menjadi lebih stabil, dan membentuk fase kedua yang berfungsi memperkuat kristal dari dalam.^[9]

Beberapa paduan, seperti elektrum—paduan perak dan emas—terjadi secara alami.^[10] Meteorit terkadang tersusun dari paduan besi dan nikel yang terjadi secara alami, tetapi bukan merupakan logam asli Bumi.^[11] Salah satu paduan pertama yang dibuat manusia adalah perunggu, yang merupakan campuran logam timah dan tembaga. Perunggu merupakan paduan yang sangat berguna bagi masyarakat kuno karena jauh lebih kuat dan keras daripada kedua komponennya.^[12] Baja merupakan paduan umum lainnya. Namun, pada zaman dahulu baja hanya dapat dibuat sebagai produk sampingan yang tidak disengaja dari pemanasan bijih besi dalam api (peleburan) selama pembuatan besi.^[13] Paduan kuno lainnya meliputi timah putih,^[14] kuningan,^[15] dan besi kasar.^[16]

Pada zaman modern, baja dapat dibuat dalam banyak bentuk. Baja karbon dapat dibuat hanya dengan mengubah kandungan karbon, menghasilkan paduan lunak seperti baja lunak atau paduan keras seperti baja pegas. Baja paduan dapat dibuat dengan menambahkan unsur lain, seperti kromium, molibdenum, vanadium, atau nikel, yang menghasilkan paduan seperti baja kecepatan tinggi atau baja perkakas. Sejumlah kecil mangan biasanya dipadukan dengan sebagian besar baja modern karena kemampuannya menghilangkan pengotor yang tidak diinginkan, seperti fosfor, sulfur, dan oksigen, yang dapat memberikan dampak merugikan pada paduan.^[17] Namun, sebagian besar paduan baru dibuat pada tahun 1900-an, seperti berbagai paduan aluminium, titanium, nikel, dan paduan magnesium.^[18] Beberapa superpaduan modern, seperti incoloy, inconel, dan hastelloy, dapat terdiri dari banyak unsur yang berbeda.^[19]

Secara teknis, paduan adalah logam tidak murni, tetapi ketika membahas paduan, istilah pengotor biasanya mengacu pada unsur yang tidak diinginkan. Pengotor tersebut berasal dari logam dasar dan unsur paduan, tetapi dihilangkan selama pemrosesan. Misalnya, sulfur merupakan pengotor umum dalam baja. Sulfur mudah bergabung dengan besi membentuk besi sulfida, yang sangat rapuh dan menciptakan titik lemah dalam baja.^[20] Litium, natrium dan kalsium merupakan pengotor umum dalam paduan aluminium, yang dapat berdampak buruk terhadap integritas struktural hasil coran. Sebaliknya, logam yang sebenarnya murni tetapi mengandung pengotor yang tidak diinginkan sering disebut "logam tidak murni" dan biasanya tidak disebut sebagai paduan. Logam tidak murni seperti besi cor atau besi tempa memiliki pengendalian yang lebih rendah, tetapi sering dianggap berguna.^[21]

Oksigen yang terdapat di udara mudah bergabung dengan sebagian besar logam untuk membentuk oksida logam, terutama pada suhu tinggi yang dijumpai selama proses paduan. Bergantung pada paduannya, hal ini pada akhirnya dapat menyebabkan kegagalan komponen yang sedang diproduksi.^[22] Perhatian besar sering diberikan selama proses paduan untuk menghilangkan pengotor berlebih, dengan menggunakan fluks, bahan tambahan kimia, atau metode metalurgi ekstraktif lainnya.^[23]

Teori

Paduan logam dilakukan dengan menggabungkannya dengan satu atau lebih unsur lainnya. Proses paduan yang paling umum dan tertua dilakukan dengan memanaskan logam dasar melewati titik lelehnya dan kemudian melarutkan zat terlarut ke dalam cairan leleh tersebut, yang mungkin dilakukan bahkan jika titik leleh zat terlarut jauh lebih tinggi daripada logam dasar. Misalnya, dalam keadaan cair, titanium merupakan pelarut yang sangat kuat yang mampu melarutkan sebagian besar logam dan unsur. Selain itu, titanium mudah menyerap gas seperti oksigen dan terbakar jika terdapat nitrogen. Hal ini meningkatkan kemungkinan kontaminasi dari permukaan apa pun yang bersentuhan dengannya, sehingga titanium harus dilelehkan dalam pemanasan induksi vakum dan krusibel tembaga khusus yang didinginkan dengan air.^[24]

Karbon memiliki titik leleh yang sangat tinggi dan hanya dapat dilelehkan pada tekanan atmosfer yang tinggi,^[25] sehingga peradaban kuno tidak mungkin menggabungkannya dengan besi sebagai zat terlarut cair. Namun, paduan (khususnya paduan interstisial) dapat dilakukan dengan satu atau lebih konstituen dalam keadaan gas, seperti yang terjadi dalam tanur tinggi untuk membuat besi kasar (cair-gas), nitridasi, karbonitridasi, atau bentuk pengerasan permukaan lainnya (padat-gas),^[26] atau proses sementasi yang digunakan untuk membuat baja blister (padat-gas).^[27] Proses ini juga dapat dilakukan dengan satu, beberapa, atau seluruh konstituen dalam keadaan padat, seperti pada metode kuno pengelasan pola (padat-padat), baja geser (padat-padat), atau produksi baja krusibel (padat-cair), dengan mencampurkan unsur-unsurnya melalui difusi keadaan padat.^[28]

Dengan menambahkan unsur lain ke suatu logam, perbedaan ukuran atom menciptakan tegangan internal dalam kisi kristal logam; tegangan yang sering meningkatkan sifat-sifatnya. Misalnya, kombinasi karbon dengan besi tempa menghasilkan baja yang lebih kuat daripada besi, unsur utamanya.^[29] Konduktivitas listrik dan konduktivitas termal paduan biasanya lebih rendah daripada logam murni.^[30] Sifat fisik, seperti massa jenis, reaktivitas, dan modulus Young suatu paduan mungkin tidak berbeda jauh dari unsur dasarnya, tetapi sifat rekayasa seperti kekuatan tarik,^[31] keuletan, dan kekuatan geser dapat sangat berbeda dari bahan penyusunnya. Hal ini terkadang merupakan akibat dari ukuran atom dalam paduan, karena atom yang lebih besar memberikan gaya tekan pada atom-atom tetangganya, sedangkan atom yang lebih kecil memberikan gaya tarik pada atom-atom tetangganya,^[32] sehingga membantu paduan menahan deformasi. Terkadang paduan dapat menunjukkan perbedaan perilaku yang nyata meskipun hanya terdapat sejumlah kecil salah satu unsur. Misalnya, pengotor dalam paduan feromagnetik semikonduktor menghasilkan sifat yang berbeda, seperti yang pertama kali diprediksi oleh White, Hogan, Suhl, Tian Abrie, dan Nakamura.^[33][34]

Berbeda dengan logam murni, sebagian besar paduan tidak memiliki satu titik leleh, melainkan rentang leleh ketika bahan merupakan campuran fase padat dan cair (bubur). Suhu ketika pelelehan dimulai disebut solidus, dan suhu ketika pelelehan tepat selesai disebut liquidus.^[35] Untuk banyak paduan terdapat proporsi paduan tertentu (dalam beberapa kasus lebih dari satu), yang disebut campuran eutektik atau komposisi peritektik, yang memberikan paduan tersebut titik leleh yang unik dan rendah, tanpa transisi bubur cair/padat.^[36][37]

Perlakuan panas

Unsur paduan ditambahkan ke logam dasar untuk menghasilkan kekerasan, ketangguhan, keuletan, atau sifat lain yang diinginkan. Banyak logam dan paduan dapat dikeraskan melalui pengerjaan dengan menciptakan cacat dalam struktur kristalnya. Cacat ini tercipta selama deformasi plastis melalui pemukulan, pembengkokan, ekstrusi, dan sebagainya, serta bersifat permanen kecuali logam tersebut mengalami rekristalisasi.^[38] Sebaliknya, beberapa paduan juga dapat mengalami perubahan sifat melalui perlakuan panas. Hampir semua logam dapat dilunakkan melalui anil, yang merekristalisasi paduan dan memperbaiki cacat, tetapi tidak sebanyak itu yang dapat dikeraskan melalui pemanasan dan pendinginan terkontrol.^[39] Banyak paduan aluminium, tembaga, magnesium, titanium, dan nikel dapat diperkuat hingga tingkat tertentu dengan metode perlakuan panas, tetapi hanya sedikit yang merespons perlakuan tersebut dengan tingkat yang sama seperti baja.^[40]

Logam dasar besi dari paduan besi-karbon yang dikenal sebagai baja mengalami perubahan susunan (alotropi) atom-atom dalam matriks kristalnya pada suhu tertentu (biasanya 820 °C (1.500 °F) atau lebih, bergantung pada kandungan karbon).^[41] Hal ini memungkinkan atom karbon yang lebih kecil memasuki celah-celah kristal besi. Ketika difusi ini terjadi, atom karbon dikatakan berada dalam larutan di dalam besi, membentuk fase kristalin tunggal dan homogen tertentu yang disebut austenit. Jika baja didinginkan secara perlahan, karbon dapat berdifusi keluar dari besi dan secara bertahap kembali ke alotrop suhu rendahnya. Selama pendinginan lambat, atom karbon tidak lagi terlalu larut dalam besi dan akan dipaksa mengendap dari larutan, mengalami nukleasi menjadi bentuk besi karbida (Fe₃C) yang lebih terkonsentrasi di ruang-ruang antara kristal besi murni. Baja kemudian menjadi heterogen karena tersusun dari dua fase, yaitu fase besi-karbon yang disebut sementit (atau karbida) dan ferit besi murni.^[42] Perlakuan panas tersebut menghasilkan baja yang cukup lunak. Namun, jika baja didinginkan dengan cepat, atom karbon tidak memiliki waktu untuk berdifusi dan mengendap sebagai karbida, tetapi akan terperangkap di dalam kristal besi. Ketika didinginkan dengan cepat, terjadi transformasi tanpa difusi (martensitik), di mana atom karbon terperangkap dalam larutan. Hal ini menyebabkan kristal besi mengalami deformasi ketika struktur kristal berusaha berubah menuju keadaan suhu rendahnya, sehingga kristal menjadi sangat keras tetapi jauh kurang ulet (lebih rapuh).^[43]

Sementara kekuatan tinggi baja dihasilkan ketika difusi dan presipitasi dicegah (membentuk martensit), sebagian besar paduan yang dapat diberi perlakuan panas merupakan paduan pengerasan presipitasi, yang bergantung pada difusi unsur paduan untuk mencapai kekuatannya. Ketika dipanaskan untuk membentuk larutan kemudian didinginkan dengan cepat, paduan-paduan ini menjadi jauh lebih lunak daripada keadaan normal selama transformasi tanpa difusi, tetapi kemudian mengeras seiring mengalami penuaan.^[44] Zat terlarut dalam paduan ini akan mengendap seiring waktu, membentuk fase intermetalik,^[45] yang sulit dibedakan dari logam dasarnya. Tidak seperti baja, yang larutan padatnya terpisah menjadi fase kristal yang berbeda (karbida dan ferit), paduan pengerasan presipitasi membentuk fase-fase berbeda di dalam kristal yang sama. Paduan intermetalik ini tampak homogen dalam struktur kristalnya, tetapi cenderung berperilaku heterogen, menjadi keras dan agak rapuh.^[40]

Pada 1906, paduan pengerasan presipitasi ditemukan oleh Alfred Wilm. Paduan pengerasan presipitasi, seperti paduan aluminium, titanium, dan tembaga tertentu, merupakan paduan yang dapat diberi perlakuan panas yang melunak ketika dikuens (didinginkan dengan cepat), kemudian mengeras seiring waktu.^[46] Wilm sedang mencari cara untuk mengeraskan paduan aluminium agar dapat digunakan pada selongsong peluru senapan mesin. Mengetahui bahwa paduan aluminium-tembaga dapat diberi perlakuan panas hingga tingkat tertentu, Wilm mencoba melakukan kuenching terhadap paduan terner aluminium, tembaga, dan tambahan magnesium, tetapi pada awalnya kecewa dengan hasilnya. Namun, ketika Wilm menguji ulang paduan tersebut keesokan harinya, ia menemukan bahwa kekerasannya meningkat ketika dibiarkan mengalami penuaan pada suhu kamar, dan hasilnya jauh melampaui harapannya. Meskipun penjelasan mengenai fenomena tersebut baru diberikan pada 1919, duralumin merupakan salah satu paduan "pengerasan usia" pertama yang digunakan, menjadi bahan bangunan utama untuk Zeppelin pertama dan segera diikuti oleh banyak paduan lainnya.^[47] Karena sering menunjukkan kombinasi kekuatan tinggi dan bobot rendah, paduan-paduan ini digunakan secara luas dalam berbagai bentuk industri, termasuk konstruksi pesawat terbang modern.^[48]

Mekanisme

Ketika logam cair dicampur dengan zat lain, terdapat dua mekanisme yang dapat menyebabkan terbentuknya paduan, yang disebut pertukaran atom dan mekanisme interstisial. Ukuran relatif setiap unsur dalam campuran memainkan peran utama dalam menentukan mekanisme yang terjadi. Ketika atom-atom memiliki ukuran yang relatif sama, biasanya terjadi metode pertukaran atom, yaitu sebagian atom yang menyusun kristal logam digantikan oleh atom dari konstituen lainnya. Ini disebut paduan substitusi. Contoh paduan substitusi adalah perunggu dan kuningan, yang masing-masing memiliki sebagian atom tembaga yang digantikan oleh atom timah atau seng.^[49]

Dalam kasus mekanisme interstisial, salah satu atom biasanya jauh lebih kecil daripada atom lainnya dan tidak dapat menggantikan jenis atom lainnya secara efektif di dalam kristal logam dasar. Sebaliknya, atom yang lebih kecil terperangkap dalam situs interstisial di antara atom-atom matriks kristal. Ini disebut paduan interstisial. Baja merupakan contoh paduan interstisial karena atom karbon yang sangat kecil dapat masuk ke dalam celah-celah matriks besi.^[49]

Baja tahan karat merupakan contoh kombinasi paduan interstisial dan substitusi, karena atom karbon masuk ke dalam celah interstisial, sedangkan sebagian atom besi digantikan oleh atom nikel dan kromium.^[40]

Sejarah dan contoh

Besi meteorit

Penggunaan paduan oleh manusia dimulai dengan penggunaan besi meteorit, suatu paduan alami nikel dan besi. Besi meteorit merupakan konstituen utama meteorit besi. Karena tidak ada proses metalurgi yang digunakan untuk memisahkan besi dari nikel, paduan tersebut digunakan sebagaimana adanya.^[50] Besi meteorit dapat ditempa dari keadaan merah-panas untuk membuat benda seperti perkakas, senjata, dan paku. Dalam banyak kebudayaan, besi tersebut dibentuk dengan penempaan dingin menjadi pisau dan mata panah. Besi meteorit sering digunakan sebagai landasan tempa. Besi meteorit sangat langka dan berharga serta sulit dikerjakan oleh manusia pada zaman kuno.^[51]

Perunggu dan kuningan

Besi biasanya ditemukan di Bumi sebagai bijih besi, kecuali satu endapan besi asli di Greenland, yang digunakan oleh Inuit.^[52] Namun, tembaga asli ditemukan di seluruh dunia, bersama dengan perak, emas, dan platina, yang juga digunakan untuk membuat perkakas, perhiasan, dan benda-benda lainnya sejak zaman Neolitikum. Tembaga merupakan yang paling keras di antara logam-logam tersebut dan juga yang paling tersebar luas. Tembaga menjadi salah satu logam terpenting bagi masyarakat kuno. Mulai sekitar 10.000 tahun yang lalu di dataran tinggi Anatolia (Turki), manusia belajar melebur logam seperti tembaga^[53] dan timah dari bijih. Paduan perunggu awal menggunakan tembaga dan arsenik, tetapi arsenik bersifat beracun bagi pekerja logam. Sekitar 2500 SM, manusia mulai memadukan timah dan tembaga untuk membentuk perunggu, yang jauh lebih keras daripada bahan penyusunnya.^[54] Namun, timah merupakan logam langka yang sebagian besar ditemukan di Britania Raya.

Di Timur Tengah, manusia mulai memadukan tembaga dengan seng untuk membentuk kuningan.^[55] Peradaban kuno memperhitungkan campuran dan berbagai sifat yang dihasilkannya, seperti kekerasan, ketangguhan, dan titik leleh, dalam berbagai kondisi suhu dan pengerasan regangan, serta mengembangkan banyak informasi yang terdapat dalam modern diagram fasa paduan.^[56] Misalnya, mata panah dari dinasti Qin Tiongkok (sekitar 200 SM) sering dibuat dengan kepala perunggu keras dan tangkai perunggu yang lebih lunak, yang menggabungkan kedua paduan untuk mencegah mata menjadi tumpul maupun patah saat digunakan.^[57]

Amalgam

Merkuri telah diekstraksi dari sinabar selama ribuan tahun. Merkuri melarutkan banyak logam, seperti emas, perak, dan timah, untuk membentuk amalgam (paduan dalam bentuk pasta lunak atau cair pada suhu lingkungan). Amalgam telah digunakan sejak 200 SM di Tiongkok untuk penyepuhan benda seperti zirah dan cermin dengan logam mulia. Bangsa Romawi kuno sering menggunakan amalgam merkuri-timah untuk menyepuh zirah mereka. Amalgam diaplikasikan sebagai pasta kemudian dipanaskan hingga merkuri menguap, meninggalkan emas, perak, atau timah.^[58] Merkuri sering digunakan dalam pertambangan untuk mengekstraksi logam mulia seperti emas dan perak dari bijihnya.^[59]

Logam mulia

Banyak peradaban kuno memadukan logam hanya untuk tujuan estetika. Di Mesir kuno dan Mykenai, emas sering dipadukan dengan tembaga untuk menghasilkan emas merah, atau dengan besi untuk menghasilkan emas berwarna merah anggur cerah. Emas sering ditemukan dipadukan dengan perak atau logam lainnya untuk menghasilkan berbagai jenis emas berwarna. Logam-logam ini juga digunakan untuk memperkuat satu sama lain demi tujuan yang lebih praktis. Tembaga sering ditambahkan ke perak untuk membuat perak sterling, sehingga meningkatkan kekuatannya untuk digunakan pada piring, peralatan makan, dan benda praktis lainnya.^[60]

Cukup sering, logam mulia dipadukan dengan zat yang kurang berharga sebagai cara untuk menipu pembeli.^[60] Sekitar 250 SM, Archimedes ditugaskan oleh Raja Sirakusa untuk menemukan cara memeriksa kemurnian emas dalam sebuah mahkota, yang menghasilkan seruan terkenal "Eureka!" di pemandian setelah ditemukannya prinsip Archimedes.^[61]

Timah putih

Istilah timah putih mencakup berbagai paduan yang terutama terdiri dari timah. Sebagai logam murni, timah terlalu lunak untuk digunakan dalam sebagian besar keperluan praktis. Namun, selama Zaman Perunggu, timah merupakan logam langka di banyak wilayah Eropa dan Mediterania serta secara strategis penting sebagai unsur paduan untuk membuat perunggu.^[62] Untuk membuat perhiasan, peralatan makan, atau benda lain dari timah, para pekerja biasanya memadukannya dengan logam lain untuk meningkatkan kekuatan dan kekerasannya. Logam-logam tersebut biasanya adalah timbal, antimon, bismut, atau tembaga.^[63] Zat terlarut ini terkadang ditambahkan secara individual dalam jumlah yang berbeda-beda, atau ditambahkan secara bersama-sama, menghasilkan beragam benda, mulai dari barang praktis seperti piring, peralatan bedah, tempat lilin, atau corong, hingga benda dekoratif seperti anting-anting dan jepit rambut.

Contoh timah putih paling awal berasal dari Mesir kuno, sekitar 1450 SM. Penggunaan timah putih tersebar luas di Eropa, dari Prancis hingga Norwegia dan Britania (tempat sebagian besar timah kuno ditambang) hingga Timur Dekat.^[64] Paduan ini juga digunakan di Tiongkok dan Timur Jauh, dan tiba di Jepang sekitar 800 M, tempat paduan ini digunakan untuk membuat benda seperti wadah upacara, wadah teh, atau piala yang digunakan di kuil Shinto.^[65]

Besi

Peleburan besi pertama yang diketahui dimulai di Anatolia, sekitar 1800 SM. Disebut proses bloomery, proses ini menghasilkan besi tempa yang sangat lunak tetapi ulet. Pada 800 SM, teknologi pembuatan besi telah menyebar ke Eropa dan tiba di Jepang sekitar 700 M. Besi kasar, paduan besi dan karbon yang sangat keras tetapi rapuh, telah diproduksi di Tiongkok sejak sekitar 1200 SM, tetapi baru tiba di Eropa pada Abad Pertengahan. Besi kasar memiliki titik leleh lebih rendah daripada besi dan digunakan untuk membuat besi cor. Namun, logam-logam ini hanya memiliki sedikit kegunaan praktis hingga diperkenalkannya baja krusibel sekitar 300 SM.^[56]

Baja-baja ini memiliki mutu rendah, dan pengenalan pengelasan pola, sekitar abad ke-1 M, berupaya menyeimbangkan sifat ekstrem paduan dengan melaminasinya untuk menciptakan logam yang lebih tangguh. Sekitar 700 M, bangsa Jepang mulai melipat baja bloomery dan besi cor dalam lapisan bergantian untuk meningkatkan kekuatan pedang mereka, menggunakan fluks tanah liat untuk menghilangkan terak dan pengotor. Metode pembuatan pedang Jepang ini menghasilkan salah satu paduan baja paling murni di dunia kuno.^[56]

Meskipun penggunaan besi mulai semakin meluas sekitar 1200 SM, terutama karena terganggunya jalur perdagangan timah, logam ini jauh lebih lunak daripada perunggu. Namun, sejumlah sangat kecil baja (paduan besi dan sekitar 1% karbon) selalu menjadi produk sampingan proses bloomery. Kemampuan mengubah kekerasan baja melalui perlakuan panas telah diketahui sejak 1100 SM, dan bahan langka tersebut dihargai untuk pembuatan perkakas dan senjata.^[66]

Karena masyarakat kuno tidak mampu menghasilkan suhu yang cukup tinggi untuk melelehkan besi sepenuhnya, produksi baja dalam jumlah yang layak tidak terjadi sampai diperkenalkannya baja blister pada Abad Pertengahan. Metode ini memasukkan karbon dengan memanaskan besi tempa dalam arang selama waktu yang lama, tetapi penyerapan karbon dengan cara ini sangat lambat sehingga penetrasinya tidak terlalu dalam, sehingga paduannya tidak homogen. Pada 1740, Benjamin Huntsman mulai melebur baja blister dalam krusibel untuk meratakan kandungan karbon, menciptakan proses pertama untuk produksi massal baja perkakas. Proses Huntsman digunakan untuk membuat baja perkakas hingga awal 1900-an.^[66]

Pengenalan tanur tinggi ke Eropa pada Abad Pertengahan memungkinkan orang memproduksi besi kasar dalam volume yang jauh lebih besar daripada besi tempa. Karena besi kasar dapat dilelehkan, orang mulai mengembangkan proses untuk mengurangi karbon dalam besi kasar cair guna menghasilkan baja. Puddling telah digunakan di Tiongkok sejak abad pertama, dan diperkenalkan di Eropa selama tahun 1700-an, ketika besi kasar cair diaduk sambil terkena udara untuk menghilangkan karbon melalui oksidasi. Pada 1858, Henry Bessemer mengembangkan proses pembuatan baja dengan meniupkan udara panas melalui besi kasar cair untuk mengurangi kandungan karbon. Proses Bessemer menghasilkan produksi baja skala besar pertama.^[66]

Baja merupakan paduan besi dan karbon, tetapi istilah baja paduan biasanya hanya mengacu pada baja yang mengandung unsur lain—seperti vanadium, molibdenum, atau kobalt—dalam jumlah yang cukup untuk mengubah sifat baja dasar. Sejak zaman kuno, ketika baja terutama digunakan untuk perkakas dan senjata, metode produksi dan pengerjaan logam sering kali menjadi rahasia yang dijaga ketat. Bahkan lama setelah Zaman Pencerahan, industri baja sangat kompetitif dan para produsen berusaha keras merahasiakan proses mereka, menolak setiap upaya untuk menganalisis bahan secara ilmiah karena takut hal tersebut akan mengungkap metode mereka. Misalnya, masyarakat Sheffield, pusat produksi baja di Inggris, dikenal secara rutin melarang pengunjung dan wisatawan memasuki kota untuk mencegah spionase industri. Oleh karena itu, hampir tidak ada informasi metalurgi mengenai baja hingga 1860. Karena kurangnya pemahaman ini, baja umumnya tidak dianggap sebagai paduan sampai beberapa dasawarsa antara 1930 dan 1970 (terutama berkat karya ilmuwan seperti William Chandler Roberts-Austen, Adolf Martens, dan Edgar Bain), sehingga "baja paduan" menjadi istilah populer untuk baja terner dan kuaterner.^[67][68]

Setelah Benjamin Huntsman mengembangkan baja krusibelnya pada 1740, ia mulai bereksperimen dengan penambahan unsur seperti mangan (dalam bentuk besi kasar berkadar mangan tinggi yang disebut spiegeleisen), yang membantu menghilangkan pengotor seperti fosfor dan oksigen; proses yang kemudian diadopsi oleh Bessemer dan masih digunakan dalam baja modern (meskipun pada konsentrasi yang cukup rendah sehingga masih dianggap sebagai baja karbon).^[66] Setelah itu, banyak orang mulai bereksperimen dengan berbagai paduan baja tanpa banyak keberhasilan. Namun, pada 1882, Robert Hadfield, seorang pelopor metalurgi baja, tertarik dan menghasilkan paduan baja yang mengandung sekitar 12% mangan. Disebut mangalloy, baja tersebut menunjukkan kekerasan dan ketangguhan ekstrem serta menjadi baja paduan yang layak secara komersial pertama.^[69] Setelah itu, ia menciptakan baja silikon, yang memulai pencarian paduan baja lain yang mungkin.^[70]

Robert Forester Mushet menemukan bahwa penambahan tungsten ke baja dapat menghasilkan sisi potong yang sangat keras yang akan mempertahankan kekerasannya pada suhu tinggi. "R. Mushet's special steel" (RMS) menjadi baja kecepatan tinggi pertama.^[70] Baja Mushet segera digantikan oleh baja karbida tungsten, yang dikembangkan oleh Taylor dan White pada 1900, yang menggandakan kandungan tungsten dan menambahkan sejumlah kecil kromium dan vanadium sehingga menghasilkan baja yang lebih unggul untuk digunakan pada mesin bubut dan perkakas pemesinan. Pada 1903, Wright bersaudara menggunakan baja kromium-nikel untuk membuat poros engkol mesin pesawat mereka, sedangkan pada 1908 Henry Ford mulai menggunakan baja vanadium untuk komponen seperti poros engkol dan katup pada Ford Model T, karena kekuatan dan ketahanannya terhadap suhu tinggi yang lebih besar.^[47] Pada 1912, pabrik besi Krupp di Jerman mengembangkan baja tahan karat dengan menambahkan 21% kromium dan 7% nikel, menghasilkan baja tahan karat pertama.^[70]

Contoh khas paduan modern adalah baja tahan karat kelas 304, yang umum digunakan untuk peralatan dapur, panci, pisau, dan garpu. Kadang-kadang juga dikenal sebagai 18/8, paduan ini secara umum terdiri dari 74% besi, 18% kromium, dan 8% nikel. Unsur paduan kromium dan nikel menambah kekuatan dan kekerasan pada sebagian besar unsur besi, tetapi fungsi utamanya adalah membuatnya tahan terhadap karat/korosi.

Lainnya

Karena reaktivitasnya yang tinggi, sebagian besar logam baru ditemukan pada abad ke-19. Metode untuk mengekstraksi aluminium dari bauksit diusulkan oleh Humphry Davy pada 1807, menggunakan busur listrik. Upayanya tidak berhasil, tetapi pada 1855 penjualan aluminium murni pertama mencapai pasar. Namun, karena metalurgi ekstraktif masih dalam tahap awal, sebagian besar proses ekstraksi aluminium menghasilkan paduan yang tidak disengaja dan terkontaminasi oleh unsur lain yang terdapat dalam bijih; yang paling melimpah adalah tembaga. Paduan aluminium-tembaga ini (pada saat itu disebut "perunggu aluminium") mendahului aluminium murni, menawarkan kekuatan dan kekerasan yang lebih besar daripada logam murni yang lunak, dan dalam tingkat tertentu dapat diberi perlakuan panas.^[71] Namun, karena kelembutan dan kemampuan pengerasannya yang terbatas, paduan ini hanya memiliki sedikit kegunaan praktis dan lebih merupakan suatu kebaruan hingga Wright bersaudara menggunakan paduan aluminium untuk membuat mesin pesawat pertama pada 1903.^[47] Selama periode antara 1865 dan 1910, proses untuk mengekstraksi banyak logam lainnya ditemukan, seperti kromium, vanadium, tungsten, iridium, kobalt, dan molibdenum, serta berbagai paduan dikembangkan.^[72]

Sebelum 1910, penelitian terutama dilakukan oleh individu-individu yang bereksperimen sendiri di laboratorium mereka. Namun, ketika industri pesawat terbang dan otomotif mulai berkembang, penelitian terhadap paduan menjadi usaha industri pada tahun-tahun setelah 1910, ketika paduan magnesium baru dikembangkan untuk piston dan roda mobil, pot metal untuk tuas dan kenop, serta paduan aluminium yang dikembangkan untuk kerangka pesawat dan kulit pesawat mulai digunakan.^[47] Doehler Die Casting Co. dari Toledo, Ohio dikenal karena memproduksi Brastil, suatu paduan perunggu tahan korosi dengan kekuatan tarik tinggi.^[73][74]

Industri

Sebagai bagian dari pengadaan industri untuk produksi paduan presisi, ingot atau bubuk master alloy sebagai barang setengah jadi diproduksi dengan campuran kandungan logam yang diinginkan secara konsisten. Master alloy ini kemudian dapat dikombinasikan untuk menghasilkan paduan akhir yang diinginkan dalam produksi.^[75][76] Dalam industri paduan aluminium, master alloy biasanya ditambahkan ke aluminium untuk menyesuaikan butir logam dari paduan akhir.^[77][78]

Lihat pula

• Alloy broadening
• CALPHAD
• Campuran ideal
• Daftar paduan

Referensi

Bibliografi

• Buchwald, Vagn Fabritius [in Dansk] (2005). Iron and steel in ancient times. Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN 978-87-7304-308-0.

Pranala luar

•  "Alloys" . Encyclopædia Britannica (Edisi 11). 1911.
•  "Alloy" . The American Cyclopædia. 1879.{{cite encyclopedia}}: Kutipan memiliki parameter tidak dikenal yang kosongs: |authors= and |coauthors=

Templat:Chemical solutions