Karbon (C): Elemen Kunci dalam Kekuatan, Kekerasan & Mikrostruktur Baja

Definisi dan Sifat Dasar

Karbon $C$ adalah unsur kimia dasar dengan nomor atom 6, diklasifikasikan sebagai non-logam dalam tabel periodik. Unsur ini ditandai oleh sifat tetravalennya, yang berarti setiap atom dapat membentuk empat ikatan kovalen, menghasilkan berbagai allotrop dan senyawa. Dalam konteks pembuatan baja, karbon terutama ada sebagai unsur paduan yang sangat mempengaruhi mikrostruktur dan sifat baja.

Secara fisik, karbon adalah bahan amorf atau kristalin berwarna hitam atau abu-abu gelap tergantung pada allotropnya. Kerapatannya bervariasi dengan bentuk: karbon amorf memiliki kerapatan sekitar 2,2 g/cm³, sedangkan bentuk kristalin seperti berlian jauh lebih padat sekitar 3,5 g/cm³. Titik lebur karbon murni bervariasi secara signifikan tergantung pada allotrop, dengan berlian meleleh pada suhu sekitar 3550°C di bawah tekanan tinggi, sedangkan grafit menyublim pada suhu sekitar 3642°C. Dalam pembuatan baja, bentuk yang relevan biasanya dalam bentuk karbon terlarut dalam besi atau sebagai karbida dan inklusi.

Sifat fisik karbon, seperti titik lebur yang tinggi, kekerasan, dan stabilitas kimia, menjadikannya unsur penting dalam produksi baja. Kemampuannya untuk membentuk ikatan kovalen yang kuat dan berbagai allotrop berkontribusi pada versatilitasnya dalam aplikasi metalurgi. Reaktivitas kimia unsur ini relatif rendah pada suhu kamar tetapi meningkat secara signifikan pada suhu tinggi, memfasilitasi integrasinya ke dalam matriks baja selama proses.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Dalam metalurgi baja, karbon berfungsi sebagai unsur paduan utama yang menentukan kekerasan, kekuatan, dan ketangguhan baja. Ia mempengaruhi mikrostruktur dengan mendorong pembentukan fase yang berbeda seperti ferit, sementit, martensit, dan bainit, tergantung pada laju pendinginan dan perlakuan panas. Jumlah karbon secara langsung mempengaruhi suhu transformasi fase baja, terutama suhu eutektik (~727°C), yang mengatur transformasi pearlitik.

Kandungan karbon adalah dasar dalam mengklasifikasikan baja ke dalam berbagai kategori, dari baja karbon rendah (<0,3%) yang digunakan untuk pembentukan dan pengelasan hingga baja karbon tinggi (>0,6%) yang dihargai karena kekerasan dan ketahanan ausnya. Ini juga memainkan peran penting dalam mendefinisikan baja alat, baja struktural berkekuatan tinggi, dan baja paduan, di mana tingkat karbon yang tepat menyesuaikan sifat tertentu.

Konteks Sejarah

Penggunaan karbon dalam baja sudah ada sejak ribuan tahun yang lalu, dengan para pembuat baja awal mengenali pengaruhnya terhadap kekerasan dan kekuatan. Munculnya proses Bessemer pada abad ke-19 menandai tonggak penting, memungkinkan produksi baja dalam skala besar dengan kandungan karbon yang terkontrol. Seiring waktu, metalurgis memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana karbon mempengaruhi transformasi fase, yang mengarah pada pengembangan teknik perlakuan panas seperti pendinginan cepat dan tempering.

Gradasi baja penting seperti baja lunak (mengandung sekitar 0,05–0,25% C) dan baja alat karbon tinggi (hingga 2%) menggambarkan pentingnya pengendalian karbon. Pengembangan baja paduan dengan tingkat karbon yang tepat telah memperluas ruang lingkup aplikasi, dari komponen struktural hingga alat pemotong dan permukaan tahan aus.

Keberadaan dalam Baja

Dalam baja, karbon biasanya hadir dalam rentang dari jumlah jejak (<0,01%) dalam baja karbon ultra-rendah hingga lebih dari 2% dalam besi cor. Dalam sebagian besar baja struktural, kandungan karbon berkisar antara 0,05% hingga 0,30%. Unsur ini ditambahkan secara sengaja selama peleburan, sering kali melalui sumber karbon seperti kokas, batu bara, atau grafit, untuk mencapai sifat yang diinginkan.

Di dalam baja, karbon ada terutama dalam larutan padat sebagai atom interstitial dalam fase ferit atau austenit. Ia juga dapat membentuk karbida seperti sementit (Fe₃C), yang mengendap di batas butir atau dalam mikrostruktur, mempengaruhi kekerasan dan ketahanan aus. Distribusi dan bentuk karbon secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik dan fisik baja.

Efek dan Mekanisme Metalurgi

Pengaruh Mikrostruktur

Karbon sangat mempengaruhi mikrostruktur baja dengan menstabilkan fase tertentu dan mempengaruhi perilaku transformasi. Tingkat karbon yang lebih tinggi mendorong pembentukan sementit, menghasilkan mikrostruktur pearlitik atau kaya sementit, yang meningkatkan kekerasan dan kekuatan. Sebaliknya, baja karbon rendah cenderung memiliki lebih banyak ferit, menghasilkan bahan yang lebih lunak dan lebih ulet.

Selama pendinginan dari suhu austenitisasi, kandungan karbon menggeser suhu transformasi, mempengaruhi pembentukan martensit, bainit, atau pearlit. Tingkat karbon yang tinggi meningkatkan suhu Ms (martensite start), memungkinkan pembentukan martensit pada laju pendinginan yang lebih tinggi. Karbon juga berinteraksi dengan unsur paduan seperti mangan dan kromium, mempengaruhi stabilitas fase dan kinetika transformasi.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Dari segi mekanis, peningkatan karbon meningkatkan kekuatan tarik, kekerasan, dan ketahanan aus tetapi mengurangi ketangguhan dan ketangguhan. Misalnya, baja karbon tinggi menunjukkan ketahanan pemotongan dan abrasi yang superior, menjadikannya cocok untuk alat dan cetakan. Namun, karbon yang berlebihan dapat menyebabkan kerapuhan, sehingga memerlukan pengendalian yang hati-hati.

Dari segi fisik, karbon mempengaruhi konduktivitas termal dan sifat magnetik. Kandungan karbon yang lebih tinggi umumnya mengurangi konduktivitas termal karena peningkatan pembentukan karbida dan kompleksitas mikrostruktur. Secara magnetik, baja dengan tingkat karbon yang lebih tinggi cenderung memiliki permeabilitas magnetik yang lebih tinggi, relevan dalam aplikasi listrik.

Dari segi kimia, karbon meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi dengan membentuk karbida yang stabil yang melindungi permukaan baja. Namun, karbon yang berlebihan dapat mendorong dekarbonisasi selama perlakuan panas, mempengaruhi kualitas permukaan.

Mekanisme Penguatan

Karbon berkontribusi pada penguatan baja terutama melalui penguatan larutan padat dan pengerasan presipitasi. Dalam larutan padat, atom karbon interstitial mendistorsi kisi besi, menghambat pergerakan dislokasi dan meningkatkan kekuatan. Hubungan antara konsentrasi karbon dan kekuatan hasil dapat diperkirakan dengan model empiris, dengan setiap peningkatan 0,1% karbon meningkatkan kekuatan dengan margin yang terukur.

Presipitasi sementit selama pendinginan atau perlakuan panas lebih lanjut meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus. Karbida yang halus dan terdistribusi secara merata bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, memberikan penguatan mikrostruktur. Pembentukan martensit, larutan padat jenuh karbon dalam ferit, menghasilkan kekerasan dan kekuatan tinggi karena distorsi kisi dan kepadatan dislokasi.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Sumber alami utama karbon untuk pembuatan baja adalah batu bara, kokas, dan grafit. Kokas, yang dihasilkan dengan mengkarbonisasi batu bara dalam lingkungan suhu tinggi dan oksigen rendah, adalah sumber karbon yang paling umum dalam operasi tungku tiup. Grafit, bentuk kristalin karbon, digunakan dalam aplikasi khusus karena kemurnian dan stabilitasnya.

Ekstraksi karbon kelas metalurgi melibatkan pemrosesan bahan mentah untuk mencapai tingkat kemurnian tinggi, biasanya di atas 90%. Produksi kokas melibatkan distilasi destruktif batu bara, diikuti dengan penyaringan dan pencampuran untuk memenuhi spesifikasi. Ketersediaan global kokas dan grafit menjadikan karbon unsur paduan yang mudah diakses dan hemat biaya.

Bentuk Penambahan

Karbon ditambahkan ke baja terutama melalui kokas di tungku tiup, di mana ia mengurangi oksida besi untuk menghasilkan besi kasar. Dalam pemurnian sekunder, karbon dapat diperkenalkan sebagai grafit bubuk atau sebagai paduan ferrocarbon. Ferrocarbon, paduan besi dan karbon, digunakan untuk pengendalian kandungan karbon yang tepat dalam baja.

Persiapan melibatkan pencampuran bahan mentah untuk mencapai tingkat karbon yang diinginkan, dengan penanganan hati-hati untuk mencegah kontaminasi. Tingkat pemulihan tinggi, dengan sebagian besar