Logam (umum): Unsur Penting dalam Metalurgi & Manufaktur Baja

Definisi dan Sifat Dasar

Logam (umum) dalam konteks industri baja mengacu secara luas pada elemen logam dan senyawa mereka yang integral untuk proses produksi dan paduan baja. Logam dicirikan oleh konduktivitas listrik dan termal yang tinggi, kelenturan, duktilitas, dan kilau. Dalam pembuatan baja, istilah ini sering mencakup berbagai elemen seperti besi, mangan, krom, nikel, molibdenum, vanadium, dan lainnya, serta senyawa mereka yang digunakan sebagai agen paduan atau kotoran.

Struktur Atom dan Molekul:
Sebagian besar logam yang digunakan dalam baja adalah elemen dengan susunan atom kristalin, terutama struktur kubik berpusat badan (BCC), kubik berpusat wajah (FCC), atau terbungkus heksagonal (HCP). Besi, logam utama dalam baja, menunjukkan berbagai allotrop: ferit (α-Fe, BCC), austenit (γ-Fe, FCC), dan delta-ferit (δ-Fe, BCC). Elemen paduan biasanya ditambahkan dalam bentuk logam atau teroksidasi, sering kali sebagai ferroalloy atau oksida, yang larut ke dalam matriks baja atau membentuk presipitat.

Posisi dalam Tabel Periodik:
Logam yang relevan untuk baja sebagian besar adalah logam transisi yang terletak di kelompok 3 hingga 12. Besi (Fe) adalah elemen utama, yang terletak di kelompok 8, periode 4. Logam signifikan lainnya termasuk mangan (Mn, kelompok 7), krom (Cr, kelompok 6), nikel (Ni, kelompok 10), molibdenum (Mo, kelompok 6), vanadium (V, kelompok 5), dan tungsten (W, kelompok 6). Elemen-elemen ini dipilih karena efek metalurgi spesifik mereka, seperti kemampuan pengerasan, ketahanan korosi, atau kekuatan.

Sifat Fisik:
- Penampilan: Biasanya kilau logam, abu-abu perak hingga hitam keabu-abuan tergantung pada elemen atau senyawa.
- Kepadatan: Berkisar dari sekitar 7,87 g/cm³ untuk besi hingga lebih dari 19 g/cm³ untuk tungsten.
- Titik Leleh: Bervariasi secara luas; besi meleleh pada 1538°C, krom pada 1907°C, molibdenum pada 2623°C, dan tungsten pada 3422°C.
- Titik Didih: Juga bervariasi; misalnya, besi mendidih pada 2862°C, molibdenum pada 4639°C.
- Konduktivitas Listrik: Tinggi, terutama dalam bentuk murni, memfasilitasi aplikasi dalam baja listrik.
- Konduktivitas Termal: Umumnya tinggi, membantu dalam penghilangan panas selama pemrosesan.
- Ketahanan Korosi: Bervariasi; krom membentuk lapisan oksida pasif, memberikan ketahanan korosi, sedangkan besi murni lebih rentan terhadap oksidasi.

Sifat-sifat ini mempengaruhi perilaku mereka selama pembuatan baja, mempengaruhi proses peleburan, paduan, dan perlakuan panas.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Logam dan senyawa mereka melayani berbagai peran dalam metalurgi baja. Besi membentuk matriks dasar, sementara logam paduan memodifikasi sifat seperti kekuatan, duktilitas, ketangguhan, dan ketahanan korosi. Misalnya, krom meningkatkan ketahanan korosi, nikel meningkatkan ketangguhan dan duktilitas, dan molibdenum meningkatkan kekuatan pada suhu tinggi.

Mereka mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dengan menstabilkan fase tertentu, seperti austenit atau martensit, dan mengontrol suhu transformasi. Elemen paduan dapat mendorong pembentukan karbida, nitride, atau presipitat lainnya, yang memperkuat baja melalui pengerasan presipitat.

Logam juga membantu mendefinisikan klasifikasi baja: baja karbon, baja paduan, baja tahan karat, dan baja khusus. Komposisi spesifik menentukan mikrostruktur baja, sifat mekanik, dan kesesuaiannya untuk berbagai aplikasi.

Konteks Sejarah

Penggunaan besi dalam pembuatan baja telah ada selama ribuan tahun, tetapi paduan yang disengaja dengan logam lain menjadi terkenal selama Revolusi Industri. Krom pertama kali ditambahkan pada awal abad ke-20 untuk memproduksi baja tahan karat, merevolusi ketahanan korosi. Penambahan molibdenum dan vanadium menjadi standar dalam baja berkekuatan tinggi dan tahan panas selama pertengahan abad ke-20.

Perkembangan signifikan termasuk penciptaan baja tahan karat seri 300 (misalnya, 304, 316) dengan kandungan krom dan nikel tinggi, serta munculnya baja mikro paduan yang mengandung vanadium atau niobium untuk meningkatkan kekuatan dan kemampuan pengelasan. Inovasi ini menunjukkan pentingnya logam tertentu dalam menyesuaikan sifat baja untuk aplikasi yang lebih maju.

Keberadaan dalam Baja

Dalam baja, logam hadir dalam berbagai bentuk tergantung pada fungsinya. Elemen paduan utama biasanya ditambahkan sebagai ferroalloy—misalnya, ferrochromium, ferromolybdenum, ferromanganese—yang memungkinkan penambahan logam tertentu secara terkontrol. Konsentrasi bervariasi dari tingkat jejak (kurang dari 0,1%) hingga jumlah substansial (hingga 20% untuk beberapa baja paduan).

Beberapa logam, seperti mangan, ditambahkan secara sengaja untuk meningkatkan deoksidasi dan desulfurisasi, sementara yang lain, seperti kotoran residu, mungkin dianggap tidak diinginkan. Dalam matriks baja, logam-logam ini sering kali ada sebagai larutan padat, karbida, nitride, atau oksida, mempengaruhi mikrostruktur dan sifat.

Efek Metalurgi dan Mekanisme

Pengaruh Mikrostruktur

Logam mempengaruhi ukuran butir dan distribusi fase. Misalnya, krom menstabilkan fase austenitik, memungkinkan pembentukan baja tahan karat. Vanadium dan niobium membentuk karbida halus yang mengikat batas butir, memperhalus ukuran butir dan meningkatkan kekuatan.

Elemen paduan mengubah suhu transformasi; misalnya, nikel menurunkan suhu transformasi austenit-ke-martensit, memfasilitasi perlakuan panas tertentu. Mereka juga berinteraksi dengan karbon dan nitrogen untuk membentuk presipitat, yang menghambat pergerakan dislokasi dan meningkatkan kekuatan.

Interaksi dengan elemen lain dapat menyebabkan mikrostruktur yang kompleks, seperti jaringan karbida atau inklusi oksida, yang mempengaruhi ketangguhan dan kemampuan mesin. Evolusi mikrostruktur selama pendinginan dan perlakuan panas sangat dipengaruhi oleh keberadaan dan konsentrasi logam-logam ini.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Sifat Mekanik:
- Kekuatan: Meningkat karena pengerasan larutan padat dan pengerasan presipitat dari logam paduan.
- Duktilitas dan Ketangguhan: Ditingkatkan oleh elemen seperti nikel, yang mendorong fase duktil.
- Kekerasan: Ditingkatkan melalui pembentukan karbida, misalnya, karbida vanadium.

Sifat Fisik:
- Konduktivitas Termal dan Listrik: Sedikit berkurang oleh paduan, tetapi umumnya tinggi dalam baja.
- Sifat Magnetik: Dipengaruhi oleh jenis dan jumlah logam paduan; misalnya, nikel mengurangi permeabilitas magnetik, bermanfaat dalam baja listrik.

Sifat Kimia:
- Ketahanan Korosi: Baja kaya krom membentuk lapisan oksida pasif, secara signifikan meningkatkan ketahanan.
- Perilaku Oksidasi: Logam paduan dapat mendorong atau menghambat oksidasi pada suhu tinggi, mempengaruhi kinerja baja pada suhu tinggi.

Mekanisme Penguatan

Logam berkontribusi pada berbagai mekanisme penguatan:
- Pengerasan Larutan Padat: Logam paduan larut ke dalam matriks besi, mendistorsi kisi dan menghambat perger