Logam Baja - Pengertian, Unsur, Jenis dan Fase Pembentukan

Baja adalah paduan logam yang tersusun dari besi sebagai unsur utama dan karbon sebagai unsur penguat. Kandungan baja yang utama adalah Besi (Fe) dengan kadar 97% dan Karbon (C) dengan kadar 0,2% hingga 2,1%, serta unsur paduan lain yaitu Mangan (Mn), Krom (Cr), Vanadium(V), Nikel (Ni), Silikon (Si), tembaga (Cu), sulfur (S), fosfor (P) dan lainnya dengan jumlah yang dibatasi dan berbeda-beda.

Pengaruh utama kandungan karbon di dalam baja adalah pada kekuatan, kekerasan dan sifat mudah dibentuk. Penambahan karbon pada baja dapat meningkatkan kekerasan (hardness) dan kekuatan tariknya (tensile strength), namun di sisi lain membuatnya menjadi getas (brittle) serta menurunkan keuletannya (ductility).

Baja menjadi bahan dasar yang sangat vital untuk industri. Semua peralatan berbahan baja, mulai dari peralatan dapur, trasportasi, generator, sampai kerangka gedung dan jembatan. Eksplotasi besi baja menduduki peringkat pertama di antara barang tambang dan logam dan produknya melingkupi hampir 95% dari produk barang berbahan logam yang dimanfaatkan dalam kehidupan manusia.

Unsur-unsur Kandungan Baja 

Selain besi sebagai kandungan utama baja, terdapat beberapa unsur yang menjadi bahan pembentuk baja, yaitu:

a. Karbon (C) 

Karbon merupakan unsur terpenting yang dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja. Kandungan karbon di dalam baja sekitar 0,1% hingga 2,1%, sedangkan unsur lainnya dibatasi sesuai dengan kegunaan baja. Unsur paduan yang bercampur di dalam lapisan baja adalah untuk membuat baja bereaksi terhadap pengerjaan panas dan menghasilkan sifat-sifat yang khusus. Karbon dalam baja dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan tetapi jika berlebihan akan menurunkan ketangguhan.

b. Mangan (Mn) 

Semua baja mengandung mangan karena sangat dibutuhkan dalam proses pembuatan baja. Kandungan mangan kurang lebih 0,6% tidak mempengaruhi sifat baja, dengan kata lain mangan tidak memberikan pengaruh besar pada struktur baja dalam jumlah yang rendah. Penambahan unsur mangan dalam baja dapat menaikkan kuat tarik tanpa mengurangi atau sedikit mengurangi regangan, sehingga baja dengan penambahan mangan memiliki sifat kuat dan ulet.

c. Silikon (Si) 

Silikon merupakan unsur paduan yang ada pada setiap baja dengan kandungan lebih dari 0,4% yang mempunyai pengaruh untuk menaikkan tegangan tarik dan menurunkan laju pendinginan kritis. Silikon dalam baja dapat meningkatkan kekuatan, kekerasan, kekenyalan, ketahanan aus, dan ketahanan terhadap panas dan karat. Unsur silikon menyebabkan sementit tidak stabil, sehingga memisahkan dan membentuk grafit. Unsur silikon juga merupakan pembentuk ferit, tetapi bukan pembentuk karbida, silikon juga cenderung membentuk partikel oksida sehingga memperbanyak pengintian kristal dan mengurangi pertumbuhan akibatnya struktur butir semakin halus.

d. Nikel (Ni) 

Nikel mempunyai pengaruh yang sama seperti mangan, yaitu memperbaiki kekuatan tarik dan menaikkan sifat ulet, tahan panas, jika pada baja paduan terdapat unsur nikel sekitar 25% maka baja dapat tahan terhadap korosi. Unsur nikel yang bertindak sebagai tahan karat (korosi) disebabkan nikel bertindak sebagai lapisan penghalang yang melindungi permukaan baja.

e. Kromium (Cr) 

Sifat unsur kromium dapat menurunkan laju pendinginan kritis (kromium sejumlah 1,5% cukup meningkatkan kekerasan dalam minyak). Penambahan kromium pada baja menghasilkan struktur yang lebih halus dan membuat sifat baja dikeraskan lebih baik karena kromium dan karbon dapat membentuk karbida. Kromium dapat menambah kekuatan tarik dan keplastisan serta berguna juga dalam membentuk lapisan pasif untuk melindungi baja dari korosi serta tahan terhadap suhu tinggi.

f. Kobalt (Co) 

Sebagai unsur paduan dalam baja, kobalt meningkatkan kekerasan, tahan aus dan tahan panas. Pada maghnet permanent mengandung kobalt sehingga mempunyai kepekaan terhadap pemanasan lanjut.

g. Molibdium (Mo) 

Kebanyakan dipadu dengan baja dalam ikatan dengan Co, Ni, dan V. dapat meningkatkan kekuatan tarik, batas rentang kemampuan temper menyeluruh, ketahanan panas, batas kelelahan, menurunkan kerapuhan.

h. Vanadium (V) 

Mempunyai pengaruh seperti Mo dalam baja. Dapat meningkatkan kekuatan, batas rentang keuletan, kekuatan panas dan ketahanan lelah. Unsur V dalam baja mempunyai keistimewaan yaitu dapat menurunkan kepekaan terhadap sengatan panas yang melewati batas pada perlakuan panas.

i. Titanium (Ti) 

Memiliki kekuatan yang sama seperti baja dalam mempertahankan. Hingga suhu 400 derajat C, sehingga banyak dipakai sebagai bahan kawat las. Paduan antara baja karbon dengan titanium akan memepunyai sifat kekerasan yang tinngi. Baja-titan banyak diminati sebagai bahan dalm industri, kendaraan perang, kapal udara dan elemen-elemen yang membutuhkan kekuatan tinggi dan ringan.

j. Aluminium (Al) 

Unsur Al terkandung dalam jumlah yang kecil pada baja. Tujuannya yaitu sama dengan Si, untuk memberikan keuletan dan kemampuan di perkakas serta meningkatkan daya tahan terhadap korosi.

Jenis-jenis Baja 

Menurut Wiryosumarto (2004), berdasarkan komposisi karbon yang digunakan, baja dapat diklasifikasikan dalam beberapa jenis, yaitu:

a. Baja karbon 

Baja karbon adalah paduan antara besi dan karbon dengan sedikit Si, Mn, P, S, dan Cu. Sifat baja karbon sangat tergantung pada kadar karbon, bila kadar karbon naik maka kekuatan dan kekerasan juga akan bertambah tinggi. Karena itu baja karbon dikelompokkan berdasarkan kadar karbonnya. Berdasarkan komposisi kandungan karbon, baja karbon dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu:

1. Baja Karbon Rendah. Baja karbon rendah memiliki kandungan karbon dibawah 0,3%. Baja karbon rendah sering disebut dengan baja ringan (mild steel) atau baja perkakas. Jenis baja yang umum dan banyak digunakan adalah jenis cold roll steel dengan kandungan karbon 0,08% - 0,30% yang biasa digunakan untuk body kendaraan. 
2. Baja Karbon Sedang. Baja karbon sedang merupakan baja yang memiliki kandungan karbon 0,30% - 0,60%. Baja karbon sedang mempunyai kekuatan yang lebih dari baja karbon rendah dan mempunyai kualitas perlakuan panas yang tinggi, tidak mudah dibentuk oleh mesin, lebih sulit dilakukan untuk pengelasan, dan dapat dikeraskan (diquenching) dengan baik. Baja karbon sedang banyak digunakan untuk poros, rel kereta api, roda gigi, pegas, baut, komponen mesin yang membutuhkan kekuatan tinggi, dan lain-lain. 
3. Baja Karbon Tinggi. Baja karbon tinggi memiliki kandungan karbon paling tinggi jika dibandingkan dengan baja karbon yang lain yakni 0,60% - 1,7% C dan memiliki tahan panas yang tinggi, kekerasan tinggi, namun keuletannya lebih rendah. Baja karbon tinggi mempunyai kuat tarik paling tinggi dan banyak digunakan untuk material tools. Salah satu aplikasi dari baja ini adalah dalam pembuatan kawat baja dan kabel baja.

b. Baja paduan 

Baja paduan adalah suatu baja yang dicampur dengan satu atau lebih unsur campuran seperti nikel, mangan, molybdenum, kromium, vanadium dan wolfram yang berguna untuk memperoleh sifat-sifat baja yang dikehendaki seperti sifat kekuatan, kekerasan dan keuletannya. Paduan dari beberapa unsur yang berbeda memberikan sifat khas dari baja. Berdasarkan kadar kadar paduannya, baja paduan dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu:

1. Baja Paduan Rendah (Low Alloy Steel). Baja paduan rendah merupakan baja paduan yang elemen paduannya kurang dari 2,5% wt misalnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P, dan lain-lain. Memiliki kadar karbon sama seperti baja karbon, tetapi ada sedikit unsur paduan. Dengan penambahan unsur paduan, kekuatan dapat dinaikkan tanpa mengurangi keuletannya, kekuatan fatik, daya tahan terhadap korosi, aus dan panas. Aplikasinya banyak digunakan pada kapal, jembatan, roda kereta api, ketel uap, tangki gas, pipa gas dan sebagainya. 
2. Baja Paduan Menengah (Medium Alloy Steel). Baja paduan menengah merupakan baja paduan yang elemen paduannya 2,5%-10% wt misalnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P, dan lain-lain. 
3. Baja Paduan Tinggi (High Alloy Steel). Baja paduan tinggi merupakan baja paduan yang elemen paduannya lebih dari 10% wt misalnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P, dan lain-lain. Contohnya baja tahan karat, baja perkakas dan baja mangan. Aplikasinya digunakan pada bearing, bejana tekan, baja pegas, cutting tools, frog rel kereta api dan lain sebagainya.

c. Baja khusus 

Baja khusus mempunyai unsur - unsur paduan yang tinggi karena pemakaian-pemakaian yang khusus. Baja khusus yaitu baja tahan karat, baja tahan panas, baja perkakas. Unsur utama dari baja tahan karat adalah krom sebagai unsur terpenting untuk memperoleh sifat tahan terhadap korosi. Baja perkakas adalah baja yang dibuat tidak berukuran besar tetapi memegang peranan dalam industri-industri. Unsur-unsur paduan dalam karbitnya diperlukan untuk memperoleh sifat-sifat tersebut dan kuat pada temperatur tinggi.

Fase Pembentukan Baja 

Fase-fase atau tahapan yang terjadi pada pembentukan baja adalah sebagai berikut:

a. Austenit (Y) 

Fasa ini disebut gamma (Y) dan merupakan larutan padat interstisi karbon dengan sel satuan berupa kubik pemusatan sisi. Ruang antar atomnya lebih besar dibandingkan ferit dan fasa ini stabil pada temperatur tinggi, yaitu antara 912°C, pada besi murni. Kadar karbon maksimum gamma sebesar 2,14% pada temperatur 1147°C. Pada temperatur stabil austenit bersifat lunak dan liat sehingga mudah dibentuk. Austenit merupakan fasa penting sebagai dasar pembentuk fasa-fasa lainnya dalam proses perlakuan panas termasuk perlakuan panas pada permukaan baja.

b. Ferit (a) 

Fasa ini disebut alpha (a) dan merupakan larutan padat intersrisi karbon dengan sel satuan berupa kubik pemusatan ruang. Ruang antar atomnya kecil dan rapat sehingga kelarutan karbon sangat kecil. Pada temperatur ruang, kadar karbonnya hanya 0,008% sehingga dapat dianggap besi murni. Kadar maksimum karbon sebesar 0,02% pada temperatur 727°C, lunak dan liat. Dibawah mikroskop ferlit terlihat berwarna putih. Kekerasan dari ferit berkisar antara 140-180 HVN.

c. Sementit (Fe3C) 

Fasa ini disebut karbida besi yang merupakan senyawa kimia dengan rumus (Fe3C). sel satuan sementit berbentuk orthorombik. Kadar karbon dalam sementit 6,7% dan senyawa ini bersifat keras tetapi getas. Pada baja, fasa ini dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan. Kekerasan sementit adalah lebih kurang berkisar antara 800 HVN.

d. Perlit 

Perlit adalah campuran sementit dan ferit yang tersebar merata pada seluruh penampang. Struktur ini barasal dari perubahan austensit pada pendinginan normal udara setelah melewati temperature kritis (700°C sampai 900°C). Kekerasan dari perlit kurang lebih 180-250 HVN.

e. Martensit 

Martensit merupakan fasa dimana ferit dan sementit bercampur. Tetapi bukan dalam lamellar. Fasa ini terbentuk dari austensit metastabil didinginkan dengan laju pendinginan cepat. Terjadi hanya presipitasi Fe3C unsur paduan lainnya tetapi larut transformasi isothermal pada 260°C untuk membentuk dispersi karbida yang halus dalam matriks ferit. Martensit bilah terbentuk jika kadar C dalam baja sampai 0,6% sedangkan di atas 1% akan terbentuk martensit pelat. Perubahan dari bilah ke pelat terjadi pada interval 0,6% < C < 1,08%. Kekerasan dari martensit lebih dari 500 HVN.

f. Bainit 

Bainit merupakan fasa yang terjadi akibat transformasi pendinginan yang sangat cepat dimana semua unsur paduan masih larut dalam keadaan padat dan atom karbon tidak sempat berdifusi keluar. Pada proses pembentukan bainit, austenit dibiarkan bertransformasi secara isothermal menjadi ferit dan karbida diatas temperatur MS (temperatur permulaan reaksi martensit). Untuk ini diperlukan celup pada air garam untuk mencegah terbentuknya perlit pada temperatur yang lebih tinggi. Sehingga akan membentuk sifat bainit yang kuat dan tangguh. Kekerasan bainit kurang lebih berkisar antara 300 - 400 HVN.