Profil Logam: Sifat dan Karakteristik Besi

Penggunaan zat besi oleh manusia dimulai sekitar 5.000 tahun. Ini adalah unsur logam kedua yang paling melimpah di kerak bumi dan terutama digunakan untuk memproduksi baja, salah satu bahan struktural paling penting di dunia.

Sebelum terlalu jauh ke dalam sejarah dan kegunaan modern untuk besi, mari kita tinjau dasar-dasarnya:

• Simbol atom: Fe
• Nomor atom: 26
• Kategori elemen: Logam transisi
• Kepadatan: 7.874g / cm³
• Titik lebur: 2800 ° F (1538 ° C)
• Titik didih: 5182 ° F (2862 ° C)
• Kekerasan Moh: 4

Besi murni adalah logam berwarna perak yang menghantarkan panas dan listrik dengan baik. Besi terlalu reaktif untuk eksis sendirian, sehingga hanya terjadi secara alami di kerak bumi seperti bijih besi, seperti hematit, magnetit, dan siderit.

Salah satu ciri pengidentifikasi besi adalah kuat magnetik. Terkena medan magnet yang kuat, setiap bagian dari besi dapat bermagnet. Para ilmuwan percaya bahwa inti bumi terdiri dari sekitar 90% besi. Gaya magnet yang dihasilkan oleh besi ini adalah apa yang menciptakan kutub utara dan selatan yang magnetis.

Besi itu awalnya ditemukan dan diekstraksi sebagai hasil dari pembakaran kayu di atas bijih yang mengandung besi.Karbon di dalam kayu akan bereaksi dengan oksigen dalam bijih, meninggalkan lunak, lunak logam besi. Peleburan besi dan penggunaan besi untuk membuat alat dan senjata dimulai di Mesopotamia (Irak sekarang) antara 2700 dan 3000 SM. Selama 2.000 tahun berikutnya, pengetahuan peleburan besi menyebar ke timur ke Eropa dan Afrika selama periode yang dikenal sebagai Zaman Besi.

Dari abad ke-17, hingga metode yang efisien untuk memproduksi baja ditemukan pada pertengahan abad ke-19, besi semakin banyak digunakan sebagai bahan struktural untuk membuat kapal, jembatan, dan bangunan. Menara Eiffel, dibangun pada tahun 1889, dibuat menggunakan lebih dari 7 juta kilogram besi tempa.

Karakteristik besi yang paling menyusahkan adalah kecenderungannya untuk membentuk karat. Karat (atau oksida besi) adalah senyawa coklat yang mudah hancur yang dihasilkan ketika zat besi terpapar oksigen. Gas oksigen yang terkandung dalam air mempercepat proses korosi. Tingkat karat — seberapa cepat besi berubah menjadi oksida besi — ditentukan oleh kandungan oksigen air dan luas permukaan besi. Air asin mengandung lebih banyak oksigen daripada air tawar, itulah sebabnya air asin lebih cepat berkarat dari air tawar.

Karat dapat dicegah dengan melapisi besi dengan logam lain yang secara kimiawi lebih menarik terhadap oksigen, seperti seng (proses pelapisan besi dengan seng disebut sebagai "galvanisasi"). Namun, metode yang paling efektif untuk melindungi terhadap karat adalah penggunaan baja.

Baja adalah paduan besi dan berbagai logam lainnya, yang digunakan untuk meningkatkan sifat (kekuatan, ketahanan terhadap korosi, toleransi panas, dll) dari besi. Mengubah jenis dan jumlah elemen yang dicampur dengan besi dapat menghasilkan berbagai jenis baja.

Baja yang paling umum adalah:

• Baja karbon, yang mengandung antara 0,5% dan 1,5% karbon: Ini adalah jenis baja yang paling umum, digunakan untuk badan mobil, lambung kapal, pisau, mesin, dan semua jenis pendukung struktural.
• Baja paduan rendah, yang mengandung 1-5% logam lainnya (sering kali nikel atau tungsten): Baja nikel dapat menahan tingkat ketegangan yang tinggi dan, karenanya, sering digunakan dalam konstruksi jembatan dan untuk membuat rantai sepeda. Baja tungsten menjaga bentuk dan kekuatannya di lingkungan bersuhu tinggi, dan mereka digunakan dalam aplikasi putaran dan impak, seperti mata bor.
• Baja paduan tinggi, yang mengandung 12-18% logam lainnya: Baja jenis ini hanya digunakan dalam aplikasi khusus karena biayanya yang tinggi. Salah satu contoh baja paduan tinggi adalah stainless steel, yang sering mengandung kromium dan nikel, tetapi dapat dicampur dengan berbagai logam lain juga. Stainless steel sangat kuat dan sangat tahan terhadap korosi.

Kebanyakan besi dihasilkan dari bijih yang ditemukan di dekat permukaan bumi.Teknik ekstraksi modern menggunakan blast furnace, yang ditandai dengan tumpukan tinggi (struktur seperti cerobong). Setrika dituangkan ke dalam tumpukan bersama dengan kokas (batubara kaya karbon) dan batu kapur (kalsium karbonat). Saat ini, bijih besi biasanya melalui proses sintering sebelum memasuki tumpukan. Proses sintering membentuk potongan-potongan bijih yang 10-25mm, dan potongan-potongan ini kemudian dicampur dengan coke dan batu kapur.

Bijih yang disinter, kokas, dan batu kapur kemudian dituangkan ke dalam tumpukan di mana ia terbakar pada 1.800 derajat Celcius. Kokas terbakar sebagai sumber panas dan, bersama dengan oksigen yang ditembakkan ke tungku, membantu membentuk gas karbon monoksida pereduksi. Batu kapur bercampur dengan kotoran di dalam besi untuk membentuk terak. Terak lebih ringan dari bijih besi cair, sehingga naik ke permukaan dan dapat dengan mudah dihilangkan. Besi panas kemudian dituangkan ke dalam cetakan untuk menghasilkan besi kasar atau langsung disiapkan untuk produksi baja.

Besi kasar masih mengandung antara 3,5% dan 4,5% karbon,bersama dengan kotoran lainnya, dan rapuh dan sulit untuk dikerjakan. Berbagai proses digunakan untuk menurunkan pengotor fosfor dan sulfur pada besi kasar dan menghasilkan besi cor. Besi tempa, yang mengandung kurang dari 0,25% karbon, tangguh, mudah ditempa dan mudah dilas, tetapi jauh lebih sulit dan mahal untuk diproduksi daripada baja karbon rendah.

Pada 2010, produksi bijih besi global sekitar 2,4 miliar ton. Cina, produsen terbesar, menyumbang sekitar 37,5% dari semua produksi, sementara negara-negara penghasil utama lainnya termasuk Australia, Brasil, India, dan Rusia. Survei Geologi AS memperkirakan bahwa 95% dari semua tonase logam yang diproduksi di dunia adalah besi atau baja.

Besi pernah menjadi bahan struktural utama, tetapi sejak itu telah digantikan oleh baja di sebagian besar aplikasi. Namun demikian, besi cor masih digunakan dalam pipa dan suku cadang otomotif seperti kepala silinder, blok silinder, dan kotak gir. Besi tempa masih digunakan untuk menghasilkan barang-barang dekorasi rumah, seperti rak anggur, tempat lilin, dan batang tirai.