kegunaan besi

Kegunaan

Besi merupakan logam paling biasa digunakan di antara semua logam, iaitu merangkumi sebanyak 95 peratus daripada semua tan logam yang dihasilkan di seluruh dunia. Gabungan harganya yang murah dengan kekuatannya menjadikan ia amat diperlukan, terutamanya dalam penggunaan seperti kereta, badan kapal bagi kapal besar, dan komponen struktur bagi bangunan. Besi waja merupakan aloi besi paling dikenali, dan sebahagian dari bentuk yang dibentuk oleh besi termasuk:

• Besi mentah atau Pig iron yang mengandungi 4% – 5% karbon dengan sejumlah bendasing seperti belerang, silikon dan fosforus. Kepentingannya adalah ia merupakan perantaraan daripada bijih besi kepada besi tuang dan besi waja.
• Besi tuang (Cast iron) mengandungi 2% – 3.5% karbon dan sejumlah kecil mangan. Bendasing yang terdapat di dalam besi mentah yang dapat memberikan kesan buruk kepada sifat bahan, seperti belerang dan fosforus, telah dikurangkan kepada tahap boleh diterima. Ia mempunyai takat lebur pada julat 1420–1470 K, yang lebih rendah berbanding dua komponen utamanya, dan menjadikannya hasil pertama yang melebur apabila karbon dan besi dipanaskan serentak. Sifat mekanikalnya berubah-ubah, bergantung kepada bentuk karbon yang diterap ke dalam aloi. Besi tuang 'putih' mengandungi karbon dalam bentuk cementite, atau besi karbida. Sebatian keras dan rapuh ini mendominasi sifat-sifat utama besi tuang 'putih', menyebabkannya keras, tetapi tidak tahan kejutan. Dalam besi tuang 'kelabu', karbon hadir dalam bentuk serpihan halus grafit, dan ini juga menyebabkan bahan menjadi rapuh kerana ciri-ciri grafit yang mempunyai pinggir-pinggir tajam yang merupakan kawasan tegasan tinggi. Jenis besi kelabu yang baru, yang dinamakan 'besi mulur', adalah dicampur dengan kandungan surih magnesium untuk mengubah bentuk grafit menjadi sferoid, atau nodul, lantas meningkatkan ketegaran dan kekuatan besi.
• Besi karbon mengandungi antara 0.5% dan 1.5% karbon, dengan sejumlah kecil mangan, belerang, fosforus, dan silikon.
• Besi tempa (Wrought iron) mengandungi kurang daripada 0.5% karbon. Ia keras, mudah lentur, dan tidak mudah dilakurkan berbanding dengan besi mentah. Ia mempunyai sejumlah kecil karbon, beberapa persepuluh peratus. Jika ditajamkan menjadi tirus, ia cepat kehilangan ketajamannya.
• Besi aloi (Alloy steel) mengandungi kandungan karbon yang berubah-ubah dan juga logam-logam lain, seperti kromium, vanadium, molibdenum, nikel, tungsten dsb.
• Besi oksida (III) digunakan dalam penghasilan storan magnetik dalam komputer. Ia sering dicampurkan dengan bahan lain, dan mengekalkan ciri-ciri mereka dalam larutan.

Sejarah

Tanda-tanda pertama kegunaan besi datangnya dari Sumeria dan Mesir, di mana sekitar 4000 SM, benda kecil, seperti mata lembing dan perhiasan, dihasilkan dari besi yang didapati dari meteor. Oleh kerana meteor jatuh dari langit sebahagian ahli bahasa menjangkakan bahawa perkataan Inggeris iron, yang which has cognates in many northern and bahasa Eropah barat, terhasil dari perkataan Etruska aisar yang bererti "Dewa-dewa".
Sekitar 3000 SM hingga 2000 SM, semakin banyak objek besi yang dikerjakan dihasilkan (dibezakan dengan besi meteor melalui ketiadaan nikel dalam barangan besi tersebut) di Mesopotamia, Anatolia, dan Mesir. Bagaimanapun, kegunaannya kemungkinannya untuk upacara tertentu, dan besi merupakan logam yang mahal, lebih mahal berbanding emas. Dalam epik Iliad, kebanyakan senjata merupakan gangsa, tetapi ketulan besi digunakan untuk perdagangan. Sebahagian sumber (lihat rujukan What Caused the Iron Age? di bawah) mencadangkan bahawa besi dihasilkan sebagai hasil sampingan dari penyucian tembaga ketika itu, sebagai besi span, dan tidak dihasilkan oleh pakar logam masa itu. Pada 1600 SM hingga 1200 SM, besi digunakan secara lebih meluas di Timur Tengah, tetapi tidak menggantikan kegunaan gangsa.

Kapak besi dari Zaman Besi Sweden yang ditemui di Gotland, Sweden.

Dari tempoh abad ke-12 SM hingga abad ke-10 SM, terdapat peralihan pantas di Timur Tengah dari segi peralatan dan senjata gangsa kepada besi. Faktor utama peralihan ini tidak kelihatannya sebagai kelebihan teknologi kerjabesi, tetapi sebaliknya disebabkan gangguan bekalan timah. Tempoh peralihan ini, yang berlaku pada tempoh berlainan ditempat berlainan di dunia, mengorak langkah ke zaman tamadun yang dikenali sebagai Zaman Besi.
Serentak dengan peralihan dari gangsa kepada besi adalah jumpaan proses pengkarbonan, yang merupakan proses menambah karbon kepada besi masa itu. Besi yang dihasilkan adalah besi span, campuran besi dan sanga dengan karbon dan karbida, yang kemudiannya diketuk dan dilipat untuk membebaskan jismi slag dan mengoksidakan kandungan karbon, dengan itu menghasilkan besi tempa. Besi tempa amat kurang kandungan karbon dan tidak mudah dikeraskan melalui celupan. Orang-orang Timur Tengah mendapati bahawa hasil yang lebih keras boleh dihasilkan dengan memanaskan objek besi tempa dalam campuran arang untuk tempoh yang lama, dan kemudiannya dicelup dalam air atau minyak. Barangan yang terhasil, yang mempunyai permukaan besi waja, adalah lebih keras dan tahan berbanding gangsa yang digantikannya.
Di negara China besi pertama digunakan juga adalah besi meteor, dengan bukti arkeologi mengenai barangan besi tempa muncul di barat laut, berhampiran Xinjiang, pada abad ke-8 SM. Barangan ini dibuat dengan besi tempa, dicipta melalui proses yang sama dengan yang digunakan di Timur Tengah dan Eropah, dan dipercayai diimport oleh penduduk bukan Cina.
Pada tahun-tahun terakhir Dinasti Zhou (ca 550 BC), keupayaan penghasilan barangan besi bermula disebabkan teknologi tanur yang berkembang tinggi. Menghasilkan rerelau bagas (blast furnace) yang berupaya menghasilkan suhu melebihi 1,300 K, negara Cina telah memajukan penghasilan besi tuang, atau besi mentah
Jika bijih besi dipanaskan serentak dengan karbon sehingga 1420–1470 K, cecair likat terbentuk, satu aloi sekitar 96.5% besi dan 3.5% karbon. Hasil ini kuat, boleh dibentuk menjadi bentuk halus, tetapi terlalu rapuh untuk dibentuk, kecuali ia dinyahkarbon (decarburized) untuk menyingkir kebanyakan karbon. Sebahagian besar penghasilan besi zaman Dinasti Zhou berikut, adalah besi tuang. Besi, bagaimanapun, kekal sebagai penghasilan orang bawahan, digunakan oleh peladang selama beberapa ratus tahun, dan tidak menarik minat kaum bangsawan China sehingga Sinasti Qin (sekitar 221 SM).
Besi tuang mundur di Eropah, disebabkan pelebur Eropah hanya mampu mencapai suhu sekitar 1000 K. Sebahagian besar Abad Pertengahan, di Eropah Barat, besi masih dihasilkan dengan menggunakan besi sponge menjadi besi tempa. Contoh besi tuang yang terawal di Eropah dijumpai dua tempat di Sweden, Lapphyttan dan Vinarhyttan, antara 1150 hingga 1350. Terdapat cadangan oleh para penyelidik bahawa ia mungkin diperkenalkan oleh puak Mongol menyeberangi Russia ketapak tersebut, tertapi tidak terdapat bukti kepada hipothesis ini. Bagaimanapun, menjelang akhir abad ke empat belas, pasaran bagi besi tuang mulai terbentuk, sebagai permintaan bagi peluru meriam yang diperbuat daripada besi tuang.
Peleburan besi awal (sebagaimana proses ini dikenali) menggunakan arang sebagai sumber haba dan agen penurun. Pada abad ke-18 bekalan kayu di England kehabisan dan kok(arang), bahanapi fosil, digunakan sebagai ganti. Innovasi ini oleh Abraham Darby membekalkan tenaga untuk Revolusi Perindustrian di England.