Alloying Elements

Logam murni memiliki kisaran yang dibatasi oleh sifatnya dan ini membuat dibatasi penggunaannya sebagai material. Dengan membuat penambahanelemen disengaja dipilih untuk logam dasar. Elemen paduan dapat ditambahkan untuk meningkatkan kekerasan, kekuatan, meningkatkan ketangguhan, keuletan, meningkatkan ketahanan korosi, menghilangkan oksigen, mengontrol ukuran butir, dan lain-lain. Semua logam komersial mengandung lebih dari satu unsur paduan. Elemen paduan yang berbeda dapat ditambahkan untuk meningkatkan sifat yang berbeda atau mengkombinasi satu sama lainnya untuk meningkatkan properti tertentu. Paduan unsur tidak selalu bekerja dalam isolasi dalam logam dasar, kadang-kadang efek paduan dengan kombinasi elemen melebihi apa yang diharapkan dari jumlah efek dari elemen paduan individual. Ini interaksi elemen paduan dikenal sebagai efek multiplikatif. Sebagai contoh, baik kromium dan molibdenum dapat ditambahkan secara individual untuk memperkuat, sejumlah kecil molibdenum digunakan dalam hubungannya dengan kromium akan menghasilkan efek penguatan yang jauh lebih besar daripada jumlah kontribusi masing-masing. Baja(steels)  dibagi menjadi dua kelompok: karbon baja (carbon steel) dan baja paduan (alloy steel). Baja yang memiliki, karbon, maksimal 1,65% Mn, Si 0,60%, dan 0,60% Cu dan tidak ada unsur sengaja ditambahkan lainnya diklasifikasikan sebagai baja karbon. Unsur-unsur lain mungkin hadir dalam bentuk residual.


Beberapa alloying elements dan efeknya pada sifat-sifat baja antara lain:

Karbon - Ini adalah elemen utama dalam pengerasan baja. Seiring dengan meningkatan kadar karbon, maka akan semakin keras baja dan kekuatan tariknya, tapi dengan mengorbankan keuletan dan ketangguhan. Karbon penting untuk pembentukan cementite, pearlite, bainite, and martensitet. Karbon terlalu banyak dapat membuat forging, heat treating, dan welding lebih sulit

Sulfur - sama seperti phospor, sulfur dapat sengaja ditambahkan ke mesin baja untuk meningkatkan machinability, tetapi jika dianggap merugikan karena hal ini dapat mengganggu keuletan baja itu, ketangguhan, dan weldability. Sulfur dapat menggabungkan dengan besi untuk membentuk FeS. FeS dapat, pada gilirannya, kombinasikan dengan besi untuk membentuk eutektik yang memiliki titik leleh sekitar 1.812 ° F, jauh di bawah titik leleh baja, dan dengan demikian cenderung untuk memisahkan di sepanjang batas butir. Kebanyakan baja bekerja (ditempa, diekstrusi, dll) di atas 1.812 ° F, akibatnya, jika sejumlah besar sulfur ada dalam baja, intergranular (antara butir) ini dapat menyebabkan crack. 

Columbium - columbium (juga dikenal sebagai niobium) dalam jumlah yang sangat kecil secara signifikan dapat meningkatkan yield strength, toughness dan pada tingkat lebih rendah kekuatan tarik(tensile strenght) dengan memberikan fine grain size. Hal ini dapat meningkatkan sifat creep dan tarik logam pada temperatur tinggi oleh pertumbuhan butiran yang menghambat melalui pembentukan karbida

Mangan - Unsur ini hadir di semua baja komersial. Mangan adalah deoxidizer aktif. Ini digabungkan dengan belerang mencegah "hot shortness" 

Fosfor-ini umumnya dianggap pengotor(impurity), meskipun dapat ditambahkan dalam jumlah sampai 0,12% di beberapa baja mesin untuk machinability yg baik. Sementara itu meningkatkan kekerasan dan kekuatan, secara signifikan menurunkan keuletan dan ketangguhan, akibatnya dalam spesifikasi baja kebanyakan terbatas pada jumlah yang cukup rendah

Aluminium - ini digunakan dalam jumlah kecil (0,001-0,02%) untuk menghilangkan oksigen baja dan menghambat pertumbuhan butir. Hal ini kadang-kadang ditambahkan ke baja yang akan dinitriding sebesar 0,9-1,30% karena bentuk nitrida, keras stabil.

Titanium - adalah karbida kuat. Hal ini digunakan untuk membentuk karbida stabil dalam beberapa stainless  steel untuk mencegah sensitisasi. Karbida stabil juga menghambat pertumbuhan butir sehingga meningkatkan sifat suhu tinggi. Seperti columbium, titanium digunakan dalam jumlah kecil di beberapa mikro-alloy steel untuk meningkatkan yield strengthh dan tensile strength through grain refinement (penghalusan butiran).

Nitrogen - dalam jumlah lebih 0,004%, akan bereaksi dengan unsur lain (terutama aluminium) untuk membentuk nitrida, nitrida meningkatkan kekerasan baja dan kekuatan tarik( tensile strength), tapi menurunkan ketanguhan dan keuletan. Nitrogen banyak ditambahkan ke duplex dan jenis lainnya dari baja tahan karat yang tidak hardenable oleh perlakuan panas. Nitrogen juga cenderung untuk meningkatkan ketahanan korosi pada stainless steels (terutama ketahanan pitting).


Silicon - ini umumnya digunakan sebagai Deoxidizing dalam jumlah sampai 0,35%. 

Nikel - dapat meningkatkan kemampu kerasan baja dan jika dalam jumlah yang cukup, sehingga dapat meningkatkan ketangguhan( terutama pada suhu rendah). dan ketahanan korosi. Nikel dapat mengurangi kemungkinan distorsi selama pendinginan. Nikel adalah penstabil austenit yang kuat dan digunakan dalam seri 300 stainless steel untuk membuat struktur austenitik yang stabil dari suhu kriogenik sampai ke titik leleh. Ini memberikan kontribusi terhadap ketahanan korosi dari baja tahan karat.

Chromium - adalah agen pengerasan sangat efektif dalam baja dan digunakan dalam jumlah sampai dengan 4,0%. Tingginya kadar Chromium dapat memberikan ketahanan korosi( corrosion resistance) yang sangat baik untuk baja. Baja stainless, misalnya, berasal banyak ketahanan korosi mereka dari isi minimal 10,5% kromium. Kromium ini membentuk lapisan oksida pelindung pada permukaan stainless steel yang mengisolasinya dari lingkungan.

Molybdenum - meningkatkan kemampuan hardenability dan creep strengths of steel. 

Vanadium - Hal ini meningkatkan hardenability dan ketangguhan baja melalui kemampuannya untuk menghambat pertumbuhan butir pada range temperatur yang luas.

Boron - Boron secara signifikan dapat meningkatkan kemampuan pengerasan baja dalam jumlah serendah 0,0005%. Hal ini meningkatkan efek dari elemen paduan lain yang digunakan untuk penguatan. Boron umumnya terbatas pada jumlah yang sangat kecil karena dapat menyebabkan kekerasan tinggi atau masalah retak selama pengelasan.

Lead - Timbal tidak membentuk paduan dengan baja(steel). Bila ditambahkan ke beberapa mesin steel sebesar 0,15-0,35%, akanmembentuk dispersi timbal dengan baja yang akan meningkatkan machinability.