Sejarah awal kemunculan ilmu metalurgi di muka bumi

Disiar dalam Majalah Dewan Kosmik Oktober 2010

Sejarah awal kemunculan ilmu metalurgi di muka bumi

Muhammad Nuruddin Bashah

Bc Hons (Material Eng) Universiti Malaya

Besi adalah sumber bahan anugerah Tuhan yang cukup ternilai di samping anugerah lain seperti getah, batu, gas dan kayu yang merupakan asas kepada perkembangan kejuruteraan bahan tamadun manusia. Manipulasi dan aplikasi besi sepanjang zaman juga menyaksikan perkembangan inovasi teknologi manusia terhadap besi dan ia dinamakan perkembangan ilmu metalurgi. Ilmu ini bermula daripada penelitian manusia purba terhadap bijih besi dan penggunaan asas yang boleh dicipta, bagaimana mengekstraknya daripada bijih dan berubah ke teknologi fondri iaitu teknologi tertua dalam ilmu logam dan besi. Daripada teknologi fondri dan tuangan (casting), berubah pula kepada teknologi pemicitan dan pemampatan besi (milling, pressing dan forging) yang menyebabkan manusia berjaya membentuk alat bantuan mereka mengikut kehendak penggunaannya.

Sejarah metalurgi besi bermula jauh sebelum prasejarah, kemungkinan besar bermula dengan penggunaan besi dari meteorit. Teknologi peleburan besi ‘Bloomery’ dicatatkan bermula pada abad ke-12 SM di India, Anatolia (Turki) atau Kaukasus (Iran). Menurut Duncan E. Miller dan N.J. Van Der Merwe, di dalam tulisan mereka 'Early Metal Working in Sub Saharan Africa' Journal of African History 35 (1994), sejarah manusia menggunakan besi dalam peleburan dan penempaan untuk alat-alat telah muncul di sekitar Sahara Afrika pada 1200 SM. Penggunaan besi tempa (wrought iron) turut dikenali sejak abad pertama SM. Selama tempoh abad pertengahan, di Eropah telah ditemui penghasilan besi tempa. Untuk semua proses ini, hanya arang yang diperlukan sebagai bahan bakar.

Sebelum pergi jauh ke zaman kuno, mari kita perhatikan penggunaan besi tempa di zaman kebangkitan industri di Eropah. Besi tempa (wrought iron) adalah gabungan besi dengan kadar karbon sangat rendah, berbanding dengan keluli, dan ia mengandungi bahan terperangkap tak tulen (trapped impurities), yang dikenali sebagai slanga. Besi tempa sangat kuat, mudah ditempa (melleable), mulur dan mudah dikimpal. Secara historis, dikenali sebagai "besi tulen komersil tetapi tidak lagi memenuhi keperluan kerana piawaian zaman itu untuk besi tulen komersial memerlukan kandungan karbon kurang dari 0.008%.

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 yang dipelopori oleh Abraham Darby ini membekalkan tenaga untuk Revolusi Perindustrian di England.

Sebelum pembangunan kaedah berkesan pembuatan keluli dan ketersediaan jumlah besar dari keluli, besi tempa adalah besi paling terkenal dalam ketogari besi mudah lentur. Besi tempa juga digunakan sebagai bahan mentah untuk pembuatan keluli yang lebih maju dan tahan, terutama untuk menghasilkan pedang, sudu garpu dan pisau. Zaman moden memperlihatkan permintaan untuk besi tempa mencapai puncaknya pada tahun 1860-an dengan teknologi kapal perang kuat dan kereta api, tetapi kemudiannya menurun selepas kemunculan teknologi keluli.

Besi tempa pada awalnya menurut R. F. Tylecote, dalam bukunya A History of Metallurgy (1992), telah dihasilkan melalui pelbagai proses pelakuran, yang kemudiannya dikenali sebagai ‘bloomeries’. Pelbagai bentuk bloomeri digunakan di berbagai-bagai tempat dan zaman. Bloomeri tersebut dimasukkan (charging) dengan arang dan bijih besi dan kemudian dimulakan. Udara ditiup melalui tuyere untuk memanaskan bloomeri ke suhu yang menghampiri bawah titik lebur besi. Sepanjang perlakuran berjalan, slanga (slag) akan mencair dan mengalir keluar, dan karbon monoksida dari arang akan menurunkan bijih (besi oksida) menjadi besi. Besi tersebut kekal dalam keadaan pepejal dalam keadaan seolah-olah span. Jika bloomeri itu dibenarkan menjadi cukup panas untuk mencairkan besi, karbon akan larut ke dalamnya dan membentuk pig iron atau besi core.

Rajah : Teknik bloomeri dan penghasilan besi tempa pada zaman silam China

Setelah pelakuran selesai, bloom itu dikeluarkan, dan proses itu kemudian boleh bermula lagi. Bloom yang bersifat span itu mengandungi besi dan silikat (slanga) dari bijih. Bloom itu ditempa secara mekanikal untuk dibentukkan ke bentuk bar, dan kaedah pengetukan ini juga digunakan untuk membuang lapisan slanga.

Rajah : Menara Eiffel menggunakan besi tempa

Keluli atau juga dikenali sebagai Baja (dengan kadar karbon lebih kecil dari besi pig tetapi lebih dari besi tempa) pertama kali dihasilkan selepas manusia tahu bagaimana untuk menyisihkan slanga dan kandungan yang merapuhkan besi iaitu fosforu dan sulfur. Kaedah awal menghasilkan melalui pengkarbonan besi bar dalam proses sementasi yang diciptakan pada abad ke-17 Masihi. Dalam Revolusi Industri, kaedah baru untuk menghasilkan besi Bar tanpa karbon yang dirancang dan ini kemudian digunakan untuk menghasilkan keluli. Pada akhir 1850, Henry Bessemer mencipta proses pembuatan keluli yang baru, yang melibatkan teknik peniupan udara melalui pig iron cair, untuk menghasilkan keluli ringan.

Apa yang istimewa dengan besi anugerah tuhan ini? Selain ianya keras dan tahan, ia menjadi alat utama untuk pembuatan bahan material lain atau asas untuk mencipta mesin dan alatan (tool) yang lain. Atom besi mempunyai 56 ganda jisim atom hidrogen biasa. Besi adalah logam paling banyak, dan dipercayai unsur kimia kesepuluh paling banyak di bumi. Besi juga merupakan unsur paling banyak (menurut jisim, 34.6%) membentuk Bumi; penumpuan besi pada lapisan berlainan di Bumi berbeza antara tinggi peratusannya pada lapisan dalam sehingga 5% pada kerak bumi. Terdapat kemungkinan bahawa teras dalam Bumi mengandungi hablur besi tunggal walaupun ia berkemungkinan sebatian besi dan nikel. Jumlah besar besi dalam Bumi dipercayai menyumbang kepada medan magnet Bumi. Simbol kimianya adalah ‘Fe’ ringkasan kepada ferrum, perkataan Latin bagi besi.

Besi adalah logam yang dihasilkan dari bijih besi, dan jarang dijumpai dalam keadaan unsur bebas. Untuk mendapatkan unsur besi, campuran lain mesti disingkir melalui penurunan (reduction) kimia. Besi digunakan dalam penghasilan besi waja, yang bukan lagi unsur tetapi aloi iaitu sebatian logam yang berlainan (dan sebahagian bukan-logam, terutamanya karbon).

Fakta sejarah membuktikan manusia pertama menggunakan besi daripada metorit dan terbukti ia berasal dari angkasa lepas. Besi hanya boleh terbentuk dalam suhu beberapa ratus juta darjah celcius, sedangkan matahari hanya mempunyai suhu permukaan sebanyak 6000 darjah celcius, dan suhu keraknya di anggarkan kira-kira 20 juta darjah celsius.

Fakta ini menunjukkan bahawa besi yang terdapat di bumi bukan berasal dari bumi. Sebaliknya penemuan astronomi moden membuktikan bahawa besi yang terdapat di bumi terbentuk di bintang-bintang gergasi lain di angkasa lepas. Malah, semua besi yang wujud di sistem solar kita ini juga berasal daripada galaksi lain.

Allah berfirman "... dan kami telah menurunkan besi dengan keadaannya yang mengandungi kekuatan yang handal serta berbagai faedah lagi bagi manusia.(Dijadikan besi dengan keadaan demikian, supaya manusia menggunakan faedah-faedah itu dalam kehidupan mereka sehari-hari.)" Surah al-Hadid 57:25)

Disebabkan meteorit jatuh dari langit, beberapa ahli bahasa telah menduga bahawa istilah besi dalam bahasa Inggeris iaitu ‘iron’ terhasil dari perkataan Etruska aisar yang bermaksud "dewa-dewa". Bahkan jika ini tidak berlaku, kata tersebut kemungkinan pinjaman kepada pra-Proto-Jermanik dari Celtic atau Italic.

Tanda-tanda pertama pemakaian besi yang cukup awal dikatakan berasal dari Mesir Kuno dan Sumer, di mana sekitar 4000 SM benda-benda kecil, seperti hujung tombak dan ornamen, dibuat daripada besi meteorit. Dahulu besi digunakan untuk upacara agama, dan besi mungkin merupakan logam yang termahal, dan mungkin lebih mahal daripada emas pada zaman itu. Sekitar 6% daripada meteorit terdiri daripada gabungan besi-nikel membolehkan masyarakat kuno menghasilkan sejumlah kecil artifak besi yang cukup tahan lama.

Di Mesir Purba, ilmu metalurgi juga dikatakan berakar umbi. Secara asasnya, ilmu kaji logam merupakan cabang sains dan teknologi yang melibatkan penapisan daripada bahan-bahan kasar, pembentukan dan pemeliharaan pelbagai jenis logam dan sebatiannya. Kajian terhadap tamadun Mesir Purba menunjukkan bahawa sekitar 3,000 dan 3,500 tahun dulu, masyarakat Mesir merupakan pakar dalam pengekstrakan dan penghasilan pelbagai mineral dan logam, terutamanya emas, tembaga dan besi. Ilmu kaji logam yang jauh berkembang membuktikan bahawa mereka lebih maju dalam pencarian, pengekstrakan dan penghasilan bijih, serta mempunyai ilmu kimia yang baik.

Kajian arkeologi telah mendedahkan bahawa masyarakat Mesir telah mula menghasilkan kerja terperinci berkenaan bijih tembaga dan sebatian logam sekitar 3,400 SM Dalam Dinasti Keempat (sekitar 2,900 SM), kajian dan operasi perlombongan diawasi oleh pegawai-pegawai berkedudukan tinggi dan dipercayai dikawal selia oleh anak-anak Firaun.

Menurut Harun Yahya, masyarakat Mesir purba juga menggunakan besi sebagai tambahan untuk tembaga. Timah (stanum) digunakan untuk menghasilkan gangsa (kuprum dan zink), dan kobalt untuk mewarna kaca. Logam yang tidak terdapat secara semulajadi di Mesir telah diimport dari wilayah lain, terutamanya Parsi. Logam yang sering digunakan dan paling dihargai adalah emas dan besi. Ratusan lombong emas telah ditemui di Mesir dan sebahagian Sudan. Sekeping papirus kurun ke-14 sebelum Masihi mengandungi pelan-pelan lombong emas berhampiran Apollinopolis, sekaligus membuktikan kemahiran masyarakat Mesir berkaitan bidang berkenaan. Papirus tersebut menerangkan tentang pembinaan lebih daripada 1,300 buah kediaman pekerja di sekitar lombong. Ini menjelaskan tentang kepentingan pertukangan emas dan seni permata hiasan dalam Mesir kuno. Sesungguhnya, ratusan objek emas hiasan yang ditemui dalam penggalian arkeologi adalah bukti bahawa masyarakat Mesir purba merupakan pelombong dan pekerja logam yang pakar.

Ini juga menunjukkan bahawa mereka mempunyai pengetahuan saintifik dan teknologi yang diperlukan untuk mengenal pasti logam, mengekstrak bijih daripadanya, menghaluskan (refining) logam dan mengekstraknya, kemudian menggabungkannya untuk menghasilkan aloi.

Antara tanda-tanda pertama kegunaan besi juga berada di Sumeria dan Mesir, di mana sekitar 4000 SM, benda kecil, seperti mata lembing dan perhiasan, dihasilkan dari besi yang didapati dari meteor.

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 mencadangkan bahawa besi dihasilkan sebagai hasil sampingan dari penulenan tembaga ketika itu, sebagai besi span (wrought iron), 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.

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 slanga dan mengoksidakan kandungan karbon, dengan itu menghasilkan besi tempa. Besi tempa seperti yang telah dibincangkan 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. Ini kaedah lindapkejut (tempering) yang kemudian dimajukan oleh orang Barat.

Di negara China, besi pertama digunakan juga adalah besi meteor, dengan bukti arkeologi mengenai barangan besi tempa muncul di barat laut, berhampiran Xinjiang suatu daerah yang kini cukup subur industri logamnya, 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 1030 darjah Celsius, negara Cina telah memajukan penghasilan besi tuang, atau besi mentah.

Jika bijih besi dipanaskan serentak dengan karbon sehingga 1146.85 C–1196.85 C, 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 (cast iron). Besi, bagaimanapun, kekal sebagai penghasilan orang bawahan, digunakan oleh peladang selama beberapa ratus tahun, dan tidak menarik minat kaum bangsawan China sehingga Dinasti Qin (sekitar 221 SM).

Besi tuang pada awalnya mundur di Eropah, disebabkan pelebur Eropah hanya mampu mencapai suhu sekitar 1000 K (726.85 C) sahaja. Sebahagian besar Abad Pertengahan, di Eropah Barat, besi masih dihasilkan dengan menggunakan besi sponge menjadi besi tempa. Contoh besi tuang (cast iron) yang terawal di Eropah dijumpai dua tempat di Sweden, Lapphyttan dan Vinarhyttan, antara 1150 hingga 1350 M. Terdapat cadangan oleh para penyelidik bahawa ia mungkin diperkenalkan oleh puak Mongol menyeberangi Russia ke tahap tersebut, tetapi tidak terdapat bukti kepada hipotesis ini. Bagaimanapun, menjelang akhir abad ke 14, pasaran bagi besi tuang mulai terbentuk, sebagai permintaan bagi peluru meriam yang diperbuat daripada besi tuang.

Casting (tuangan) adalah proses seusia 6,000 tahun lampau di India. Telah disebutkan dalam beberapa karya Sanskrit seperti Shilpashastra berasal dari Sthapatyaveda mengandungi prinsip-prinsip semua jenis struktur buatan amnusia, dipercayai berasal dari Atharvaveda, salah satu daripada empat pokok Veda. Penulis asal dikatakan Viswakarma dan Maya, iaitu 'ketua jurutera 'para dewa dan roh-roh jahat, masing-masing. Rigveda menyebutkan peralatan yang digunakan dalam tuangan (casting), seperti dhamatri (kubah cupola), gharma aranmaya (bekas crucible) dan bhastri untuk menyediakan bekalan udara beroksigen(blower).

Produk yang dicipta termasuk lampu, pintu, bingkai, memasak dan alat-alat pertanian. Logam Tuang gangsa terawal termasuk patung gadis menari 11 cm ditemui di Mohen-jo-daro (Tarikh sekitar 3000 SM).

Rajah : patung gadis menari 3000 SM

Sisa-sisa peradaban Harappan mengandungi ‘kiln’ untuk peleburan jongkong tembaga, peralatan casting peralatan, batu cetakan, cetakan ornamen, patung dan lain-lain item dari tembaga, emas, perak dan timah. Besi telah disebutkan dalam Veda sebagai ‘ayas’, atau besi tiang, panah, cangkuk, kuku, mangkuk dan belati tarikh 2000 SM atau sebelum telah dijumpai di Delhi, Roopar, Nashik dan tempat-tempat lain.

Kitab Ratnakar Ras ditulis oleh Nagarjuna dalam 50 SM menceritakan teknik penyulingan zink, terbukti melalui penggalian terbaru di Zawar, Rajasthan. Tiang Besi Delhi, berdiri 23 kaki, beratnya 6 tan dan mengandungi besi 99,72% tanpa tanda-tanda karat, adalah contoh yang luar biasa ilmu metalurgi pada abad ke-5 AD. Patung Vishnu Dinasti Chola (abad 9) menjadi bukti untuk amalan tuangan yang rumit di India. Patung-patung di India telah menggunakan kaedah vidhana madhuchista (hilang lilin) iaitu proses investment casting.

Jelasnya tamadun manusia telah menjumpai pelbagai aplikasi besi dan teknik metalurgi berdasarkan kajian para metalurgis sepanjang zaman. Artifak dan bahan sejarah yang ditemui menjadikan para jurutera moden hari ini lebih mengenali transformasi ilmu metalurgi daripada pelbagai tamadun dan benua. Di sini juga perkaitan dan perkongsian kebijakan serta kepintaran teknologi antara tamadun menjelmakan hakikat kemanusiaan iaitu perlunya manusia hidup sebagai komuiti yang bertoleransi.

Muhammad Nuruddin Bashah