Besi Tuang (CAST-IRON)

PENGERTIAN

Besi tuang (cast Iron) dapat didefinisikan sebagai paduan dari besi dengan lebih dari 1,7 % karbon, biasanya kadar karbon ini berada pada kisaran antara 2,4 hingga 4 %, merupakan bahan yang relatif mahal, dimana bahan ini diproduksi dari besi mentah cair, atau besi/baja tua, ini merupakan produk besi tuang yang memiliki fungsi mekanis sangat penting dan diproduksi dalam jumlah besar. Prosesnya sering dilakukan dengan cara menambahkan unsur graphite ke dalam ladle sebagai pengendali. paduan besi tuang (alloy iron castings) bahannya telah dilakukan penghalusan (refined) dan pemaduan besi mentah (pig iron). produk-produk seperti crankshaf, conecting rod dan element dari bagian-bagian mesin sebelumnya dibuat dari baja tempa (steel forgings), sekarang lebih banyak menggunakan high-duty alloy iron casting. Benda-benda tuangan dapat membentuk bagian bentuk yang rumit dibandingkan dengan bentuk-bentuk benda hasil tempa (wrought) kendati diperlukan proses machining, akan tetapi dapat diminimalisir dengan memberikan kelebihan ukuran sekecil mungkin dari bentuk yang dikehendaki (smaller allowance), olleh karena itu produk penuangan relatif lebih sedikit dibandin dengan produk tempa.

PROSES PRODUKSI PENUANGAN
Proses produksi benda-benda tuangan dilakukan dengan terlebih dahulu meleburkan Besi mentah (pig Iron) didalam dapur peleburan, dimana bahan tuangan ditambah dengan besi tua atau baja tua sebelum dicor.

Untuk proses pencairan ini dilakukan dengan berbagai metoda pemakaian dapur, antara lain :

Dapur Cupola (Cupola Furnance), dapur ini merupakan salah satu dapur pemanas yang paling banyak atau hampir 90 % digunakan dalam melakukan peleburan dalam fungsi penuangan (pengecoran). Metoda yang lain juga sering digunakan terutama untuk kebutuhan produk cast iron dengan kualitas khusus.

Secara prinsip terdapat 3 type dapur peleburan yang dapat kita gunakan, yaitu :

a) Dapur udara, atau dapur api (reverberatory furnance)

b) Dapur putar (Rotary Furnance)

c) Dapur listrik (Electric Furnance)

DAPUR COPULA (CUPOLA FURNACE)
Dapur cupola (gambar 3.2) merupakan dapur peleburan yang memiliki prinsip kerja serta konstruksinya sama dengan dapur tinggi, namun dalam sekala yang lebih kecil. Perbedaannya dapur cupola pemakaiannya tidak bersifat terus-menerus (continuously) sebagaimana dapur tinggi namun dapat digunakan sewaktu-waktu jika diperlukan pengecoran. Untuk mengoperasikan dapur cupola ini kokas sebagai bahan bakarnya didesak kedalam dapur, demikian pula lapisan pengganti yakni pecahan besi mentah serta kokas juga baja rongsokan dan besi tua dimasukan kedalamnya serta sejumlah batu kapur (limestone) sebagai fluksi dari asap kokas. Selain kokas sebagai bahan bakar pada dapur cupola ini juga digunakan oli atau gas.

DAPUR UDARA ATAU DAPUR API (AIR OR REVERBERATORY FURNACE)
Di dalam dapur bahan bakar dibakar pada panggangan dibagian ujung dapur sehingga pembakaran tidak berhubungan dengan pengisian, dan panas yang dihasilkan dari pembakaran dialirkan melalui atap dapur dibagian atas pengisian. ini adalah dapur peleburan dengan proses yang lambat kendati kurang ekonomis dibanding dengan dapur cupola. dapur api merupakan dapur tertutup yang memungkinkan semua komposisi tidak keluar dari dalam dapur 

DAPUR PUTAR (ROTARY FURNACE)
Dapur putar (rotary furnace) digunakan sebagai dapur peleburan dalam memproduksi besi tuang dengan kualitas khusus, pemanasannya diperoleh dari semburan bahan bakar cair, oli atau gas ke dalam tabung peleburan yang selalu berputar atau bergerak dengan penggerak rantai atau penggerak gesek, gerakan memutar ini memungkinkan proses peleburan menjadi lebih merata. 

Pada dasarnya dapur peleburan ini merupakan tungku penghasil panas dengan temperatur kerja diatas titik cair dari bahan yang akan diproses, demikian halnya dengan dapur listrik ini. Yang berbeda dari dapur listrik dengan dapur-dapur lainnya adalah system pembentukan panasnya dimana panas pada dapur listrik diperoleh dari energi listrik yang dialirkan melalui electrode atau busur sebagai penghantar. Dengan logam sebagai bahan baku produk dimana juga merupakan penghantar arus listrik , maka hantaran listrik dapat dilakukan dengan 2 cara yakni secara langsung atau yang disebut dengan “direct arc” dan tidak langsung atau yang disebut “indirect arc”. Perletakan dari macam-macam Dapur peleburan dapat dilihat pada gambar berikut.

Unsur Karbon biasanya akan muncul didalam besi tuang dalam proses pendinginan secara perlahan-lahan tergantung pada bentuk struktur dari besi tuang itu sendiri, antara lain :

1) Apabila besi berada dalam larutan padat dimana strukturnya adalah ferrite. besi tuang dengan strutur ini biasanya sedikit menyerap karbon.

2) Dalam kondisi struktur gabungan dimana besi membentuk akan cementtite (Fe3C), pada kondisi ini dimana terjadi peralihan sehingga menghasilkan struktur gabungan antara ferrite dengan pearlite, sehingga pengaruh sementite itu sendiri dalam keadaan bebas.

3) Pembentukan graphite yakni karbon bebas (free karbon).

Besi tuang (cast iron) dimana masuknya sejumlah unsur karbon dengan berbagai sifatnya akan sangat berpengaruh terhadap sifat dari besi tuang tersebut, Dan ketika semua unsur karbon bersenyawa dengan besi tuang, Struktur besi tuang tersebut akan menyerupai baja, dan besi tuang yang demikian ini yang disebut sebagai besi putih (white Iron), besi ini sangat keras dan rapuh (britle), namun apabila unsur karbon ini hanya merupakan karbon bebas artinya tidak terjadi senyawa kimia antara ferrite dengan karbon dan hanya membentuk grafit dengan volume yang banyak sehingga mengakibatkan perubahan warna struktur menjadi lebih gelap atau kelabu, maka besi ini disebut sebagai besi kelabu (grey iron), besi yang demikian ini bersifat lemah karena grafit menempati batas kristal dari atom-atom logam besi. Untuk mengatasi hal ini dapat dilakukan melalui proses perlakuan panas, dimana akan mengubah struktur dari besi ini serta memperbaiki sifat mekanik dari besi tersebut, dimana pada derajat menengah besi kelabu sering disebut sebagai besi “burik” atau “mottled-iron” Besi kelabu bersifat licin (self lubrication) serta memiliki sifat menyerap getaran.

Pada dasarnya besi tuang ataupun baja memiliki perilaku yang sama dimana apabila dipanaskan diatas temperatur kritis struturnya akan berubah kedalam sebuah bentuk struktur tertentu tergantung kecepatan pendinginannya.(lihat gambar 14 tentang diagram FeC) Proses pemadatan (solidification) pada besi tuang secara langsung akan memiliki struktur austenite dan cementite, dimana proses pemadatan terjadi melalui pendinginan lambat hingga mencapai temperatur ruangan. Austenite memecah diri ke dalam bentuk pearlite yakni lapisan ferrite dan cementite, sedangkan cementite memecah diri menjadi graphite dan pearlite.

Jika proses pendinginan diberikan cukup cepat maka cukup untuk mencegah terbentuknya cementite, dan akan diperoleh struktur putih. pembentukan struktur tuangan putih ini juga tergantung pada rentang pendinginan (cooling rate) dimana juga tergantung pada tebal atau tipisnya benda tuangan itu sendiri, jika benda tuangan tersebut tipis maka akan diperoleh struktur putih, namun sebaliknya jika lebih tebal akan diperoleh struktur kelabu, dimana bagian yang tebal akan lebih lambat proses pendinginannya dibanding dengan yang tipis. pada dasarnya kecepatan pendinginan ini dapat kita atur sesuai dengan kebutuhan sifat akhir dari produk tuangan yang kita kehendaki, Namun pada benda-benda yang rumit dimana ketebalan bervariasi maka diperlukan metoda agar proses pendinginan dapat merata kendati pada ketebalan yang berbeda-beda. Untuk itu maka dibagian lain dimana memiliki ukuran ketebalan yang lebih besar harus ditempatkan suatu bahan yang membantu penyerapan panas (ironchill).

Sedemikian banyak material dari berbagai jenis sebagai bahan baku berbagai produk yang diinginkan, dan semakin banyak pula pertimbangan dalam memilih dan menentukan jenis bahan yang akan digunakan, setiap jenis bahan dari material yang tersedia memiliki berbagai keunggulan juga tidak kurang memiliki kelemahan.

1. Besi tuang Putih (White Cast Iron)

Besi tuang putih (white cast iron) mengandung kadar silikon rendah, dimana pada saat pemadatan besi carbida membentuk graphite di dalam ikatan matrix. Pada besi tuang non-paduan strukturnya berbentuk pearlite.

Besi tuang putih (white cast iron) memiliki angka kekerasan antara 400 hingga 600 HB dengan tegangan tariknya 270 N/mm2 dan masih dapat ditingkatkan melalui penurunan kadar karbon sebesar 2,75 sampai 2,9 % menjadi 450 N/mm2. Proses machining untuk besi tuang putih ini hanya dapat dilakukan dengan penggerindaan (grinding).

Besi tuang putih (white cast iron) digunakan dalam pembuatan komponen mesin gerinda, kelengkapan penghancur, komponen dapur pemanas (furnance) dan lain-lain. Besi tuang putih tidak terdaftar pada british standard. besi tuang putih (white cast iron) dapat diberi perlakuan panas (heat treatment) untuk menurunkan angka kekerasannya melalui proses pelunakan (anealing),yakni dengan pemanasan pada temperatur 8500c untuk menguraikan free-karbon yang terbentuk karena pendinginan cepat setelah penuangan (pengecoran). Proses ini dilakukan hanya pada kondisi darurat. Sedangkan pengendalian sifat besi tuang putih ini tetap dengan metoda pengendalian pendinginan dengan “iron

chill” serta komposisi unsur bahan tuangan sebagaimana yang telah disebutkan.

2. Besi tuang Kelabu (Grey Cast Iron)

Besi tuang kelabu (grey cast iron) mengandung unsur graphite yang berbentuk serpihan sehingga memiliki sifat mampu mesin (machinability) serta masuk dalam jajaran British Standards, yang membedakan jenis dari besi tuang kelabu ialah nilai tegangannya Angka kekerasan dari Besi tuang ini ialah antara 155 HB sampai 320 HB tergantung tingkatannya. besi tuang kelabu (grey cast iron) digunakan dalam pembuatan crankcases, machine tool bed, brake drums, cylinder head dan lain-lain.

Besi tuang kelabu (grey cast iron) dapat diberi perlakuan panas (heat treatment) untuk menghilangkan tegangan dalam setelah proses pengecoran yakni dengan “stress reliefing” (lihat proses perlakuan panas) dengan memberikan pemanasan lambat antara 500oC hingga 5750C, dengan holding time sekitar 3 jam diikuti dengan pendinginan secara perlahan-lahan. Proses lain dalam perlakuan panas (heat treatment) yang memungkinkan untuk dilakukan pada besi tuang kelabu ini ialah pelunakan (anealing), dengan proses ini akan terjadi perbaikan pada strukturnya sehingga dimungkinkan untuk proses machining secara cepat, untuk proses anealing ini dilakukan dengan memberikan pemanasan pada temperatur anealing yakni 7000c dengan waktu pemanasan (holding time) setengah hingga dua jam, dimana akan terbentuk structure pearlite tertutup dalam kesatuan ferrite matrix, namun demikian tingkat kekerasan akan tereduksi sebesar 240 HB sampai 180 HB. 

3. Besi tuang “Mampu Tempa” (Malleable Cast Iron) Besi tuang mampu tempa (Malleable cast Iron) adalah salah satu jenis besi tuang yang memiliki struktur berwarna putih, dimana memiliki unsur graphite yang sangat halus sehingga distribusi unsur Karbon menjadi lebih merata serta mudah dibentuk. Besi tuang mampu tempa (Malleable cast Iron) terdapat dalam 3 bentuk jenis, yakni : Whitehearth, Blackhearth, dan Pearlitic nama-nama ini merupakan istilah sesuai dengan bentuk microstruktur dari besi tuang tersebut.

4. Whiteheart Malleable Cast Iron

Besi tuang putih (white cast Iron) yang dalam keadaan baik ditempatkan didalam kaleng dimana mereka dikelilingi oleh campuran yang tidak berguna dan bagian partikel yang berguna seperti bijih haematite (haematite ore), Kaleng ini merupakan wadah yang kemudian akan dimasukan kedalam dapur, selanjutnya dipanaskan secara perlahan-lahan hingga 9500C. Setelah diendapkan didalam dapur ini kemudian dikeluarkan dan didinginkan secara perlahan-lahan dan dikeluarkan dari dalam kaleng lalu dibersihkan dan siap untuk proses macining. Proses ini memberi pengaruh yang berlawanan dari proses carburising untuk surface hardening, dimana unsur karbon akan bergerak secara menyeluruh hanya dari bagian yang tipis. Bagian inti dari bahan yang tebal akan terdiri atas dua unsur yakni unsur pearlite dan beberapa unsur karbon dalam bentuk nodules. microstruktur

dari malleable cast iron ini diperlihatkan pada gambar berikut.

source: www.crayonpedia.org