Besi Tuang (Cast Iron)

I.     Pembuatan Besi Tuang

            Besi Tuang terbuat dari besi kasar (pig iron) hasil tanur tinggi dari bijih besi. Kemudian besi kasar dilebur kembali agar bisa menjadi besi tuang. Peleburan besi tuang biasanya dilakukan dalam tungku yang sering disebut Kupola.

Bentuk dan konstruksi Kupola tersebut hampir sama dengan konstruksi tanur tinggi (blast furnace). Bahan baku yang dilebur terdiri dari batang logam besi kasar yang dihasilkan dari proses tanur tinggi. Bahan baku yang dilebur terdiri dari ingot besi kasar yang dihasilkan dari proses tanur tinggi, ditambah dengan skrap baja ataupun skrap besi tuang (return scrap). Disamping itu penambahan bahan-bahan seperti ferosilikon (FeSi) dan feromangan (FeMn) sering pula dilakukan. Hal ini dimaksudkan untuk menaikkan kembali kadar Si dan Mn dalam besi tuang karena sebagian dari kedua unsur tersebut biasanya berkurang (hilang) akibat oksidasi pada saat peleburan.

Bahan bakar yang digunakan adalah kokas dan dimasukkan ke dalam Kupola selang seling dengan muatan logam. Proses pembakaran terjadi dengan meniupkan udara ke dalam Kupola dengan menggunakan Blower. Untuk mendapatkan proses peleburan yang baik maka perbandingan antara muatan logam, bahan bakar dan kebutuhan udara harus dijaga sebaik mungkin.

Disamping membutuhkan bahan-bahan seperti yang disebutkan diatas, ke dalam Kupola juga ditambahkan sejumlah batu kapur. Bahan ini dapat membantu pembentukan terak (slag) yang dapat mengikat kotoran-kotoran sehingga memisahkannya dari besi cair.

Proses peleburan besi tuang dengan Kupola biasanya terjadi secara kontinyu artinya begitu muatan logam mencair maka langsung mengalir keluar tungku. Logam cair yang keluar dari Kupola ditampung pada alat perapian depan (forehearth) yang kemudian diangkut dengan menggunakan ladel untuk dituang ke dalam cetakan. Dengan proses peleburan seperti itu maka sering kali mempersulit untuk melakukan pengaturan komposisi kimia. Hal ini dapat mengakibatkan daerah komposisi kimia yang dihasilkan menjadi lebar sehingga memberikan variasi pula terhadap kualitas produk yang dibuat.

Disamping itu kekurangan lainnya pada proses peleburan dengan Kupola yaitu logam cair mudah mengalami kontaminasi oleh sulfur atau unsur-unsur lainnya yang disebabkan oleh bahan bakar kokas. Pengotoran karena sulfur ini dapat menurunkan sifat-sifat besi tuang.

Karena kekurangan-kekurangan di atas, maka dewasa ini banyak pabrik pengecoran menggunakan tungku listrik untuk menggantikan Kupola. Tungku listrik yang banyak digunakan adalah dari jenis tungku induksi. Bahan baku yang dilebur pada umumnya tidak menggunakan besi kasar melainkan sebagian besar berupa skrap baja atau skrap besi tuang. Peleburan dengan tungku ini dapat menghasilkan logam cair dengan komposisi kimia yang lebih konsisten dengan kadar impuritas yang lebih rendah karena bahan baku yang dilebur biasanya berupa skrap baja, maka untuk menaikkan kadar karbon agar mencapai kadar yang sesuai untuk besi tuang biasanya dilakukan dengan memasukkan sejumlah arang kayu ke dalam tungku. Berikut ini adalah gambar proses peleburan dan penuangan besi tuang

 Gambar proses pembuatan besi tuang

Dalam pemakaian di industri, ada tiga jenis besi tuang yang banyak digunakan, yaitu : besi tuang kelabu (grey cast iron), besi tuang ulet atau besi tuang nodular (nodular cast iron) dan besi tuang putih (white cast iron). Ketiga jenis besi tuang ini mempunyai komposisi kimia yang hampir sama yaitu : 2,55 - 3,5 %C, 1-3 %Si, Mn kurang dari 1% sedangkan S dan P dibatasi antara 0,05-0,10 % (maksimum). Walaupun komposisi kimianya hampir sama, tetapi karena prosesnya berbeda maka struktur dan sifat-sifat dari ketiga besi tuang tersebut berbeda.

II.   Klasifikasi Besi Tuang

Sebelum kita masuk ke dalam klasifikasi besi tuang, kita harus mengenal tentang diagram besi tuang. Jika kita sudah mengenal gambar diagram besi tuang, kita bisa mengubah sifat dan struktur besi tuang yang di inginkan. Berikut dibawah ini gambar diagram besi tuang.

 Gambar Diagram Fe3C

1.  Besi Tuang Kelabu

Untuk memperoleh besi tuang kelabu kita harus berpangkal pada besi kasar kelabu. Besi kasar kelabu memiliki kadar silikon yang tinggi (kurang lebih 5,5 sampai 50%) dan kadar mangan yang rendah. Karena itu pembentukan karbon bebas jadi meningkat. Jadi besi tuang kelabu setelah didinginkan mengandung grafit. Grafit tersebut terdapat dalam besi-tuang berupa pelat-pelat tipis. Besi tuang kelabu memperoleh namanya dari bidang patahan yang berwarna kelabu, yang disebabkan oleh grafit hitam.

  Gambar struktur besi tuang kelabu

2.  Besi Tuang Putih

            Untuk memperoleh besi tuang putih, kita harus berpangkal pada besi kasar putih. Besi kasar putih itu memiliki kadar silikon yang rendah (kurang lebih 0,5%) dan kadar mangan yang tinggi. Dengan demikian pembentukan sementit digiatkan. Karena kadar silikon yang sangat rendah hanya terbentuk sementit. Jadi untuk besi tuang putih hanya diagram menstabil yang penting.

            Dengan demikian besi tuang putih setelah didinginkan tediri dari perlit dan sementit. Besi tuang putih dengan kadar karbon 2.5% sampai 3.6% mengandung banyak sementit. Dengan adanya kadar yang besar dari sementit yang sangat keras,akan tetapi rapuh itu, besi tuang putih memperoleh kekerasan sangat besar, akan tetapi kekuatan tarik yang sangat rendah dan regangan yang sangat kecil

 Gambar struktur besi tuang putih

3.  Besi Tuang mampu tempa

            Untuk memperoleh besi tuang yang dapat di tempa, kita harus berpangkal pada besi tuang putih. Bahan ini dipanaskan sampai kurang lebih 900 °C dan dibiarkan beberapa hari pada suhu tersebut. Besi tuang jenis ini dibuat dari besi tuang putih dengan melakukan heat treatment kembali yang tujuannya menguraikan seluruh gumpalan grafit akan terurai menjadi matriks ferrit, pearlit, martensit. Besi tuang ini juga mempunyai sifat yang mirip dengan baja

 Gambar struktur besi tuang mampu tempa

4. Besi Tuang Nodular

            Untuk memperoleh besi tuang noduler, kita harus berpangkal pada besi kasar kelabu. Besi kasar kelabu memiliki kadar silikon yang tinggi (kurang lebih 5,5 sampai 1,5%), dan kadar mangan rendah. Karena itu pada pendinginan perlahan-lahan pembentukan karbon bebas akan meningkat. Karena selama fabrikasi dimasukkan magnesium ke dalam bahan, maka karbon bebas itu terjadi berupa bola. Bola-bola itu dinamakan nodul. Nodul grafit memberikan pengurangan penampang yang lebih kurang dan tidak menyebabkan pengerjaan takik.

            Besi tuang noduler, setelah pendinginan dan setelah pengerjaan pemijaran terutama dari ferit, perlit, dan grafit. Karena adanya ferit atau perlit dan karena bentuk nodul grafit yang sangat menguntungkan, maka besi tuang noduler memiliki kekuatan tarik yang tinggi dan regangan yang besar.   

 Gambar struktur besi tuang nodular

III.  Standard dan kodifikasi

            Terdapat berbagai macam standard dan kodifikasi dalam menentukan jenis besi tuang. Sbeberapa contohnya :

ž  SAE (Society of Automotive Engineers)

ž  AISI (American Iron and Steel Institute)

ž  UNS (Unified Numbering System)

1.  SAE

ž  Sistem SAE hanya menggunakan nomor - nomor angka.

ž  Angka pertama menunjukkan tanda ‘group Baja´, misal:

1.      Unalloy steel 10XX

2.      Nickel Steel 23XX

3.      Chromiun steel 32XX

ž  Dua angka terakhir, bila penomoran 4 digit atau tiga angka terakhir bila penomoran 5 digit menunjukkan rata-rata kandungan karbon per-seratus ( % C ), contoh:

1.      SAE 1055, artinya Unalloy steel mengandung 0,55 % C

2.      SAE 2345, artinya Ni- steel mengandung 0,3 % Ni, 0,45 % C

3.      SAE 52100, artinya Cr-steel mengandung 1,45 % Cr, 1,0 C

2.  AISI

ž  Bila terdapat huruf didepan angka maka huruf tersebut menunjukkan proses pembuatan bajanya

1.      A = Basic Open-hearth

2.      B = Acid Bassemer

3.      C = Basic Open-Heath

4.      D = Acid Open-Heath

5.      E = Electric Furnace

3.  UNS

ž  UNS terdiri dari huruf diikuti oleh lima nomor. Sistem ini hanya menunjukkan komposisi kimia dari metal atau paduannya dan bukan menunjukkan standar atau spesifikasi dari metal tersebut

F00001-F99999	Cast irons
F10001-F15501	Cast Iron, Gray
F10090-F10920	Cast Iron Welding Filler Metal
F20000-F22400	Cast Iron, Malleable
F22830-F26230	Cast Iron, Pearlitic Malleable
F30000-F36200	Cast Iron, Ductile (Nodular)
F41000-F41007	Cast Iron, Gray, Austenitic
F43000- F43030	Cast Iron, Ductile (Nodular), Austenitic
F45000 F 45009	Cast Iron, White
F47001-F47006	Cast Iron, Corrosion

IV.  Pengaruh unsur paduan

            Besi Cor terbuat dari paduan besi - karbon - silikon dengan unsur tambahan lainnya. Seperti halnya bahan campuran yang lainnya, besi cor juga bisa dipengaruhi unsur-unsur kimia.

            Seperti tingginya kadar karbon menyebabkan besi cor bersifat rapuh dan tidak dapat ditempa. Unsur-unsur paduan yang dimasukan ke dalamnya seperti : karbon, silicon, mangan, fosfor dan belerang akan berpengaruh besar pada pembentukan sifat fisik/mekaniknya. Secara detailnya akan dibahas sebagai berikut :

1.      Karbon (C)

            Besi yang mengandung kadar karbon > 2 % adalah besi cor dan besi cor kelabu (3 - 4 %). Kadar karbon ini tergantung dari jenis besi kasarnya, besi bekas dan yang diserap dari kokas selama proses peleburan. Sifat fisis logam selain tergantung pada kadar karbon, juga ditentukan oleh bentuk karbon (grafit)nya. Morfologi grafit tergantung dari laju pendinginan dan kadar silikon. Kadar silikon yang tinggi memperbesar kemungkinan pembentukan grafit. Grafit meningkatkan kemampuan permesinan. Kekuatan dan kekerasan besi meningkat dengan bertambahnya kadar karbon.Bila karbon terikat pada besi tuang sebagai sementit akan diperoleh besi tuang putih, dan bila karbon terikat sebagai grafit akan diperoleh besi tuang kelabu

2.      Belerang (S)

            Belerang sangat merugikan, karena menyebabkan terjadinya lubang-lubang (blow holes) akibat membentuk ikatan dengan karbon dan menurunkan fluiditas sehingga mengurangi kemampuan tuang besi cor. Jadi, selama proses peleburan selalu diusahakan untuk mengikatnya, antara lain dengan menambahkan ferromangan. Setiap kali melebur besi cor, kadar belerang akan meningkat sebesar 0,03 % yang berasal dari bahan bakar.

3.      Fosfor (P)

            Bahan ini membuat besi mudah mencair dan bertambah getas. Bila kandungan fosfor tidak lebih dari 0,3%, besi tuang menjadi kehilangan kekerasannya. Dan tidak mudah dikerjakan. Bila besi yang diinginkan amat halus dan tipis kandungan fosfornya bervariasi sekitar 1 sampai 1,5%.

4.      Silikon (Si)

            Silikon bersama-sama dengan besi dalam bentuk massa. Bila kandungan silikon kurang dari 2,5% menjadi besi bersifat lebih mudah di tuang. Silikon juga mengurangi besar susut pengerasan maupun menjadikan besi bersifat lunak. Kandungan kadar silikon sampai 3,25 % bersifat menurunkan kekerasan besi. Sebaliknya kelebihan silikon diatas 3,25 % akan membentuk ikatan yang keras dengan besi, sehingga meningkatkan kekerasan besi. Kadar silikon menentukan berapa bagian dari karbon terikat dengan besi dan berapa bagian membentuk grafit (karbon bebas) setelah tercapai keadaan setimbang. Pada benda coran yang kecil dianjurkan menggunakan kadar silicon yang tinggi dan yang besar dengan kadar yang lebih rendah. Untuk memperoleh paduan yang tahan asam dan tahan korosi, sebaiknya diberi kadar silicon 13 - 17 %. Besi tuang kelabu berkadar silicon rendah mudah untuk perlakuan panas. Silikon yang mungkin hilang selama proses peleburan berkisar ± 10 %.

5.      Mangan (Mn)

            Mangan merupakan unsur deoksidasi, pemurni sekaligus meningkatkan fluiditas, kekuatan dan kekerasan besi. Bila kadarnya ditingkatkan, kemungkinan terbentuknya ikatan kompleks dengan karbon meningkat dan kekerasan besi cor akan naik. Jumlah mangan yang hilang selama proses peleburan berkisar antara 10-20 %. Kandungan mangan tidak boleh lebih dari 0,1%.

V.   Sifat Mekanis dari Besi Tuang

ž  Keras dan mudah melebur/mencair

ž  Getas sehingga tidak dapat menahan benturan

ž  Temperatur meleleh 1250°

ž  Kekuatan tarik menurun

ž  Regangan menurun

ž  Sangat tahan terhadap karat (jauh lebih baik daripada baja)

ž  Tidak dapat di beri muatan magnit

ž  Tidak dapat disambung dengan las dan paku keling, disambung dengan baut dan sekrup.

ž  Kuat dalam menahan gaya tekan, lemah dalam menahan tarik kuat tekan sekitar 600 Mpa, kuat tarik 50 Mpa

ž  Menyusut waktu pendinginan/waktu dituang.

ž  Besi tuang hampir bisa dicetak dalam bentuk apa saja.

ž  Bisa tahan terhadap tekanan yang besar

VI.  Kegunaan

ž  Kerangka mesin, seperti mesin bubut, mesin ketam, dan alat pengepres

ž  Psabuk-V dalam motor dan mesin

ž  Besi silinder

ž  Pipa yang menahan tekanan dari luar sangat tinggi

ž  Tutup lubang saluran drainasi dan alat saniter lain

ž  Bagian mesin, blok mesin

ž  Pintu gerbang,tiang lampu

ž  Sendi, rol jembatan.

 VII. Masalah dan solusinya

Mengapa Cast Iron jika di Las Sering terjadi retak?

Keretakan pada proses pengelasan Cast Iron, ada beberapa faktor yang saling dukung mendukung sehingga memudahkan terjadinya Crack.

Faktor utamanya adalah :

1. Chemical Composition : %C = Carbon terlalu tinggi. Unsur C yang tinggi memang akan menurunkan Titik Lebur baja, antara proses peleburan dan penuangan di cetakan lebih mudah. Tetapi karena sifatnya yang lunak akan menjadi sumber keretakan di paduan Besi Cor, apalagi yang C nya berbentuk Flake. %P= Posphor dan %S= Sulfur Tinggi. Dalam paduan Fe, kadar P dan S tidak boleh lebih besar dari keteentuan. Karena lebih dari itu akan menyebabkan sumber keretakan. Dalam proses pengecoran, unsur P dan S sangat diperlukan untuk meningkatkan mampu alir dari cairan besi.
2. Faktor-faktor lain seperti bentuk yang kompleks dan lain tidak banyak berpengaruh, karena kebanyakan pada proses pengelasan Cast Iron, keretakan terjadi pada daerah HAZ.
3. Bagaimana pengaruh Oli dll ? Pengotor seperti ini lebih banyak berpengaruh terhadap terjadinya Porosity pada weld metal.

Untuk menghindari terjadinya keretakan pada cast iron dengan cara sebagai berikut :

1. Gunakan kawat las Nickel.
2. Kontrol heat input dan Cooling rate
3. Sebelum mengelas harus dibersihkan terlebih dulu dari misalnya Oli, cat, dan lain-lain.

Pada umumnya Besi Tuang (Cast Iron) mempunyai bentuk yang rumit suatu contoh (PIPE FITTING, SPROKECT, PUMP, CRANK SHAFT MESIN MOBIL dan beberapa peralatan yang lain dengan ukuran besar.

            Dengan adanya bentuk yang rumit besi tuang tersebut sedikit banyak mempunyai ketebalan yang tidak seragam hal ini akan mempengaruhi konstraksi tegangan yang terjadi pada material tersebut dan mudah terjadi retak.

            Untuk menghindari timbulnya keretakan pada sebuah besi tuang karena ketegangan akibat konstraksi tegangan selama pengelasan sering dilakukan dengan memperluas bidang yang dipanasi dengan PREHEATING untuk menyeimbangkan KONTRAKSI TEGANGAN dalam hal ini ada metode yang dilakukan dalam preheating :

1. PREHEATING SETEMPAT.Tujuannya untuk menghambat tingkat pendinginan sambungan las.
2. PREHEATING KESELURUHAN.Mempunyai fungsi untuk melepaskan tegangan internal yang tersembunyi dan untuk memperlambat pendinginan pengelasan. Hal ini cocok untuk material yang mempunyai bentuk rumit Seperti RODA GIGI, SPROKET dsb