Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan
11. Logam-logam Ferous Diagram fasa besi dan carbon : Suatu diagram yang menunjukkan fasa dari besi, besi dan paduan carbon berdasarkan hubungannya antara komposisi dan temperatur.
Titik eutectoid
Gbr.11.1 Diagram kesetimbangan Besi dan Karbon (Iron-carbon equilibrium diagram) Sumber: Budinsky “Engineering Materials”
Fasa-fasa stabil dalam baja: Fasa Ferrite Austenite Cementite
Yudy Surya Irawan
Struktur Kristal
Karakteristik
BCC
Lunak, ulet, dan bermagnet Lunak, berkekuatan sedang, tidak FCC bermagnet Campuran antara Besi Keras dan getas dan karbon, Fe3C (Besi karbit) 7-1
Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan
Gbr.11.2 Mikrostruktur dari fasa-fasa besi dalam suhu ruang °
Gbr.11.3 Mikrostruktur dari baja karbon: (a) Sekitar 0.2%C (b) Sekitar 0.6% C. Luasan terang adalah ferit dan luasan gelap adalah perlit. th (Sumber: Budinsky, Engineering Materials 5 edition)
Gbr.11.4 Mikrostruktur dari baja karbon (a) Ferrite: besi murni dan baja karbon rendah (X100) , austenite memiliki mikrostruktur mirip dengan ferrite. (b) Pearlite(perlit), baja karbon 0.8% yang dipanaskan memiliki 100% perlit (X1330). Garis gelap adalah besi karbit/cementit (Fe3C) dan luasan terang adalah ferit. (c) Martensite (martensit), struktur baja yang didapatkan dengan memanaskan baja di suhu austenit lalu didinginkan secara cepat dalam air atau oli, terdapat pada baja pendinginan cepat (X500) th Yudy Surya Irawan (Sumber: Budinsky, Engineering Materials 5 edition)
7-2
Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan
11.2 Besi Tuang (Cast Iron) adalah besi cor yang mengandung karbon 2 ~ 4% dan silikon 1 ~ 3%. Sifat-sifatnya: -
mudah dicairkan dan dipadu dengan unsur lain untuk mendapatkan sifat tahan aus, tahan gesek dan tahan korosi.
-
Memiliki tahanan kejut dan keuletan yang rendah (getas).
-
Banyak digunakan pada industri secara luas karena harganya yang ekonomis dan memiliki sifat-sifat yang luas.
Macam-macam besi tuang : 1. Besi tuang kelabu (gray cast iron) 2. Besi tuang putih (white cast iron) 3. Besi tuang mampu tempa (malleable cast iron) 4. Besi tuang kenyal/ besi tuang nodular (ductile cast iron/nodular cast iron)
Gbr 11.5 Macam-macam besi tuang
Gbr 11.6 Komposisi karbon dan silikon dalam besi tuang dan baja
Yudy Surya Irawan
7-3
Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan
11.2.1 Besi Tuang Kelabu (Gray Cast Iron) Besi tuang kelabu ini terbentuk saat jumlah karbon melebihi jumlah untuk larut dalam austenit
(baja delta) dan menyerap sebagai serpihan grafit. Bernama besi tuang kelabu karena saat dipatahkan, warna patahannya adalah kelabu yang ditimbulkan oleh grafit yang terekspos pada permukaan retak tersebut. Komposisi : 2.5~4.0% Karbon dan 1.0~3.0% Silicon, sisanya Besi Sifat-sifat besi tuang kelabu:
-
berharga relatif rendah dengan sifat-sifat mekanik yang berguna
-
kemampuan dimesin yang bagus pada tingkat kekerasan yang memiliki daya tahan aus yang baik karena kandungan grafitnya.
-
Memiliki kapasitas menyerap getaran yang tinggi (damping capacity) karena kandungan grafit tinggi (10%) yang mampu menyerap getaran.
Biasa digunakan untuk sistem pemipaan, roda gigi, silinder blok kecil, silinder head, silinder blok truk, traktor, kotak roda gigi yang besar, coran mesin disel dll. Mikrostruktur besi tuang kelabu yang mengandung grafit dihasilkan dari laju pendinginan yang sedang atau lambat. - Selain itu laju pendinginan yang sedang membuat matrix besi tuang kelabu berupa pearlite. - Laju pendinginan yang lambat membuat matrix (kandungan terbesar dalam besi cor) berupa ferit.
Contoh: (JIS) FC150 (Fe casting with 150 MPa of tensile strength)
Serpihan grafit (graphite flake)
Gbr 11.7 Foto mikro besi tuang kelabu yang dicetak dalam cetakan pasir (X100). (serpihan grafit dalam daerah terang: ferrite 20%, daerah gelap: pearlite 80%, hasil laju pendinginan sedang) Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering”
Gbr 11.8 Perbandingan antara hubungan tegangan-regangan baja karbon sedang dan besi tuang kelabu(gray cast iron) Sumber: Budinsky, “Engineering Materials”
Yudy Surya Irawan
7-4
Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan
11.2.2 Besi Tuang Putih (White Cast Iron) Besi tuang tuang putih berkomposisi: 1.8~3.6% Karbon dan 0.5~1.9% Silicon, sisanya Besi. Terbentuk dengan pendinginan yang cepat yang mana karbon dalam besi tuang cair membentuk besi karbit Fe3C bukan grafit. Besi tuang kelabu bila didinginkan dengan cepat dari temperature pengecoran(titik leleh) maka akan membentuk besi tuang putih. Mikrostrukturnya banyak mengandung besi karbid dalam matriks pearlite seperti pada Gbr. berikut:
Gbr 11.9 Foto mikro besi tuang putih (X100). (daerah terang: besi karbid Fe3C, daerah gelap: pearlite, hasil laju pendinginan cepat) Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering”
Bernama besi tuang putih karena saat dipatahkan, warna patahannya adalah putih atau memiliki permukaan patah yang terang. Sifat-sifat besi tuang putih:
-
Banyak digunakan karena sifatnya yang sangat kuat ketahanan aus dan gesek yang disebabkan oleh jumlah besi karbon dalam jumlah besar di dalam strukturnya.
-
Sebagai bahan baku dari besi tuang mampu tempa.
-
Memiliki sifat tahan korosi, berkekuatan creep(mulur) dan tahan oksidasi.
Biasa digunakan untuk komponen2 tahan gesek pada pertambangan, pertanian, bola gerinda, pompa semen dll.
11.2.3 Besi Tuang Mampu Tempa (Malleable Cast Iron) Besi tuang mampu tempa berkomposisi: 2.0~2.6% Karbon dan 1.1~1.6% Silicon, sisanya Besi. Terbentuk besi tuang putih dipanaskan dalam dapur tempa untuk memisahkan besi karbid dalam besi tuang putih menjadi grafit dan besi. Grafit dalam besi tuang mampu tempa ini berbentuk aggregate/kumpulan bulat yang tidak beraturan yang disebut temper carbon. Mikrostrukturnya banyak mengandung temper karbon dalam matriks ferrite seperti pada Gbr. 11.10. Sifat-sifat besi tuang mampu tempa:
-
Memiliki sifat mampu tempa, mampu dicor, mampu dimesin.
-
Memiliki kekuatan sedang dan tangguh.
-
Memiliki sifat tahan korosi dan memiliki struktur yang uniform/seragam.
Yudy Surya Irawan
7-5
Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan
Contoh: (JIS) FCMP45 FCMP45MP45-06 (F Fe Casting Malleable Pearlite with minium 45 kg/mm2 of tensile strength and 0.06 or 6% of elongation)
Gbr 11.10 Foto mikro besi tuang mampu tempa (X100). (daerah terang: matrix ferit, daerah gelap:graphite/temper karbon) Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering” Biasa digunakan untuk komponen2 yang mampu dimesin, connecting rod, komponen-komponen yang butuh kekuatan tinggi. Tahapan-tahapan perlakuan panas pada besi tuang putih untuk memproduksi besi tuang mampu tempa. 1. Grafitasisasi (graphitization) -
Pada tahap ini besi tuang putih dipanaskan di atas suhu eutectoid (940°°C) dan ditahan selama 3 hingga 20 jam tergantung pada komposisi, struktur dan ukuran besi cor. (makin besar makin lama)
-
Pada tahap ini besi karbon dari besi tuang putih berubah menjadi temper karbon (grafit) dan austenit.
2. Cooling (pendinginan) Pada tahap ini austenit dari besi dapat diubah menjadi tiga tipe matriks dasar: ferrite, pearlite atau martensit. a. Ferritic malleable iron. Untuk membuat matrix ferrite setelah tahap pertama di atas, didinginkan dengan cepat ke 740~760°°C lalu didinginkan dengan perlahan dengan kecepatan sekitar 3 ~ 11°°C per jam. Selama pendinginan austenit berubah menjadi ferrite dan graphite dengan grafit mengendap pada partikel temper karbon yang ada. b. Pearlitic malleable iron. Untuk membuat matrix pearlite setelah tahap pertama di atas, didinginkan dengan lambat ke 870°C lalu didinginkan dalam udara. Dengan pendinginan yang cepat dihasilkan matrix pearlite yang terdiri atas temper carbon (grafit). c. Tempered martensitic malleable iron. Untuk membuat matrix martensit setelah tahap pertama di atas, didinginkan dalam dapur hingga 845 ~ 870°C ditahan selama 15 ~ 30 menit untuk menghomogenisasi struktur kemudian didinginkan dengan cepat dalam minyak untuk membuat matriks martensit yang sangat keras. Akhirnya ditemper atau dipanaskan antara 590 ~ 725°°C untuk mendapatkan sifat-sifat mekanik yang diinginkan. Sehingga didapatkan struktur temper carbon dalam matrix martensit temper. Yudy Surya Irawan
7-6
Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan
11.2.4 Besi Tuang Kenyal (Ductile Cast Iron/Nodular Cast Iron) Biasa disebut sebagai Nodular atau Spherulitic graphite cast iron. Besi tuang mampu tempa berkomposisi: 3.0~4.0% Karbon dan 1.8~2.8% Silicon, sisanya Besi. Kandungan sulfur dan tingkat pospor dari besi kenyal kualitas tinggi harus dijaga di bawah 0.03%untuk sulfur dan 0.1% untuk pospor agar tidak mengganggu pembentukan grafit dalam besi tuang kenyal. Sifat-sifat besi tuang kenyal:
-
Memiliki sifat alirnya saat dicor termasuk sifat cor yang baik.
-
Memiliki sifat mampu dimesin (machinability) yang baik.
-
Memiliki sifat tahan aus dan sifat-sifat lain seperti baja seperti kekuatan, ketangguhan, kekenyalan yang tinggi serta mampu dikerjakan pada suhu panas (hot workability) dan mampu dikeraskan.
Biasa digunakan untuk katup, bodi pompa, crank shaft, roda gigi, rollers, pinion dll. Nodul bulat dalam besi tuang ini terbentuk selama pembekuan dari besi cair karena tingkat sulfur dan oksigen dalam besi dikurangi ke tingkat yang sangat rendah dengan menambahkan magnesium dalam ratio beberapa pounds per tons ke logam sebelum dicor. Magnesium bereaksi dengan sulfur dan oksigen sehingga elemen-elemen ini tak dapat mengganggu pembentukan nodul bulat.
Contoh: (JIS) FCD370 (Fe Casting Ductile with minium 370 MPa of tensile strength)
Gbr 6.11 Foto mikro besi tuang kenyal grade 80-55-06 (X100). Grafit bulat(gelap) dilingkupi ferrite bebas (putih) seperti mata banteng (bull eye) di dalam matriks pearlite. Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering”
Grafit primer Ferrite bebas Grafit sekunder
Gbr 6.12 Foto scanning electron microscope besi tuang kenyal (X130) yang menunjukkan grafit sekunder dan ferrite dari mata banteng di antara nodul (bulatan) grafit primer. Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering”
Yudy Surya Irawan
7-7
Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan
Perbandingan modulus elastisitas dan ketangguhan besi tuang :
Paling getas
Memiliki kemampuan damping terbesar
Yudy Surya Irawan
7-8
Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan
Yudy Surya Irawan
7-9
