3 pembuatan besi tuang dan besi tempa d3
DESCRIPTION
cost ironTRANSCRIPT
3-1
MODUL 3
PROSES PEMBUATAN BESI TUANG DAN BESI TEMPA
Materi ini membahas tentang proses pembuatan besi tuang dan besi tempa.
Tujuan instruksional khusus yang ingin dicapai adalah (1) Menjelaskan sejarah
perkembangan besi tuang, (2) Menyebutkan jenis-jenis senyawa dari bijih-bijih
besi, (3) Menjelaskan pengaruh unsur-unsur paduan dalam besi tuang, (4)
Menjelaskan proses pengolahan besi tuang, (5) Membedakan jeni-jenis besi tuang.
3.1. Pendahuluan
Besi kasar yang dihasilkan dari dapur tinggi kurang sesuai untuk dijadikan
bahan baku dalam pembuatan peralatan-peralatan teknik. Hal itu disebabkan oleh
kandungan unsur-unsur campuran logam lain di atas 10% yang menyebabkan sifat
keras, rapuh, dan tidak mudah dibentuk, baik dalam keadaan panas maupun dalam
keadaan dingin. Oleh sebab itu, besi kasar perlu diproses lebih lanjut untuk
dijadikan besi tuang dan tempa, baja, dan sebagainya.
Besi tuang dapat didefinisikan sebagai logam campuran dari besi yang
mengandung unsur karbon di atas 1,7% (biasanya mengandung unsur karbon
sekitar 2,4 – 4,2%). Besi tempa adalah besi yang mengandung 99% besi murni
dan 0,02 – 0, 1% karbon.
Proses pembentukan besi tuang lebih sukar daripada pembuatan logam
tempa (besi tempa atau baja tempa). Logam tempa dapat dibentuk dengan mesin-
mesin perkakas dalam batas toleransi pengerjaan dan dapat dibuat lebih kecil.
Kebutuhan alat-alat dari logam tuang lebih besar daripada kebutuhan alat-alat dari
logam tempa.
3.2. Proses Pembuatan Besi Tuang
Besi tuang dihasilkan dengan cara mencairkan besi kasar di dalam dapur
yang sesuai. Terlebih dahulu ditambahkan besi bekas atau baja bekas sebelum
proses pencairan berlangsung atau sebelum proses penuangan dilaksanakan.
Logam ini termasuk logam yang tidak mahal (harganya lebih murah daripada
3-2
logam-logam lainnya). Besi tuang dalam jumlah yang besar dihasilkan dari
pencairan besi bekas dan baja bekas.
Besi tuang yang berkualitas tinggi dihasilkan dengan cara "suntikan" atau
menambahkan grafit ke dalam besi cair sewaktu masih dalam panci-panci tuangan.
Suntikan dilakukan pada besi tuang supaya pembentukan strukturya oleh grafit
dapat dikontrol. Besi tuang paduan dihasilkan dengan cara pemurnian dan
penambahan unsur-unsur paduan ke dalam besi tuang cair pada waktu masih
berada di dalam dapur atau setelah dikeluarkan dari dalam dapur.
1. Dapur-Dapur Peleburan
Proses peleburan bahan mentah dalam pembuatan besi tuang dilakukan di
dalam dapur-dapur sebagai berikut.
a. Dapur Kubah
Dapur kubah adalah suatu dapur yang paling banyak digunakan untuk
memproduksi besi tuang. Sekitar 90% produksi besi tuang di dunia
dikerjakan secara ekonomis dalam mencairkan besi kasar, besi bekas, dan
baja bekas. Dapur ini termasuk dapur tinggi dalam skala kecil yang terdiri
dari logam-logam disusun berbentuk silinder dan bagian dalamnya dilapisi
dengan batu tahan api.
Kapasitas dapur berdasarkan pada volume bagian bawah dapur yang
berbentuk kerucut. Dapur kubah dapat menghasilkan logam besi tuang cair
sekitar 1 ton per jam. Secara normal dapur hanya dapat bekerja selama 1 atau
2 hari. Setelah itu, dihentikan untuk diperbaiki lapisan dapurnya.
Bahan mentah yang dimasukkan ke dalam dapur terdiri dari besi kasar, besi
dan baja bekas, kokas, batu kapur, dari udara dengan tekanan atmosfer 0,23
kg/cm2. Bahan mentah yang pertama terbakar adalah kokas. Kokas
digunakan untuk memanaskan dapur dan mencairkan bahan logam dan bahan
imbuh. Kemudian terjadi reduksi unsur-unsur campuran dan pelarutan gas
bahan bakar ke dalam cairan logam sehingga terbentuk terak cair. Logam cair
dan terak cair turun ke bagian bawah dapur, seterusnya dikeluarkan melalui
lubang laluan besi tuang cair dan terak cair. Perhatikan Gambar 6.1.
3-3
Gambar 3.1 Dapur Kubah
b. Dapur Aduk
Dapur aduk disebut juga dapur udara. Dapur aduk dapat digunakan berulang-
ulang untuk mencairkan logam untuk kebutuhan yang spesial dan seragam,
misalnya untuk digiling dingin. Dapur jenis ini terutama digunakan untuk
memproduksi besi tempa atau besi aduk. Dalam prows produksi besi tuang
3-4
digunakan pasir untuk lapisan atas bagian alasnya dan kokas sebagai bahan
bakar.
Bahan bakar kokas dinyalakan dan dibakar di atas, tungku. Panas yang
dihasilkannya digunakan untuk memanaskan bagian atas dapur. Kemudian
pangs dipantulkan ke permukaan bahan yang akan dicairkan sehingga bahan
bakar tidak bersinggungan dengan bahan logam cair. Proses peleburan terjadi
secara perlahan-lahan. Berdasarkan penjelasan di atas dapur aduk termasuk
dapur yang kurang ekonomis. Walaupun demikian, dapat dilakukan
pengontrolan tertutup pada komposisi campuran besi tuang. Di samping itu,
dapur aduk jugs digunakan untuk memproses logam cair dalam jumlah yang
besar dan komposisi campuran yang seragam atau tidak seragam. Perhatikan
Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Dapur Aduk
c. Dapur Rotasi (Berputar)
Dapur rotasi adalah dapur pelebur logam yang digunakan untuk membuat besi tuang
yang mempunyai kualitas khusus. Dapur ini menggunakan bahan bakar minyak atau
gas. Bahan bakar digunakan untuk memanaskan bahan-bahan, sehingga terjadi prows
pencairan. Pada waktu bekerja dapur berputar, digerakkan oleh rantai-rantai pemutar.
Perhatikan Gambar 4.3.
d. Dapur Listrik
Dapur listrik digunakan untuk melebur bahan-bahan logam untuk membuat besi
tuang. Besi tuang yang dihasilkan mempunyai kualitas tinggi karena bahan-bahan
logam cair tidak bersinggungan dengan bahan bakarnya. Dapur listrik ini mempunyai
3-5
prinsip yang sama dengan dapur listrik yang digunakan untuk memproduksi baja.
Jenis yang digunakan adalah dapur listrik busur nyala tidak langsung dan busur nyala
langsung. Perhatikan Gambar 4.4.
Gambar 4.3 Dapur rotasi
Gambar 4.4 Dapur Listrik
3.3. Pembentukan Struktur Besi Tuang
Struktur besi tuang terbentuk karena terjadinya proses pembekuan
(pendinginan) besi tuang cair. Bentuk strukturnya terdiri dari austenit dan sementit.
Apabila pendinginan dilakukan secara perlahan-lahan dalam temperatur kamar,
akan terjadi perubahan bentuk austenit menjadi bentuk perlit (terdiri dari lapisan
ferit dan sementit). Sementit berubah menjadi grafit dan perlit. Proses
3-6
pendinginan dengan kecepatan yang cukup, mencegah terjadinya pembungkusan
besi tuang oleh sementit dan akan diperoleh struktur besi yang berwarna putih.
Tingkat kecepatan pendinginan tergantung pada tebalnya lapisan besi
tuang, di mana lapisan yang tebal itu berwarna kelabu. Besi tuang berlapis tebal
dengan permukaan yang keras dan tahan pakai, diperoleh dengan cara
memasukkan hesi yang telah disepuh keras ke dalam cetakan dan dilakukan
pendinginan yang ,:epat. Besi tuang yang berlapis tipis dan mempunyai struktur
yang tidak seragam Japat diubah menjadi struktur yang seragam. Oleh karena itu,
besi tuang perlu disepuh keras untuk mengurangi jumlah grafit dan dilakukan
pendinginan secara ,:epat.
Struktur besi tuang dapat disesuaikan dengan mengatur komposisi kimia
Jan pelarutan unsur-unsur campurannya. Silikon (Si) dapat menaikkan
nembentukan grafit. Lapisan silikon (Si) berwarna kelabu apabila campurannya
dikontrol pada persentase tertentu. Besi ini sewaktu membeku menjadi keras Jan
lapisannya berwarna putih karena pengaruh campuran unsur sulfur.
Apabila besi tuang sukar untuk dibentuk, diperlukan besi tuang yang
filempunyai lapisan tipis dan temperatur pencairan rendah. Besi tuang harus i i
iengandung fosfor sekitar 1% sehingga besi tuang mudah dibentuk dan dicairkan.
Fosfor membuat besi menjadi logam yang rapuh. Apabila kekuatannya yang
dibutuhkan maka campuran fosfor tidak diperlukan.
3.4. Pengaruh Unsur Campuran
Komposisi unsur-unsur campuran yang larut di dalam besi tuang terdiri
dari fosfor, sulfur, silikon, dan mangan, di samping unsur pokok besi dan karbon.
Pengaruh unsur-unsur campuran di dalam besi tuang adalah sebagai berikut.
a. Unsur Karbon (C)
Pelarutan unsur karbon (C) di dalam besi untuk membentuk larutan
mempunyai pengaruh sebagai berikut.
1) Pelarutan unsur karbon di dalam besi dengan persentase kecil sekitar 0,006%
– 0,003%, akan membentuk larutan padat yang strukturnya berbentuk ferit.
Pelarutan ini dilakukan dengan pendinginan secara perlahan-lahan. Pada
3-7
waktu terjadi pelarutan, unsur karbon akan cenderung terpisah membentuk
grafit (karbon bebas). Akhirnya, terbentuk struktur ferit yang terdiri dari
campuran besi murni dan grafit. Besi tuang ferit yang dihasilkan
mempunyai sifat lunak, tidak kuat, mendekati kenyal, dan mudah dibentuk
dengan mesin perkakas dengan patahannya berwarna hitam berkilat.
2) Pelarutan unsur karbon di dalam besi akan membentuk larutan padat yang
strukturnya berbentuk sementit atau besi karbid (Fe3C) dengan persentase
karbon paling maksimal sekitar 6,67%. Pelarutan in] akan menghasilkan
suatu struktur yang mempunyai sifat keras dan rapuh yang disebut dengan
besi putih. Apabila pelarutan unsur karbon di dalam besi dengan cara
pendinginan secara cepat oleh udara maka akan membuatnya menjadi
keras dan mempunyai kekuatan tarik yang tinggi. Akan tetapi, besi itu
sukar untuk dikerjakan dengan mesin dan patahannya berwarna putih.
3) Pelarutan unsur karbon di dalam besi dalam keadaan bebas (karbon bebas)
akan membentuk grafit. Apabila pembentukan grafitnya tinggi maka akan
dihasilkan besi kelabu dan cenderung tidak kuat. Pembentukan grafit dapat
diubah dengan jalan pengerjaan panas atau penyuntikan unsur-unsur
logam lainnya dan pengerjaan itu akan memperbaiki sifat-sifat mekanik
besi tuang.
b. Unsur Silikon (Si)
Pelarutan unsur silikon (Si) di dalam besi dapat mengurangi sifat larut
unsur karbon di dalam besi. Dengan demikian, silikon dapat digunakan
untuk mengontrol jumlah persentase unsur karbon yang larut di dalam besi.
Apabila di dalam larutan besi tuang tidak terdapat unsur silikon maka
strukturnya berwarna putih. Tetapi apabila ditambahkan unsur silikon dan
didinginkan secara perlahan-lahan maka strukturnya berwarna kelabu
kehitam-hitaman. Besi tuang yang didinginkan secara tiba-tiba strukturnya
berwarna putih walaupun mengandung unsur silikon. Untuk membentuk
ferro silikon (logam besi silikon), besi tuang cair ditambahkan dengan
silikon sekitar 8 – 20%.
c. Unsur Mangan
3-8
Pelarutan unsur mangan di dalam besi tidak lebih dari 1,2%. Unsur
mangan akan menaikkan kekerasan dan kekuatan tarik pada besi tuang.
Untuk membentuk mangan silikon, 50 – 70% unsur mangan ditambahkan
ke dalam besi cairan sewaktu dalam panci tuangan.
d. Unsur Sulfur
Pelarutan unsur sulfur di dalam besi akan membuat besi tuang menjadi kuat
dan cenderung memelihara kondisinya berwarna putih. Oleh karena itu,
persentase campuran sulfur di dalam besi harus dikontrol dan dijaga serendah
mungkin.
e. Unsur Fosfor
Pelarutan unsur fosfor (P) di dalam besi adalah di atas 1,7% tanpa terjadi
pembentukan besi fosfit. Kehadiran unsur karbon di dalam besi dapat
mengurangi sifat dapat larut unsur fosfor di dalam besi tuang. Pelarutan unsur
fosfor di dalam besi akan membuat besi tuang bersifat lemah dan mengurangi
ketahanannya terhadap guncangan. Apabila larutnya unsur di dalam besi
membentuk besi fosfit, akan membuat besi tuang mempunyai titik cair yang
rendah. Selain itu akan membuat cairan besi lebih cair pada waktu dipanaskan
karena besi fosfit akan cair pada temperatur 950°C.
Tabel 2 Komposisi Besi Tuang
Komposisi Persentase (%)
Besi 93 — 96
Karbon 1,80-4
Fosfor 0,05 — I
Sulfur 0,05 —0,12
Mangan 0,04— 1,20
Silikon 1 — 1,20
3.5. Jenis-Jenis Besi Tuang
Besi tuang yang dihasilkan dari peleburan besi kasar dengan besi dan baja
bekas di dalam dapur tuangan, terdiri dari tiga jenis, yaitu besi tuang kualitas biasa,
kualitas tinggi, dan besi tuang paduan.
3-9
a. Besi Tuang Kualitas Biasa
Besi tuang kualitas biasa adalah logam tuangan yang dihasilkan langsung dari
dapur tuangan tanpa dilakukan pengerjaan lebih lanjut. Besi tuang ini terdiri
dari dua jenis, yaitu besi tuang kelabu dan besi tuang putih.
1) Besi tuang kelabu
Besi tuang kelabu mempunyai lapisan yang mengandung grafit dan mudah
dikerjakan dengan mesin perkakas. Berdasarkan kelas besi ini mempunyai
kekerasan sekitar 155 – 320 HB (kekerasan Brinell). Kekuatan besi tuang
ini dapat dikurangi dengan cara perlakuan panas. Pemanasan dilakukan
secara perlahan-lahan dengan temperatur sekitar 550 – 575°C. Kemudian,
tetap dipanaskan dalam temperatur tersebut selama 3 jam, diikuti dengan
pendinginan secara perlahan-lahan.
Besi tuang ini dapat dipijarkan dingin untuk mengubah strukturnya.
Pemijaran dilakukan pada temperatur 700°C yang dipanaskan sekitar 0,5
jam. Akibat pemijaran ini akan mengubah struktur perlit menjadi struktur
ferit. Besi ini setelah dipijarkan dingin kekerasannya akan berkurang dari
240 HB menjadi 180 HB. Oleh karena itu, besi ini dapat dikerjakan oleh
mesin perkakas dengan kecepatan putaran yang tinggi.
Besi tuang ini dapat digunakan untuk pembuatan lemari dari peralatan
mekanik, meja mesin perkakas, tromol rem, kepala silinder, dan alai
peralatan yang sejenis.
2) Besi tuang putih
Besi tuang ini mengandung unsur silikon yang rendah. Pada waktu terjadi
pembekuan susunan strukturnya akan berbentuk grafit. Apabila besi ini
tidak bercampur maka susunannya berbentuk perlit. Besi tuang
mempunyai kekerasan 400 – 600 HB dan tegangan tariknya sekitar 27
kg/mm'. Tegangan tarik ini dapat dinaikkan sampai 45 kg/mm' dengan
penekanan larutan karbonnya 2,76 – 2,96%. Besi tuang dapat dipijarkan
dingin pada temperatur 850°C. Kemudian didinginkan secara cepat untuk
mengurangi karbid bebas di dalam besi. Pemijaran dingin yang diikuti
dengan pendinginan secara tiba-tiba (kejutan) dilakukan dalam keadaan
3-10
darurat, untuk mencegah terjadinya V.-rubahan komposisi. Besi tuang
putih digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan: peralatan mesin
gerinda atau gilingan, mesin penghancur, komponen peralatan dapur,
pisau-pisau ketam/serut, bajak untuk pertanian, dan peralatan yang sejenis.
Besi ini hanya dapat dikerjakan dengan mesin gerinda.
Pada umumnya besi tuang yang berkualitas biasa bersifat rapuh dan
mudah patch karena guncangan. Untuk menjamin kekuatan dan
kekenyalannya yang tahan terhadap guncangan maka besi tuang diolah
menjadi besi tuang tempa. Bahan baku untuk besi tuang tempa diambil
dari besi tuang putih. Unsur karbon dapat didistribusikan langsung secara
merata ke seluruh bagian dalam struktur, sehingga akan diperoleh sifat-
sifat diperlukan. -sifat yang diperlukan. Sementara itu, besi tuang kelabu
tidak dapat dijadikan besi tuang tempat, karena lapisan besi ini tidak kuat
menerima beban regang atau tarik daq jarak antara setiap lapisan termasuk
berukuran pendek.
Besi tuang tempa dapat digolongkan dalam 3 jenis, yaitu besi tuang
tempa putih, hitam, dan perlit.
1) Besi tuang tempa putih
Besi tuang tempah putih disebut juga besi tuang tempa berinti putih yang
dihasilkan dengan cara proses karburasi. Dalam proses ini besi tuang
dimasukkan ke dalam suatu tromol. Di dalam tromol, besi ini dikelilingi bijih
besi atau serbuk besi hematit. Tromol dimasukkan ke dalam dapur pemanas
dengan temperatur mencapai 950°C. Setelah dipanaskan selama 5 – 6 hari,
dapur didinginkan secara perlahan-lahan hingga mencapai temperatur kamar,
kemudian tromol dikeluarkan dari dalam dapur. Terakhir, besi tuang
dikeluarkan dari dalam tromol dan dibersihkan untuk siap dikerjakan mesin.
Sewaktu proses karburasi berlangsung struktur sementit akan berubah menjadi
struktur perlit. Hal ini disebabkan oleh karbon bebas yang larut di dalam besi
dioksidasi keluar oleh bijih/serbuk hematit. Akibatnya, besi tuang tempa yang
dihasilkan mengandung karbon rendah dan bahannya berwarna putih keperak-
perakan. Kekerasan besi tuang ini tergantung pada jarak dari tebal lapisannya,
3-11
sehingga kekerasan bagian permukaannya bertambah ke arah titik pusatnya
dari 120 HB menjadi 220 HB.
Besi tuang tempa putih digunakan sebagai bahan baku untuk membuat soket
dari rangka sepeda motor, badan rumah kemudi, leher poros, rem, garpu, alat
pertanian, ulir pembawa dalam mesin-mesin tekstil, dan sebagainya.
2) Besi tuang tempa hitam
Besi tuang tempa hitam disebut juga besi tuang berinti hitam. Besi tuang yang
dikerjakan dalam proses ini mengandung karbon tidak lebih dari 2,4%.
Pengontrolan komposisinya harus selalu dilakukan selama proses berlangsung.
Besi tuang tempa ini tidak sebaik besi tuang tempa putih karena mengandung
unsur karbon rendah.
Besi tuang ini dihasilkan dengan cara yang sama dengan besi tuang tempa
putih. Selama pengerjaan panas, karbon yang hilang sejauh mungkin dihindari.
Hal ini dilakukan dengan cara besi tuang dalam tromol dikelilingi dengan
bahan pembungkus yang netral atau bebas untuk mengeluarkan udara dan
dilengkapi dengan bahan penguat besi tuangan. Proses ini menyebabkan
perubahan struktur sementit menjadi bentuk ferit.
Besi tuang ini banyak digunakan untuk bahan baku dalam industri otomobil
dan sepeda. Seperti peralatan tuangan yang tahan terhadap guncangan dan
muclah dikerjakan dengan meson. Contohnya rumah-rumah poros gardan,
leher poros, dan pengatur diferensial. Slain itu, digunakan jugs untuk
membuat pedal, tugs, dan peralatan yang sejenis. Untuk mesin pertanian,
peralatan rem, rumah-rumah poros, dan peralatan kopling untuk jalan kereta
api.
3) Besi tuang tempa perlit
Besi tuang tempa perlit dihasilkan dengan cara pengerjaan panas pada besi
tuang putib dengan cara yang sama dalam menghasilkan besi tuang kelabu.
Pengerjaan ini akan mengubah susunan perlit menjadi ferit seperti dalam besi
tuang tempa hitam. Besi tuang ini mempunyai susunan perlit dengan cara
menambahkan atau menaikkan jumlah persentase unsur mangan sekitar I%.
Besi tuang tempa hitam diperlakukan panas secara konvensional atau
3-12
pengerjaan panas besi tuang tempa hitam ferit.
Setelah itu, didinginkan dengan minyak atau udara dengan suhu sekitar 850°C,
kemudian ditemper atau disepuh keras. Sebagai suatu altematif, besi tuang
putih dengan komposisi yang hampir sama digunakan untuk menghasilkan
besi tempa hitam dengan cara dipanaskan dan didinginkan dalam udara dan
selanjutnya ditemper. Dalam cara ini tidak ads sifat dapat ditempa dalam
pengerjaan panas. Dalam seluruh prows, besi tuang yang dihasilkan adalah
seperti baja yang kandungan karbonnya tergantung pada kebutuhannya.
Tuangan dapat dikerjakan bila struktumya akan didekomposisi menghasilkan
austenit dan akan berubah dari struktur lapisan perlit atau karbid bentuk bola.
Besi tuang tempa perlit dapat clikeraskan dengan busur nyala atau induksi,
dan melalui pengerasan akan membuat sifat-sifat mekaniknya lengkap.
Penggunaan besi tuang ini dengan cepat meluas dan terutama untuk
penggunaan yang membutuhkan ketahanan guncangan di mans jenis
penggunaannya adalah untuk poros, rumah diferensial, poros bubungan
b. Besi Tuang Kualitas Tinggi
Sifat besi tuang kelabu dapat diperbaiki dengan menggunakan besi kasar yang
dihaluskan atau dimasukkan secular besar baja bekas ke dalam dapur kubah.
Bentuk dari grafitnya dapat diubah dengan cara pengerjaan panas yang lama
atau alternatif lainnya dapat dilakukan penyuntikan.
1) Besi tuang grafit berbentuk elips
Besi tuang ini dihasilkan dengan cara menyuntik besi dengan magnesium
atau alternatif lainnya dengan Barium yang akibatnya akan mengubah
bentuk dan ukuran grafitnya. Apabila besi tuang grafit-elips berbentuk
perlit dan lapisan permukaannya terdiri dari grafit elips maka dengan jalan
dipanaskan sekitar 900°C selama beberapa jam. Selanjutnya didinginkan
sehingga campuran karbon akan terpecah atau tersebar, dan struktur
mikronya akan berubah menjadi berbentuk ferit dengan lapisan permukaan
berbentuk grafit elips.
Besi tuang ini mempunyai sifat-sifat mekanik di antara sifat besi tuang
kelabu dan baja. Tetapi, karena perubahan bentuk partikel-partikel
3-13
grafitnya maka sifat kelembapan besi tuang ini lebih kecil dari besi tuang
kelabu.
Besi tuang grafit ini dapat dikerjakan dengan pengembangan yang terbatas
dalam kondisi panas dan dingin, selain itu juga dapat diluruskan untuk
mengurangi pembengkokan atau ketidaklurusan. Besi tuang ini dapat
dikerjakan mesin perkakas dengan menggunakan air pendingin atau t1dak
menggunakan air pendingin. Selain itu, dapat dilas dengan menggunakan
teknik yang biasa dan disepuh secara galvanis dengan memakai bahan
tembaga, nikel, atau krom supaya tahan karat. Cara suntikan bahan-bahan
lainnya dapat digunakan untuk besi tuang paduan. Besi tuang grafit lebih
kenyal dan besi tuang perlit lebih kuat. Besi tuang ini digunakan sebagai
bahan baku untuk membuat poros engkol mobil, rumah turbin dan
transmisi, dan sebagainya
2) Besi tuang perlit
Besi tuang perlit dapat dihasilkan dengan cara suntikan, misalnya dengan
bahan silikat kalsium. Struktur clasarnya menjadi perlit dengan lapisan
grafit yang halus.
Besi tuang yang dihasilkan terdiri dari beberapa spesifikasi yang
didasarkan atas kebutuhan pemakaian dan dikerjakan secara biasa
mempunyai tegangan tarik sekitar 21 – 59 kg/mm'.
c. Besi Tuang Paduan
Sewaktu diperlukan sifat-sifat besi tuang yang spesial maka sejumlah unsur
campuran ditambahkan kedalamnya. Akibat penambahan tersebut sama;an
akibat penambahan pada baja. Tetapi, akibat ini dapat dikurangi jumlah
persentase campuran unsur karbon dan lamanya pendinginan berpengaruh
pada bentuk dan tebalnya. Penambahan unsur campuran pada besi tuang
bertujuan untuk memperbaiki kekuatan, kekerasan, ketahanan karat, reaksi
terhadap perlakuan panas, dan sifat-sifat fisik yang spesial dari besi tuang.
1) Akibat unsur-unsur campuran
Pengaruh dan akibat yang terjadi pada besi tuang karena penambahan unsur-
unsur campuran adalah sebagai berikut.
3-14
a) Unsur nikel
Nikel digunakan sebagai unsur campuran yang terpenting dan mempunyai
beberapa akibat dari penambahan unsur ini.
(1) Nikel cenderung untuk menaikkan penggrafitan dan menutupi kerugian
pada ketebalan lapisannya yang diakibatkan oleh pendinginan.
Penggrafitan ini adalah lebih nyata pada besi putih daripada besi
kelabu.
(2) Unsur ini mempunyai temperatur eutektoid yang rendah sehingga
memungkinkan besi tuang ini untuk dikeraskan tanpa mengalami retak.
Apabila kehadiran unsur ini lebih dari 2% maka besi tuang dapat
dikeraskan dengan cara pendinginan minyak. Tetapi apabila lebih dari
4% maka besi tuang dapat dikeraskan dengan pendinginan udara.
Apabila lebih dari sekitar 6% maka.besi menjadi keras sebagai hasil
pendinginan di udara setelah dituang dan juga pengerjaan mesin
menjadi sukar. Apabila besi tuang ini mengandung nikel lebih dari 15%
maka temperatur eutektoidnya rendah dan akan diperoleh struktur
bentuk austenit.
(3) Unsur nikel menaikkan keseragaman lapisan tebal dan lapisan tipis
dari besi tuang. Hal ini membuatnya mudah untuk dikerjakan mesin
perkakas dengan mencegah timbulnya bintik-bintik yang keras pada
besi tuang.
b) Unsur kromium
Unsur kromium menstabilkan karbid dan juga mengimbangi atau
menutupi kerugian karena pengaruh unsur silikon. Unsur ini menghasilkan
besi tuang yang keras tanpa rapuh yang dihubungkan dengan besi tuang
putih. Unsur ini digunakan bersama-sama dengan unsur nikel untuk
menghasilkan suatu struktur austenit.
c) Unsur molibden
Besi tuang yang ditambahkan dengan sekitar 1% Mo dan nikel
menghasilkan suatu asikular (seperti lapisan tipis mengelilingi besi tuang).
Tambahan unsur ini membuat best tuang mempunyai kekuatan tank yang
3-15
baik dan memperbaiki ketahanannya terhadap tumbukan.
d) Unsur tembaga
Hanya sedikit unsur tembaga yang akan bercampur ke dalam larutan padat
besi tuang. Tetapi, hal tersebut sangat berguna apabila dibutuhkan untuk
memperbaiki ketahanan karat besi tuang yang disebabkan oleh atmosfer.
3-16
2) Jenis-jenis besi tuang paduan
Beberapa besi tuang paduan yang terpenting adalah sebagai berikut.
a) Besi tuang tahan panas
Jika besi tuang biasa digunakan pada temperatur tinggi maka besi tuang
cenderung akan menerima oksidasi dan juga terjadi pertumbuhan butir-
butiran. Hal itu mengakibatkan terjadinya pemecahan sementit menjadi
bentuk ferit dan grafit yang mengambil tempat lebih besar daripada
sementit. Pertumbuhan butir-butiran menyebabkan terjadinya
pelengkungan dan pecah-pecah pada besi tuang. Unsur campuran dalam
besi tuang ini mempunyai pengaruh sebagai berikut.
(1) Paduan yang mengandung 5% Si mempunyai grafit yang sangat kuat
dan strukturnya terdiri dari grafit yang halus dalam lapisan ferit. Oleh
karena itu, tidak ada sementit yang terbentuk pada temperatur tinggi
dan juga penyebab pertumbuhan butir-butiran. Besi tuang paduan ini
mengandung karbon sekitar 2%.
(2) Paduan yang mengandung sekitar 4% Si, 18% Ni, 3% Cr, dan hanya
sekitar 2% C termasuk suatu logam yang mahal. Struktumya sebagian
besar terdiri dari bentuk austenit dengan sejumlah kecil karbid dan
lapisan grafit halus.
(3) Paduan ini mengandung sekitar 2% Si, 14% Ni, 1% Cr, 7% Cu, dan
sekitar 2% C. Struktumya terdiri dari grafit dalam lapisan austenit.
Paduan ini cenderung untuk disepuh keras dan memerlukan pahat-
pahat potong yang tajam sewaktu dikerjakan dalam mesin perkakas.
Paduan ini juga dapat dilas dengan menggunakan perlengkapan
elektroda yang sesuai.
b) Besi tuang tahan karat
Besi tuang bentuk austenit yang tahan karat dan mengandung sekitar 14%
Si adalah juga suatu besi yang tahan dan baik terhadap asam. Tetapi
paduan ini amat rapuh dan juga amat sukar dikerjakan dengan mesin.
c) Besi tuang kekuatan tinggi
3-17
Penambahan sekitar 1—1,5% Ni pada besi tuang akan memperbaiki
kekuatannya. Sementara itu, penambahan sekitar 2,5% Ni, lebih dari I %
Mo dan 3% C, besi tuang akan mempunyai "pisan asikular" yaitu kekuatan
tank clan tumbukan yang tinggi daripada besi tuang yang berlapis perlit.
Besi tuang asikular mudah dikerjakan mesin perkakas dan berguna sebagai
alternatif lain dari baja. Penggunaannya antara lain untuk pembuatan poros
engkol dan poros bubungan.
d) Besi tuang tahan pakai
Besi tuang tahan pakai maksudnya adalah suatu logam yang dapat tahan
dalam waktu lama dipakai dan biasanya disebabkan pengaruh unsur
campuran.
(1) Besi kelabu dikeraskan mengandung sekitar 2,5% Ni, 3% C, dan I%
Si. Besi ini mempunyai kekuatan dan kekerasan yang baik, di
samping itu mudah dikerjakan mesin perkakas.
(2) Besi kelabu martensit apabila kandungan nikelnya dinaikkan sekitar
5% maka, strukturnya menjadi martensit dan menaikkan
kekerasannya. Akan tetapi, besi ini sukar untuk dikerjakan dengan
mesin perkakas.
(3) Besi tuang dikerjakan panas mengandung sekitar 2,5% Ni, 1,4% Si,
dan 3% C. Besi ini dapat dikeraskan dengan cara pengerjaan panas
(heat treatment) yang menghasilkan kekerasan pada kulitnya dan
mempunyai lapisan luar tahan aus yang sangat keras dan bagian inti
yang kurang keras dan kenyal. Kecepatan pendinginan yang besar
pada bagian luar dengan jalan menuang besi tuang di dalam cetakan
pasir dengan menggunakan benda kejutan dari logam atau menuang
ke dalam cetakan yang terbuat dari logam seluruhnya.
e) Besi tuang lunak
Untuk memperoleh besi tuang lunak, bahan harus dipanaskan dalam
lingkungan, yang netral, lingkungan yang netral itu diperoleh dengan jalan
membungkus benda tuang dalam pasir atau meletakkan benda tuang tanpa
bungkusan dalam gas netral yang cocok, dengan demikian grafit tinggal
3-18
dalam bahan akan tetapi terdapat dalam bentuk kepingan yang dinamakan
"sarang". Sarang grafit memberi pengurangan penampang yang lebih kecil
dan menyebabkan pengerjaan takik (tekukan) yang lebih sedikit. Sesudah
proses itu harus dilakukan pendinginan yang perlahan-lahan, apabila ingin
mencegah pembentukan perlit pada suhu 723°C. Menjadi besi tuang lunak
setelah didinginkan terutama terdiri dari ferit dan grafit.
Karena adanya ferit kenyal yang lunak dan karena bentuk sarang grafit
yang menguntungkan besi tuang lunak memiliki kekuatan tarik yang lebih
tinggi dan regangan dari besi tuang lunak dapat meningkatkan sampai 12%.
Untuk pembuatan besi tuang lunak putih mengandung sekitar 3% karbon,
dan besi tuang kasar untuk pembuatan besi tuang lunak hitam mempunyai
kandungan karbon sekitar 2,6%. Yang terakhir ini harus dicairkan dalam
dapur listrik karena kandungan karbon yang rendah sulit didapat dalam
dapur kubah.
Penemperan putih, adalah pemijaran benda kerja dari besi tuang kasar
lunak di dalam bahan yang mengandung oksigen, misalnya dalam bijih
besi beroksida. Dalam proses ini terurailah karbid besi Fe 3 C, karbon
bebasnya bereaksi dengan oksigen dari bijih besi. Bidang patah dari benda
kerja yang lebih tebal dindingnya, karbon terkikis dari sisi-sisinya,
sedangkan intinya berstruktur perlit.
Penemperan hitam, pemijarannya dilakukan di dalam medium yang bebas
oksigen, misalnya pasir. Medium itu tidak memberi pasangan reaksi bagi
karbon bebas yang timbul. Maks karbon berkumpul di dalam benda kerja
menjadi arang temper dan membentuk spa yang disebut "sarang temper",
dari besi tuang temper hitam dapat dibuat rumah transmisi rods gigi yang
berdinding tebal dan tromol rem.
3.6. Proses Pembuatan Besi Tempa
Besi tempa disebut juga besi aduk karena proses peleburannya dilakukan
di dalam dapur aduk. Paduan dasarnya terdiri dari besi murni lebih kurang 99%,
karbon sekitar 0,02% – 0,25%, dan bercampur dengan unsur-unsur Si, Mn, P, S,
3-19
dan sebagainya. Besi ini mempunyai sifat-sifat yang kenyal, keras, tahan karat,
dan mudah dilas.
Besi tempa banyak digunakan sebagai bahan baku untuk membuat rantai.
takal, kopling, jalan kereta api, juga peralatan yang tahan terhadap guncangan
yang berselang-seling. Tetapi, besi ini diproduksi dalam jumlah yang kecil,
karena biaya operasinya mahal.
1. Proses Pembuatan
Besi tempa diperoleh dengan cars memproses besi kasar dan bahan tambahan
lainnya di dalam kapur aduk. Besi tempa cair yang dihasilkan dari dalam
dapur dibekukan dan dilakukan pengerjaan tempa.
Dapur aduk termasuk jenis dapur nyala yang dilengkapi dengan tungku
pembakar. Bagian dalamnya dilapisi dengan batu tahan api yang terdiri dari
Asida besi dan silika. Bahan dibakar di atas tungku, pangs yang dihasilkan
menguap ke atas dan memanaskan atap dapur, kemudian panasnya
dipantulkan, kembali ke atas bahan bakunya.
Proses pembuatan besi tempa dapat diuraikan sebagai berikut.
a. Tingkat Pencairan
Tingkat pencairan terjadi selama tingkat uji bahan baku dicairkan. Saat itu
sebagian besar unsur mangan dan sedikit unsur silikon dioksidasikan
menjadi terak.
b. Tingkat Pendidihan
Tingkat pendidihan terjadi pads besi yang telah lumen, sebagian
pembersihan ditandai dengan mulai terjadi pereduksian karbon. Karbon
yang direduksi membentuk gas CO dan CO2 yang menyebabkan gas
tersebut mendidihkan bahan-bahan yang dimasukkan ke dalam dapur.
Selama dalam tingkat pendidihan terjadi proses oksidasi antara terak cair
dengan besi cairan.
c. Tingkat Penyelesaian
Pada tingkat penyelesaian, besi cair yang telah membeku dibentuk bulat
dan masing-masing beratnya sekitar 30–40 kg. Kemudian, besi ditempa
untuk dijadikan balok-balok besi tempa (ingot) dan didinginkan dalam bak
3-20
pendinginan. Terakhir besi digiling untuk dijadikan batangan besi tempa
yang setiap potongnya disesuaikan dengan standar perdagangan.
Apabila akan membuat besi tempa yang berkualitas baik maka dibentuk
ukurannya sepanjang 6–9 meter. Kemudian dipanaskan kembali pads
temperatur las dan digiling kembali sehingga dihasilkan suatu besi tempa
yang berkualitas baik.
2. Pengaruh Unsur-Unsur Campuran
Adapun unsur campuran yang larut di dalam besi tempa adalah mempunyai
pengaruh sebagai berikut.
a. Unsur Fosfor
Unsur fosfor larut di dalam besi tempa hanya dalam jumlah yang sedikit. Karena,
unsur ini membahayakan besi tempa dan 0,25% fosfor yang larut dalam besi
membuat besi didinginkan secara singkat. Besi yang dicampur dengan
unsur fosfor akan lunak dan mudah dikerjakan pada panas merah, tetapi
rapuh dan retak-retak ketika didinginkan.
b. Unsur Sulfur
Campuran unsur ini dalam besi berakibat sebaliknya dari campuran unsur
fosfor. Sehingga unsur ini amat penting untuk dikeluarkan atau dikontrol
jumlahnya di dalam besi. Proporsi yang sama rendah dengan 0,03% Si
menyebabkan besi dipanaskan secara singkat. Hal itu membuat besi
menjadi rapuh dan tidak dapat dikerjakan pada panas merah walaupun
memiliki kualitas yang normal sewaktu didinginkan.
c. Unsur Silikon
Unsur ini sedikit larut dalam besi dan cenderung membuat besi menjadi
rapuh. Campuran unsur Si sekitar 0,35% yang membuat besi cukup
didinginkan secara singkat dan kurang kuat.
3-21
Tabel 3 Komposisi Best Tempa
KomposisiPersentase (%)
Kualitas Biasa Kualitas Tinggi
Besi 99,10 – 99,70 99,774
Karbon 0,10 – 0,25 0,081Silikon – – 0,10 0,104Fosfor 0,04 – 0,20 0,041Sulfur 0,02 – 0,10 – Mangan – – 0,25 –
Produksi besi tempa dilakukan dengan cara memanaskan besi kasar dan
bahan-bahan lainnya sampai mencair. Selama itu unsur karbon direduksi
dengan jalan oksidasi untuk membentuk terak cair yang terletak pada
bagian permukaan besi cair. Proses oksidasi terns berlangsung dan pada
waktu itu sebagian kecil terak tercampur kembali dalam cairan besi.
Setelah sebagian besar karbon direduksi, besi cair dan terak cair
dikeluarkan dari dalam dapur. Selanjutnya besi cair didinginkan dan
dikerjakan lebih lanjut untuk dijadikan besi tempa.
3.7. Rangkuman
Besi tuang dapat didefinisikan sebagai logam campuran dari besi yang
mengandung unsur karbon sekitar 2,4 – 4,2% dan besi tempa adalah besi yang
mengandung 99% besi murni dan 0,02 – 0, 1% karbon. Proses pengolahan besi
tuang menggunakan beberapa jenis dapur atau converter seperti dapur kubah,
dapur aduk, dapur berputar, dan dapur listrik. Besi tuang yang dihasilkan dari
peleburan besi kasar dengan besi dan baja bekas di dalam dapur tuangan, terdiri
dari tiga jenis, yaitu besi tuang kualitas biasa, kualitas tinggi, dan besi tuang
paduan.
Sedangkan besi tempa disebut juga besi aduk. Dam paduan dasarnya
terdiri dari besi murni lebih kurang 99%, karbon sekitar 0,02% – 0,25%, dan
bercampur dengan unsur-unsur Si, Mn, P, S, dan sebagainya. Besi ini mempunyai
sifat-sifat yang kenyal, keras, tahan karat, dan mudah dilas.
3-22
3.8. Soal-soal Latihan
1. Jelaskan perbedaan antara besi tuang dan besi tempa ?.
2. Sebutkan jenis-jenis tungku/converter yang digunakan untuk membuat besi
tuang?.
3. Jelaskan proses pembentukan struktur besi tuang?.
4. Jelaskan pengaruh pelarutan unsur karbon (C) di dalam besi tuang?.
5. Jelaskan pengaruh unsur silisium, mangan sulfur, dan posfer terhadap besi
tuang?.
6. Apa perbedaan antara besi tuang kelabu dan besi tuang putih?.
7. Jelaskan pengaruh unsur paduan nikel, molibdenun, kromium, dan tembaga
pada besi tuang paduan?.
8. Jelaskan pengaruh unsur paduan phosfor, sulfur, dan silikon pada besi tempa?.
9. Jelaskan komposisi dari besi tempa dan sebutkan penerapan dari besi tempa?.
10. Jelaskan sifat-sifat dari besi tempa?.