Makalah Besi Cor Ilmu Bahan

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  Latar belakang

Besi cor merupakan salah satu jenis logam tertua dan murah yang pernah ditemukan umat manusia di antara sekian banyak logam yang ada. Logam ini memiliki banyak aplikasi, sekitar 80 persen mesin kendaraan terbuat dari besi cor.

Besi cor pada dasarnya merupakan paduan eutektik dari besi dan karbon. Dengan demikian temperature lelehnya relative rendah, sekitar 1200 celcius. Temperature leleh yang rendah sangat menguntungkan, karena mudah dicairkan, sehingga pemakaian bahan bakar atau energy lebih hemat dan murah. Selain itu dapur peleburan dapat di bangun dengan lebih sederhana.

Besi cor merupakan paduan Besi-Karbon dengan kandungan C diatas 2% (pada umumnya sampai dengan 4%). Paduan ini memiliki sifat mampu cor yang sangat baik namun memiliki elongasi yang relatif rendah. Oleh karenanya proses pengerjaan bahan ini tidak dapat dilakukan melalui proses pembentukan, melainkan melalui proses pemotongan (pemesinan) maupun pengecoran.

1.2  Tujuan penulisan makalah

1.      Mahasiswa dapat memahami karakteristik dan pengertian Besi cor

2.      Mahasiswa dapat memahami jenis dan sifat besi cor

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1                        Pengertian Definisi Besi Cor

Besi cor merupakan salah satu jenis logam tertua dan murah yang pernah ditemukan umat manusia di antara sekian banyak logam yang ada. Logam ini memiliki banyak aplikasi, sekitar 80 persen mesin kendaraan terbuat dari besi cor.

Besi cor pada dasarnya merupakan paduan eutektik dari besi dan karbon. Dengan demikian temperature lelehnya relative rendah, sekitar 1200 celcius. Temperature leleh yang rendah sangat menguntungkan, karena mudah dicairkan, sehingga pemakaian bahan bakar atau energy lebih hemat dan murah. Selain itu dapur peleburan dapat di bangun dengan lebih sederhana.

Besi cor cair memiliki mampu tuang atau mampu cor yang tinggi, sehingga memiliki kemampuan mengisi cetakan yang rumit sekalipun. Ditinjau dari desain produk, besi cor merupakan bahan yang serba guna dan murah.

Bisi cor umumnya mengandung unsure silicon antara 1 – 3 persen. Dengan kandungan sebesar ini, silicon mampu meningkatkan kekuatan besi cor melalui penguatan fasa ferit. Besi cor dengan  kadar karbon antara 2 – 3 persen dan dengan kandungan silicon tersebut memiliki tempertur leleh eutektik lebih rendah.

Kehadiran silicon dalam besi cor mengakibatkan terjadinya dekomposisi karbida menjadi besi dan grafit:

Fe₃C —-^Si–>  3Fe + C (grafit)

Proses dekomposisi ini disebabkan oleh sifat Fe₃C yang metastabil. Dekomposisi ini disebut  grafitisasi yang menghasilkan grafit dalam besi cor.

2.2                        Jenis- jenis besi cor

Jenis-jenisbesicoryaitu :

1        Besi Cor Kelabu, Gray Cast Iron

Besi cor kelabu memiliki kandungan silicon relative tinggi yaitu antara satu sampai tiga persen. Dengan silicon sebesar ini, besi cor akan membentuk garfit dengan mudah, sehingga fasa karbida Fe₃C tidak terbentuk. Grafit serpih besi cor ini terbentuk saat proses pembekuan.

Besi cor kelabu memiliki kandungan karbon antara 2,5 – 4,0 persen, dan kandungan mangan antara  0,2 – 1,0 persen. Sedangkan kandungan fosfor  antara  0,002 – 1,0 persen, dan sulfur antara 0,02 – 0,025 persen.

Gambar  2.2.1 : Struktur Mikro Besi Cor Kelabu

Salah satu Karekteristik dari besi cor ini adalah bidang patahannya. Patahan terjadi dengan rambatan yang melintasi satu serpih ke serpih yang lainnya. Karena sebagian besar permukaan patahan melintasi serpih-serpih grafit, maka permukaannya berwarna kelabu. Untuk itu disebut besi cor kelabu, besi cor ini memiliki kapasitas peredaman tinggi.

Perlakuan panas yang dialami oleh besi cor kelabu dapat mengahasilkan besi cor dengan struktur yang berbasis pada fasa feritik, perlitik, atau martensitik. Dengan sifat-sifat yang dimilikinya, besi cor ini lebih banyak digunakan sebagai landasan mesin, poros penghubung, dan alat berat.

2        Besi Cor Nodular, Nodular Cast Iron

Besi cor nodular dibuat dengan menambahkan sedikit unsure magnesium atau serium. Penambahan unsure ini menyebabkan bentuk grafit besi cor menjadi nodular, atau bulat, atau speroid. Perubahan bentuk grafit ini diikuti dengan perubahan keuletan. Keulutan besi cor naik.  Maka dari itu, besi cor nodular disebut besi cor ulet. Besi cor ini memiliki keuletan antara 10 – 20 persen.

Gambar  2.2.2 :  Besi Cor Nodular

Besi cor nodular memiliki kandungan karbon antara 3,0 – 4,0 persen, kandungan silicon antara 1,8 – 2,8 persen dan mangan antara 0,1 – 1,0 persen. Sedangkan kandungan fosfornya antara 0,01 – 0,1 persen, dan sulfur antara 0,01 – 0,03 persen.

Perlakukan panas yang diterapkan pada besi cor nodular akan menghasilkan besi cor ferit, perlit atau martensit temper. Dengan sifat yang dimilikinya, besi cor ini banyak digunakan untuk aplikasi poros engkol, pipa dan suku cadang khusus.

3        Besi Cor Putih, White Cast Iron.

Besi cor putih dibuat dengan pendinginan yang sangat cepat. Pada laju pendinginan yang cepat akan terbentuk karbida Fe₃C yang metastabil dan karbon tidak memiliki kesempatan untuk membentuk grafit. Karbida yang terbentuk mencapai sekitar 30 persen volume.

Besi cor putih mengandung karbon antara 1,8 – 3,6 persen, dan kandungan mangan antara 0,25 – 0,80 persen. Sedangkan kandungan fosfornya antara 0,06 – 0,2 persen, dan sulfur antara 0,06 – 0,2 persen.

Gambar 2.2.3 : Besi Cor Putih

Besi cor ini memiliki sifat yang getas, namun memiliki kekerasan yang tinggi. Sifat yang dimilikinya menyebabkan besi cor ini lebih aplikatif untuk suku cadang yang mensyaratkan ketahanan aus tinggi.

4        Besi Cor Mampu Tempa, Malleable Cast Iron

Besi Cor mampu tempa dibuat dari besi cor putih dengan menerapkan suatu perlakuan panas. Perlakuan panas yang diterapkan pada besi cor putih umumnya adalah anil. Dengan perlakukan ini fasa-fasa karbida Fe₃C akan terdekomposisi menjadi besi dan grafit. Grafit yang terbentuk tidak serpih atau bulat, namun berbentuk gumpalan grafit  yang tidak memiliki tepi-tepi tajam.

Besi cor mampu tempa memiliki kandungan karbon antara 2,2 – 2,9 persen, kandungan silicon antara 0,9 – 1,9 persen, dan mangan antara 0,15 – 1,2 persen. Sedangkan kandungan fosfor nya antara 0,02 – 0,2 persen dan sulfur antara 0,02 – 0,2 persen.

Gambar 2.2 4 : Besi Cor Mampu Tempa

Perlakuan panas yang dialaminya dapat membentuk besi cor berfasa feritik, perlitik atau martensit temper. Perubahan struktur pada laku panas diikuti juga dengan perubahan sifat mekaniknya. Besi cor ini memiliki keuletan yang tinggi dan mampu tempa yang  baik. Oleh kerena itu disebut Besi cor mampu tempa. Besi cor ini umumnya digunakan untuk perkakas dan alat-alat kereta api,

Jenis dari ketiga besi cor tersebut sangat tergantung dari kandungan dan komposisi antara C dan Si serta laju pendinginannya, dimana laju pendinginan yang tinggi akan menghasilkan struktur besi cor putih sedangkan laju pendinginan yang lambat akan menghasilkan pembekuan kelabu.

Didaerah ujung kiri sampel, karena pada bagian tersebut merupakan media cetakan logam akan membeku secara cepat dan menghasilkan struktur ledeburit yang keras, sedangkan didaerah ujung kanan yang menggunakan media cetak pasir yang menghasilkan laju pembekuan lambat menghasilkan struktur kelabu. Didaerah tengah yang merupakan daerah transisi keduanya terdapat struktur meliert.

Paduan biner Besi-Karbon pada pendinginan normal akan membeku secara metastabil sehingga pada pada komposisi hipoeutektik akan menghasilkan struktur ledeburit (perlit + sementit sekunder), sedangkan pada komposisi hipereutektik terdiri dari sementit primer dan ledeburit. Barulah pada laju pendinginan yang amat sangat lambat, atau dengan kandungan Si yang cukup tinggi, pembekuan akan berlangsung secara stabil, dimana sementit (Fe₃C/besikarbida) pada temperatur tinggi akan terurai sebagai berikut:

Fe₃C –> 3Fe + C

Dalam hal ini C merupakan unsur elementer yang berkoloni membentuk grafit (penggrafitan tak langsung), serta tidak menutup kemungkinan bahwa grafit telah pula terbentuk langsung dari cairan (penggrafitan langsung). Dengan demikian paduan tidak lagi menganut sistem Besi-Besikarbida, melainkan Besi-Grafit.

Pada kenyataannya, dikarenakan oleh berbagai hal, kristalisasi dari besi cor kelabu berlangsung tidak demikian, dan bagian-bagian dari struktur tidak dapat dengan mudah dibatasi sebagaimana pada besi cor putih.

Akibat dari terjadinya undercooling, terdapat sebagian kecil dari karbon yang tertransformasi menjadi besikarbid setelah sebagian besar dari cairan tertransformasi menjadi besi dan grafit. Pembentukan grafit sangat tergantung dari jumlah inti-inti grafit. Sementara itu grafit memiliki kecenderungan kuat untuk saling mengelompok serta menjadi bentuk lembaran-lembaran grafit.

Sistem Metastabil (Fe-Fe3C)	Sistem Stabil (Fe-C)
Ledeburit (austenit + sementit)	Grafit eutektik (austenit + grafit)
Perlit (ferit + sementit)	Grafit eutektoid (ferit + grafit)
Sementit primer (sepanjang garis CD)	Grafit primer (sepanjang garis C’D')
Sementit sekunder (sepanjang garis SE)	Grafit segregat (sepanjang garis S’E')

Tabel 1. Perbandingan struktur pada sistem metastabil dengan stabil

Peristiwa ini terjadi pada saat sisa cairan mencapai konsentrasi eutektiknya yang diikuti dengan segregasi grafit, dimana pada stiap laju pendingainan yang lebih rendah, maka pertumbuhan lembaran grafit tersebut akan semakin kasar, bahkan hingga menjadi grafit batas butiran.

Gambar 2.2.5 : Grafit eutektik pada besi cor kaya Si.

Non-etsa.

Gambar 2.2.6 : Grafit batas butiran.

Non-etsa.

Grafit yang halus dapat dicapai pada besi cor dengan kandungan Si sangat tinggi (lebih kurang 4%) dan melalui proses pendinginan yang cepat. Selain dari itu, perlakuan-perlakuan peleburan maupun karena pengaruh dari terdapatnya unsur-unsur lainnya dapat pula mempengaruhi pertumbuhan dari grafit. Suatu penahanan yang lama pada temperatur diatas T_liq akan menyebabkan terjadinya pengahalusan grafit sebagai akibat dari penghancuran kumpulan grafit.

Gambar 2.2.7 : Grafit Nester pada besi cor kaya P. Non-etsa.

2.3            Struktur Besi Cor

Bentuk-bentuk grafit dinyatakan dengan angka romawi I sampai dengan VII sebagaimana ditunjukkan pada gambar 6 dan 7.

Gambar 2.3 :  Standar bentuk grafit menurut ASTM-Spezifikation A 247.

(I = Grafit Bulat, IV = Grafit Vermikular, VII = Grafit Lamelar)

Sedangkan sebaran grafit khususnya untuk bentuk I dinyatakan dengan huruf kapital A sampai E sebagaimana ditunjukkan pada gambar 8.

Gambar 2.3.1 : Standar sebaran grafit menurut VDG-Merkblatt P441.

Grafit A :	Grafit eutektik lamelar (grafit lamelar yang tersebar secara merata dan seragam).
Grafit B :	Grafit mawar (Rosette).
Grafit C :	Grafit kasar (grafit primer) yang tersebar diantara grafit-grafit eutektik. Umumnya terdapat pada komposisi besi cor hipereutektik.
Grafit D :	Grafit interdenditrik (grafit undercooling). Umumnya terjadi pada komposisi besi cor hipoeutektik.
Grafit E :	Grafit interdendritik yang terurai. Umumnya terjadi pada komposisi besi cor hipoeutektik.

Sejak berhasilnya pembulatan grafit dalam besi cor, berbagai bentuk rafi mulai diamati antara bentuk sepih dengan bentuk bulat, maka pada Kongres Pengecoran Internasional pada tahun 1962, bentuk-bentuk grafit tersebut diklasifikasikan seperti ditunjukan dalam Gb. 2.42. Bentuk I adalah grafit serpih yang biasa, bentuk II bentuk grafit yang berujung runcing yang biasa terjadi kalau kelebihan unsur pembulat, bentuk III untuk grafit yang berujung bulat yang biasa terjadi bila unsur pembulat tidak cukup , ini disebut grafit serpih palsu grafit berbentuk cacing. Bentuk IV untuk grafit gumpalan yang bbiasa terjadi pada besi cor meleabel perapian hitam dan bentuk V adalah bentuk grafit nodular.

2.4 Klasifikasi besi cor

Umumnya besi cor akan mengandung unsur Fe dan C [3,5% - 4,3%]. Besi cor, diklasifikasikan menjadi :

a.       Besi cor putih (white cast iron) Besi cor putih mempunyai fasa sementid+perlit sehingga mempunyai sifat keras dan getas.

b.      Besi cor kelabu (grey cast iron) Unsur penyusun dari besi cor kelabu yakni : Fe + C + Silikon (Si).dengan sifat : agak getas yang dikarenakan ujung-ujung grafit berbentuk serpih tajam, akibatnya konsentrasi tegangan tinggi sehingga mudah patah.

c.       Besi cor bergrafit bulat (ductile cast iron atau noduler cast iron) Unsur penyusun dari besi cor bergrafit bulat yakni : Fe + C + Si + Mg / Ce.Penambahan Mg atau Ce bertujuan untuk “melunakan” grafit menjadi bulat sehingga konsentrasi tegangan sedikit sekali (besi cor bersifat ulet).

d.      Besi cor mampu tempa (malleable cast iron) Untuk membuat besi cor mampu tempa dapat dibuat dengan memanaskan besi cor putih hingga mencapai suhu 700 Derajat Celcius selama 30 Jam. Hal ini bertujuan agar sementid terturai menjadi Fe (ferit) dan C (grafit). Grafit yang dihasilkan berbentuk pipih.

BAB III

PEMBAHASAN

3.1            Pembekuan Besi cor

Secara umum proses pembekuan dari besi cor dengan kandungan C antara 2% sampai 4% adalah sebagai berikut: Dari cairan (kemungkinan pada saat ini telah terdapat inti-inti grafit) akan terbentuk kristal g-primer yang dengan demikian konsntrasi C didalam sisa cairan akan meningkat menuju kekomposisi eutektik. Sisa cairan kemudian akan tertransformasi secara eutektik menjadi ledeburit dan sejumlah grafit.

Pada pendinginan selanjutnya sementit pada ledeburit akan tertransformasi menjadi austenit dan grafit dan untuk selanjutnya grafi-grafit akan tersegregasi keluar dari austenit (serpanjang garis E’S’ diagram biner Besi-Karbon). Grafit-grafit sekunder ini terbentuk menempel pada grafit primer yang oleh karenanya tumbuh semakin besar.

Akhirnya, pada pendinginan stadium 3, terjadilah transformasi eutektoid dimana kristal g (austenit) akan berubah menjadi perlit. Ketika pendinginan berlanjut (temperatur sesaat setelah 720 ^oC), sebagian dari perlit juga akan terurai menjadi ferit dan grafit yang sebagaimana grafit terdahulu tumbuh menempel pada grafit-grafit yang telah ada, sehingga akhirnya ferit yang terbentuk akan selalu berada disekitar grafit (awan ferit).

Hal yang sangat penting sehubungan dengan struktur dasar (matriks) besi cor adalah pengaruh unsur Si terhadap besikarbida (Fe₃C), dimana Si akan mengakibatkan besikarbida terurai menjadi besisilikat dan karbon (grafit) sebagaimana reaksi berikut:

Fe₃C + Si –> Fe₃Si + C

Kandungan Si yang tinggi memiliki pengaruh yang mirip dengan kandungan C yang dinaikkan serta mengakibatkan perlambatan laju pendinginan sehingga mengarah ke sistim stabil Besi-Grafit.

Gambar 3.1 :  Diagram besi cor menurut Maurer.

Maurer mengembangkan suatu diagram besi cor dengan kandungan C dan Si berbeda-beda pada suatu laju pendinginan tertentu (yaitu pada spesimen cor diameter 30 mm) yang memperlihatkan perbedaan matriks pada setiap kandungan C dan Si.

Kandungan C dan si yang rendah akan menyebabkan terjadinya pembekuan putih dengan struktur ledeburitnya (gambar 10). Peningkatan kandungan Si akan menyebabkan struktur yang terjadi adalah perlit dengan sebaran grafit lamelar diantaranya

Gambar 3.1.1 : Besi cor putih.

(Ledeburit + perlit)

Gambar 3.1.2 :  Besi cor perlitik.(Perlit + grafit)

Apabila kandungan Si lebih tinggi lagi, maka akan diperoleh struktur besi cor ferit-perlit dan grafit. Sedangkan pada kandungan C tinggi dengan Si rendah akan terjadi struktur meliert yang terdiri dari ledeburit, perlit dan sedikit grafit

Gambar 3.1.3 :  Besi cor ferit-perlit.

Gambar 3.1.4 : Besi cor meliert.

Sebaliknya dari unsur Si yang menyebabkan stabilitas besikarbida menurun, maka unsur Mn justru meningkatkannya. Stabilitas karbida menjadi tinggi dengan terbentuk sebagai karbida campuran (Fe, Mn)₃C. Oleh karena itu kandungan Mn didalam besi cor dibatasi antara 0.3% – 1.2%. Adanya Mn didalam besi cor akan mebuat karbida dalam perlit menjadi halus akibat dari berkurangnya transformasi g/a. Kandungan Mn yang semakin tinggi, sebagaimana pada baja, akan membentuk struktur menjadi martensit atau bahkan austenit.

Kandungan unsur S (belerang) dalam besi cor diijinkan hingga 1.2%. Tidak seperti halnya pada baja, unsur ini tidak berpengaruh terlalu penting, mengingat kandungan Mn yang cukup tinggi dapat mengingat unsur S ini menjadi MnS (mangansulfid) yang tidak berpengaruh buruk.

Kandungan P pada besi cor normal diijinkan sebesar 0.1% – 0.6%. Unsur ini memiliki efek meningkatkan fluiditas besi cor cair sehingga mampu mengisi rongga-rongga cetakan yang tipis, serta meningkatkan ketahanan geseknya. Besi g (austenit), Fe₃C dan Fe₃P pada temperatur 950 ^oC akan membentuk eutektikum yang disebut Pospideutektikum (steadit) yang mengandung 2.4% C dan 6.89% P. stedit inilah yang menyebabkan besi cor menjadi tahan terhadap beban gesek.

Gambar 3.1.5 : Steadit didalam struktur besi cor perlitik.

           

Gambar 3.1.6 :Stedit kasar didalam struktur besi cor perlitik.

3.2Apliksi Besi cor pada mesin alat berat

Ø  Besi cor Klabu                                    : Landasan Mesin, poros penghubung, blok mesin

Ø  Besi cor nodular                      :Poros engkol pipa

Ø  Besi cor putih                          : sukucadang

Ø  Besi cor mampu tempa            : spare part berukuran kecil, alat-alat kreta api

Ø  Besicorbergrafit bulat :           : batang torak kompresor, penjepit kreta api

3.3 Kelebihan dan Kekurangan Besi Cor

Dibandingkan dengan baja cor, ada beberapa keunggulan besi cor ini, misalnya:

•         Hasilnya akan lebih murah dibandingkan dengan baja cor

•         Temperatur peleburan lebih rendah, oleh karena

      itu “Dapur Kupola” dapat dipakai.

•         Besi tuang cair akan lebih baik mengalirnya, sehingga dapat mengisi

      rongga-rongga cetakan (mould) dengan lebih sempurna.

•         Hasilnya siap untuk dikerjakan lebih lanjut.

•         Menghasilkan kombinasi kekuatan tarik dan tekan yang baik

•         Tahan terhadap keausan, gerusan, dll.

•         Tidak berkarat.

Dibandingkan dengan baja cor, ada beberapa kekurangan besi cor ini, misalnya:

•         Tidak dapat di tempa.

•         Tidak dapat disambung dengan paku keling atau dilas, dua buah besi tuang hanya dapat disambung dengan baut dan sekrup.

•         Tidak dapat diberi muatan magnet

•         Getas sehingga tidak dapat menahan lenturan

BAB IV

PENUTUP

4.1  Kesimpulan

Besi cor pada dasarnya merupakan paduan eutektik dari besi dan karbon. Dengan demikian temperature lelehnya relative rendah, sekitar 1200 celcius. Temperature leleh yang rendah sangat menguntungkan, karena mudah dicairkan, sehingga pemakaian bahan bakar atau energy lebih hemat dan murah.

Dari warna patahan, dapat dibedakan 3 jenis besi cor yaitu Besi Cor Putih yang terdiri dari struktur ledeburit (coran keras), struktur campuran antara perlit dengan ledeburit yang disebut Besi Cor Meliert dan struktur perlit dan atau ferit serta ledeburit masih terdapat sejumlah unsur karbon dalam bentuk koloni grafit yang disebut Besi Cor Kelabu.

4.2 Saran

Beberapa saran yang bisa diberikan untuk penyempurnaan “Tugas Ilmu Bahan” ini adalah:

·         Sebelum menggunakan alat untuk alat berat, pahami dulu alat tersebut dari bahan apa dan sifat mekanismenya.

·         Teliti sebelum mengerjakan sesuatu.

·         Selalu ikuti petunjuk penggunaan.

·         Dan berhati-hatilah.

DAFTAR PUSTAKA

1. ASM Handbook, 1992, “ Metallography And Microstructures”, Volume 9, American Society For Metal,
2. http://ardra.biz/metalurgi/besi-cor-cast-iron
3. http://sonjaya45.wordpress.com/2010/03/13/besi-cor/