3 Pembuatan Besi Tuang Dan Besi Tempa d3

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?.