Besi Cor Nodular
Mekani Mekanisme sme pembent pembentuka ukan n grafit grafit bulat bulat telah telah diteli diteliti ti oleh oleh banyak banyak penelit peneliti, i, namun namun demiki demikian an jawaban yang lebih memuaskan tentang fenomena ini masih terus dikembangkan dan didiskusikan. Dari sekian banyak teori tentang pembulatan grafit, maka teori gelembung gas ( gas bubble theory) theory) memberikan penjelasan yang mudah dipahami serta mencakup beberapa teori yang lainnya, sebagaimana hasil penelitian dari Haruki Itofuji. enelitian dilakukan terhadap suatu cairan besi cor nodular yang dikuens pada saat pendinginan sehingga pada tempat dimana akan terbentuk grafit bulat, ditemukan gelembung!gelembung gas yang merupakan gas Mg, gas "a dan#atau gas $% yang terabsorbsi oleh unsure tanah jarang (rearearth). rearearth). ada penelitian tersebut tampak bahwa hanya grafit bulat berukuran kecil (dibawah &' mm) yang ditemukan terbentuk didalam cairan. ntuk partikel yang lebih besar, bentuk grafit ditentukan oleh lapisan austenit yang berada disekel disekelili ilingny ngnya. a. rafit rafit menjad menjadii bulat bulat bila bila austen austenit it dapat dapat terbent terbentuk uk disekel disekelili ilingny ngnyaa dengan dengan sempurna, sebaliknya grafit *ermikular tebentuk bila pada austenit, akibat adanya unsur!unsur pengganggu, terjadi kanal!kanal yang menghubungkan grafit dengan cairan. +edangkan bila pertumbuhan grafit dalam dala m gelembung gas terhenti serta tumbuh grafit dari inti!inti baru disekitar austenit, akan terjadi grafit chunky (gambar chunky (gambar ).
ambar . +kematik pembentukan grafit bulat. -eori lain dikemukakan oleh Marincek , yaitu teori dengan landasan energi permukaan. Dari penelitiannya ditemukan bahwa energi permukaan antara grafit dengan cairan pada besi cor nodular lebih besar dari pada besi cor lamelar. Dengan metode retakan kapiler (capillary rise method ) dipastikan bahwa tegangan permukaan pada grafit lamelar adalah /'' 0 &&'' dyne#cm, sedangkan pada grafit bulat adalah &'' dyne#cm (dyne adalah satuan gaya dengan sistim cgs). enelitian ini berhasil menjelaskan, bahwa pembulatan grafit dapat terjadi karena pada permukaan bulat ( sphere) terdapat energi bebas permukaan yang lebih kecil dari pada permukaan lamelar dengan *olume yang sama sehingga perbedaan energi antar permukaan cairan dengan grafit (interface energy) menjadi besar. erbedaan yang besar ini memaksa pertumbuhan kristal grafit, dalam hal ini menurunkan rasio energi#*olume, cenderung menjadi bulat dari pada lamelar.
ambar 1. 2ariasi energi bebas pembentukan grafit (D) sebagai fungsi dari interface energi cairan!grafit (g3+4). Interface energi antara cairan!grafit merupakan fungsi dari kandungan +. ila terdapat cukup kandungan unsur reaktif terhadap + seperti Mg, sehingga + didalam cairan dapat direduksi sekecil!kecilnya, maka interface energi tersebut akan naik sehingga grafit bulat akan lebih memungkinkan terbentuk. -ercatat pula beberapa faktor yang menjadi penghambat terjadinya grafit bulat, antara lain adanya unsur!unsur pengganggu didalam cairan (+b, b, 5s dan sebagainya), atau pemanasan lebih ( superheating ) serta penahanan cairan setelah Mg!treatment. 6aktor!faktor tersebut secara langsung menurunkan tegangan permukaan. +elanjutnya kenaikan tegangan permukaan teramati pula sejalan dengan penambahan unsur Mg didalam cairan sebagaimana tampak pada gambar 7 dan 8.
ambar 7. 2ariasi tegangan permukaan sebagai fungsi waktu penahanan pada - konstan.
ambar 8. 2ariasi tegangan permukaan sebagai fungsi Mg!rest. Dari gambar 8 tampak jelas, bahwa tegangan permukaan terbesar yang menghasilkan pembulatan grafit optimum adalah pada kandungan Mg sebesar '.'&!'.'%9. $amun karena dalam pengukuran sulit untuk membedakan antara Mg dengan Mg+ maupun Mg:, maka kandungan Mg ( Mg-rest ) yang dianjurkan adalah '.'&19 lebih tinggi dari kandungan seharusnya ('.'%1 0 '.';19). +ifat!sifat esi "or $odular dipengaruhi oleh semua unsur yang terdapat dalam tabel periodik. eberapa dari unsur ini memiliki konsentrasi yang sedemikian kecilnya sehingga sulit dikenali, sedangkan beberapa yang lainnya memiliki pengaruh yang relatif kecil. +etiap unsur secara umum berpengaruh sebagai berikut< •
Menyebabkan atau meniadakan karbida.
•
Membentuk serta mempengaruhi penyebaran grafit.
•
Membentuk struktur dasar.
ambar /. +truktur esi "or $odular perlitik dengan sedikit ferit.
ambar =. ertumbuhan grafit yang menembus dinding austenit. engaruh unsur!unsur ini terutama berhubungan erat dengan kecepatan pendinginan (ketebalan coran), oleh karenanya penentuan komposisi besi cor nodular sangat memperhatikan masalah kecepatan pendinginan ini sehingga akan diperoleh coran dengan struktur dasar tanpa ledeburit (perlit > karbida bebas. Didalam besi cor, karbon selalu dipengaruhi oleh silikon sehingga dalam perhitungan digunakan "? (carbon equivalent ) dengan hubungan sebagai berikut< "? @ 9" > '.;& 9+i. "? yang terlalu tinggi akan mengakibatkan terjadinya flotasi grafit terutama pada coran yang cukup tebal, sedangkan "? yang rendah akan memunculkan struktur yang semakin keras sampai
dengan terbentuknya ledeburit. Harga "? yang dianjurkan untuk ketebalan coran tertentu dapat dilihat dari gambar &'.
ambar &'. Harga "? yang dianjurkan untuk ketebalan coran tertentu. erbandingan antara karbon dengan silikon ditentukan dengan memperhatikan pengaruh silikon terhadap sifat!sifat fisik maupun mekanik besi cor nodular sebagai fungsi dari "? atau dalam hal ini ketebalan coran. Aandungan silikon pada jumlah tertentu akan meningkatkan keuletan besi cor sampai dengan 9, meningkatkan kekerasan terutama pada kondisi anil namun menurunkan ketahanan impak serta konduktifitas termal, sehingga dengan demikian perlu pembatasan!pembatasan.
-abel %. Aomposisi " dan +i untuk "oran tanpa karbida bebas. ersentase " dan +i yang dianjurkan untuk ketebalan coran maupun struktur dasar yang dikehendaki dapat dilihat dari -abel %.
Mangan adalah unsur penggiat terbentuknya karbida besi sehingga jumlahnya dalam besi cor nodular harus sangat dibatasi serta berhubungan dengan kandungan silikon maupun ketebalan coran. Hubungan ini dapat dilihat pada gambar &&. Dari gambar && dapat dilihat aspek penting lain dari mangan. ada coran yang tipis sampai tebal maksimum %1 mm pengaruh mangan dalam membentuk karbida tereliminasi oleh naiknya kandungan silikon, dimana untuk kandungan +i yang tinggi dapat ditetapkan jumlah mangan yang cukup tinggi pula. +edangkan untuk coran yang tebal hal tersebut tidak dapat dilakukan mengingat kecenderungan akan terjadinya segregasi.
ambar &&. Mn maksimum yang dianjurkan sebagai fungsi +i dan tebal coran. Mangan akan tersegregasi semakin kuat pada kondisi pendinginan yang lambat, sehingga pada akhirnya untuk kandungan mangan rata!rata '. 9 akan naik menjadi %.1 9 atau lebih dibagian coran yang mengalami pembekuan terakhir. +edangkan silikon mengalami kejadian yang sebaliknya dimana ia akan tersegregasi justru pada awal pembekuan. nsur yang merupakan penggiat pembentukan karbida besi dengan pengaruh lebih kuat dari mangan adalah chrom ("r), *anadium (2), bor (), telurium (-e) dan molibdenum (Mo). +ehingga untuk menghindari terbentuknya karbida bebas unsur!unsur tersebut harus dibatasi sebagai berikut< "r< '.'1 9, 2< '.'; 9, < '.''; 9, -e< '.''; 9, Mo< '.'& 0 '.81 9. rafit bulat hanya mungkin terbentuk pada cairan dengan kandungan sulfur rendah (+B'.'& 9), oleh karenanya pada proses produksinya selain digunakan bahan baku dengan kandungan sulfur rendah, juga dilakukan desulfurisasi dengan memadukan unsur Mg kedalam cairan. Mg adalah unsur terpenting yang menghasilkan efek pembulatan grafit. ?fek ini terjadi bila terdapat kandungan Mg didalam besi sebesar '.'%9 0 '.'19. $amun karena unsur ini memiliki
titik uap hanya &&'8 o" disamping kelarutannya didalam besi yang relatif rendah, maka untuk mencegah kehilangan yang terlalu banyak saat pemaduan, Mg diberikan dalam bentuk paduan 6e+iMg. eberapa parameter yang berpengaruh pada pemaduan Mg adalah< •
Cenis paduan Mg.
•
-emperatur pemaduan.
•
Metode pemaduan.
•
Cumlah + maupun :% didalam cairan dasar (base iron).
ntuk menentukan jumlah Mg yang harus dipadukan kedalam cairan dasar, perlu diperhatikan jumlah yang diperlukan sekaligus untuk desulfurisasi serta deoksidasi, serta jumlah yang hilang akibat penguapan sebagai berikut<
+ebuah contoh aplikasi< Aondisi proses< +ulfur pada base iron (+) @ '.'%9. Mg rest yang diharapkan (Mg ) @ '.'9 Mg dalam paduan (Mg") @ &'9 (6e+iMg&') ?fisiensi ladel (4?) @ %79 (- @ &1'' o", berdasarkan percobaan). Maka<
Dengan demikian, misalnya untuk kapasitas ladle treatment %1' kg, diperlukan 6e+iMg&' sebanyak< Mg5 @ '.'&/ E %1' kg @ .1 kg, dengan temperatur treatment @ &1'' o". Ductile "ast Iron 5+-M 51;7 Aomposisi esi "or $odular 5+-M 51;7 " @ ;,1!;,=9, Mn @ ',&1!',;19, +i @ %,%1! %,819, + @ ','&!','%19, @ ','19 maE
Aarakteristik +ifat 6isik dan Mekanik esi "or $odular, let 5+-M 51;7
Densiti Modulus ?lastisitas -hermal ?Epansion (%' ") +pecific Heat "apacity Aondukti*itas -hermal esisti*itas 4istrik Auat -arik Auat 4uluh ?longasi Aekerasan
7,7 E &'; 0 8,% E &'; &8% &&,7 E &'!7 1'7 ;%,; 7,' E &'!8 =7 ;1 &/ &;' ! %&8
Ag#m; pa "!& C#(kg E A) F#(m E A) :hm E m Mpa Mpa 9 H
esi cor nodular dibuat dengan menambahkan sedikit unsur magnesium atau serium. enambahan unsur ini menyebabkan bentuk grafit besi cor menjadi nodular, atau bulat, atau speroid. erubahan bentuk grafit ini diikuti dengan perubahan keuletan. Aeuletan besi cor naik. Maka dari itu, besi cor nodular disebut besi cor ulet. esi cor ini memiliki keuletan antara &' !%' persen. esi cor nodular mempunyai sifat mampu las yang rendah, ketahanan korosi rendah, dan ketahanan aus yang juga rendah. $amun demikian besi cor ini memiliki sifat mampu mesin dan mampu cor yang baik dengan keuletan yang tinggi dan ketahanan kejut sedang.
