Pengaruh Unsur Kimia Dalam Besi Cor Penggunaan besi dan baja meliputi 95 % dari penggunaan seluruh produksi dunia dan satu-satunya logam yang memenuhi persyaratan teknis maupun ekonomis. Diperkirakan, besi telah dikenal manusia sejak tahuun 1200 SM. Di beberapa bidang, penggunaannya sudah mulai disaingi oleh logam bukan besi dan bahan baku bukan logam. Salah satu dari perkembangannya adalah Besi Cor. Besi Cor terbuat dari paduan besi - karbon - silikon dengan unsur tambahan lainnya. Seperti halnya bahan campuran yang lainnya, besi cor juga bisa dipengaruhi unsur-unsur kimia. Seperti tingginya kadar karbon menyebabkan besi cor bersifat rapuh dan tidak dapat ditempa. Unsur-unsur paduan yang dimasukan ke dalamnya seperti : karbon, silicon, mangan, fosfor dan belerang akan berpengaruh besar pada pembentukan sifat fisik/mekaniknya. Secara detailnya akan dibahas sebagai berikut : Karbon Besi yang mengandung kadar karbon > 2 % adalah besi cor dan besi cor kelabu (3 - 4 %). Kadar karbon ini tergantung dari jenis besi kasarnya, besi bekas dan yang diserap dari kokas selama proses peleburan. Sifat fisis logam selain tergantung pada kadar karbon, juga ditentukan oleh bentuk karbon (grafit)nya. Morfologi grafit tergantung dari laju pendinginan dan kadar silikon. Kadar silikon yang tinggi memperbesar kemungkinan pembentukan grafit. Grafit meningkatkan kemampuan pemesinan. Kekuatan dan kekerasan besi meningkat dengan bertambahnya kadar karbon.
Silikon Kandungan kadar silikon sampai 3,25 % bersifat menurunkan kekerasan besi. Sebaliknya kelebihan silikon diatas 3,25 % akan membentuk ikatan yang keras dengan besi, sehingga meningkatkan kekerasan besi. Kadar silikon menentukan berapa bagian dari karbon terikat dengan besi dan berapa bagian membentuk grafit (karbon bebas) setelah tercapai keadaan setimbang. Pada benda coran yang kecil dianjurkan menggunakan kadar silicon yang tinggi dan yang besar dengan kadar yang lebih rendah. Untuk memperoleh paduan yang tahan asam dan tahan korosi, sebaiknya diberi kadar silicon 13 - 17 %. Besi tuang kelabu berkadar silicon rendah mudah untuk perlakuan panas. Silikon yang mungkin hilang selama proses peleburan berkisar ± 10 %.
Mangan Mangan merupakan unsur deoksidasi, pemurni sekaligus meningkatkan fluiditas, kekuatan dan kekerasan besi. Bila kadarnya ditingkatkan, kemungkinan terbentuknya ikatan kompleks dengan karbon meningkat dan kekerasan besi cor akan naik. Jumlah mangan yang hilang selama proses peleburan berkisar antara 10-20 %.
Belerang Belerang sangat merugikan, karena menyebabkan terjadinya lubang-lubang (blow holes) akibat membentuk ikatan dengan karbon dan menurunkan fluiditas sehingga mengurangi kemampuan tuang besi cor. Jadi, selama proses peleburan selalu diusahakan untuk mengikatnya, antara lain dengan menambahkan ferromangan. Setiap kali melebur besi cor, kadar belerang akan meningkat sebesar 0,03 % yang berasal dari bahan bakar.
Fosfor Fosfor dapat meningkatkan fluiditas logam cair dan menurunkan titik cair. Karenanya diberikan fosfor sampai 1 % dalam benda cor yang kecil dan yang memiliki bagian-bagian yang tipis. Saat peleburan umum terjadi peningkatan kadar fosfor sampai 0,02 %. Untuk mengendalikannya perlu dipilih grade besi bekas yang tepat. Definisi besi cor (yang paling mudah dipahami) adalah paduan antara besi (Fe) dengan karbon (C), tapi kandungan C-nya harus lebih besar dari 2%. Material ini selalu mengandung unsur silikon (Si) yang berfungsi sebagai "Penggalak penggrafitan" , makudnya mendorong terjadinya grafit di dalam besi cor. Grafit itu sebenarnya karbon bebas yang terdapat dalam suatu material, dia ngak berikatan dengan unsur lain untuk membentuk suatu senyawa, jadi sifatnya relatif lunak. Tapi jangan salah, grafit ini memegang peranan penting juga lho..dalam menentukan sifat mekanik besi cor. Nah, sebelum ngebahas grafit, kayanya perlu tahu juga nih jenis-jenis besi cor : 1. Besi Cor Kelabu : besi cor ini memiliki grafit yang serpih dan banyak digunakan untuk bodi mesin perkakas (mesin freis, bubut, bor, dll). Karena bentuk grafit-nya serpih jadi besi cor kelabu mampu meredam getaran, tapi sayangnya bentuk serpih memiliki ujung yang tajam jadi bisa berperan sebagai stress raiser atau stress concentration (konsentrasi tegangan) sehingga kekuatan tarik dan keuletan besi cor ini relatif rendah kalau dibandingkan dengan besi cor lainnya. Warna permukaan patahan dari besi cor ini adalah kelabu, makanya dinamakan besi cor kelabu. 2. Besi Cor Nodular : besi cor ini memiliki grafit yang bulat, biasanya dipakai untuk ring piston. Karena grafitnya bulat maka sifat mekaniknya cukup baik (keuletan dan kekuatannya relatif tinggi). Sifat mekanik besi cor ini hampir menyerupai baja lho.., apa lagi kalau di proses heat treatment (misalnya austemper), maka sifat mekaniknya lebih meningkat. Besi cor nodular yang mengalami proses austemper dikenal dengan nama Austempered Ductile Iron (ADI). Untuk proses heat treatment (perlakuan panas)...nanti-nati aja deh dibahasnya ya...O..iya, grafit itu bisa bulat karena ada penambahan unsur magnesium (Mg) atau cerium (Ce) sewaktu besi cor itu masih cair. 3. Besi Cor Malleable : besi cor ini cukup kuat dan ulet, tapi masih kalah kalau dibandingkan dengan besi cor nodular. Biasanya besi cor ini dibuat dari besi cor putih yang dipanaskan kurang lebih 1000oC . Bentuk grafit dari besi cor ini mengelompok
dan hampir bulat. 4. Besi Cor Putih : Nah...inilah satu-satunya besi cor yang tidak memiliki grafit, karena karbon yang ada sebagian kecil larut di dalam ferit dan sisanya berikatan dengan besi membentuk sementit ( Fe3C). Karena sementit memiliki sifat yang keras dan jumlahnya cukup banyak, maka besi cor putih memiliki kekerasan yang tinggi, sehingga tidak mudah aus dan digunakan untuk slide-way pada mesin bubut. Ketiadaan grafit dalam besi cor ini disebabkan oleh kecepatan pendinginan yang cepat sekali. Permukaan patahan material ini terang (putih mengkilap) , makanya disebut besi cor putih. Nah.., sebagai catatan, sifat semua jenis besi cor ini selain ditentukan oleh bentuk,ukuran , dan distribusi grafit juga ditentukan oleh fasa-fasa yang ada dalam matriksnya.
Besi cor merupakan paduan Besi-Karbon dengan kandungan C di atas 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. 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 selain perlit dan atau ferit serta ledeburit masih terdapat sejumlah unsur karbon dalam bentuk koloni grafit yang disebut Besi Cor Kelabu. 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.
Jenis-jenis Besi Cor
Besi cor kelabu Adalah besi cor dengan kadar silikon yang tinggi (>2% Si) membentuk grafit dengan mudah sehingga Fe3C tidak terbentuk. Karbon di dalam besi cor berbentuk lamel-lamel grafit pada waktu membeku. Lamel-lamel itu berbentuk dedaunan, dan patahan dari suatu besi terlihat lamel-lamel grafit yang kecil memberi warna patahan kelabu, maka disebut besi cor kelabu. Besi cor kelabu sangat rendah keuletannya karena adanya serpihan karbon, akan tetapi dengan adanya serpihserpih ini besi cor kelabu merupakan peredam getaran yang baik.
Besi cor putih Dengan kadar silikon yang rendah dan kecepatan pendinginan yang tinggi, karbon di dalam besi cor pada waktu pembekuan tidak bisa dipisahkan menjadi karbon bebas sehingga menjadi grafit, dan bersenyawa dengan besi yang disebut sementit. Permukaan patahannya akan terlihat berwarna putih karena adanya lamel-lamel grafit. Sifat besi cor putih sangat keras, getas, dan tahan aus. Besi cor nodular Grafit yang terdapat di dalam logam berbentuk bulatan sehingga disebut besi cor nodular. Hal ini terjadi bila ditambahkan magnesium pada cairan besi cor. Dibandingkan dengan grafit yang mempunyai bentuk serpih seperti daun, grafit berbentuk bulat atau mempunyai derajat konsentrasi tegangan yang sangat kecil, sehingga kekuatan besi cor menjadi lebih baik. Sifat besi cor nodular mempunyai keuletan yang baik, ketahanan korosi dan ketahanan panas yang baik. Unsur yang membuat bentuk fasa grafit dalam besi cor nodular menjadi bulat selain Mg adalah Ce, Na, K, Li, Ba, dan Sr. Tetapi berdasarkan alasan pertimbangan harga dipilih unsur magnesium yang lebih menguntungkan. Besi cor mampu tempa Besi cor mampu tempa digolongkan menjadi besi cor mampu tempa perapian putih dan besi cor mampu tempa perapian hitam. Besi cor perapian putih mempunyai kandungan silikon yang rendah dan belerang yang tinggi. Besi cor perapian hitam mempunyai kandungan silikon yang tinggi dan belerang yang rendah. Besi cor perapian putih dibuat dengan proses penghilangan karbon pada besi cor putih, sehingga kulitnya berubah menjadi ferrit dan struktur dalamnya terdiri dari matrik perlit dengan karbon yang bulat. Besi cor perapian hitam dibuat dengan melunakkan besi cor putih tetapi sementit terurai menjadi ferit dan grafit sehingga patahannya terlihat hitam.
Besi Cor Kelabu Besi cor kelabu merupakan material teknik yang banyak digunakan pada saat ini. Dalam pemakaiannya material ini seringkali menerima beban yang berfluktuasi. Meskipun demikian sebagaimana dinyatakan oleh DeLaO et.al (2003) perilaku besi cor kelabu terhadap beban dinamis tidak banyak diteliti. Informasi yang terbatas tersebut menyebabkan -sebagaimana dikutip dari ASM Handbook (1990)- besi cor kelabu lazimnya tidak dikenakan beban dinamis, atau apabila ada maka besarnya beban yang bekerja tidak boleh lebih dari 25% kekuatan tariknya. Keberadaan grafit pada besi cor kelabu menyebabkan material ini tidak memiliki daerah elastis yang linier. Grafit juga menyebabkan terdapatnya bagian yang mengalami plastis meskipun besi cor tersebut dibebani oleh gaya yang rendah. Hal ini disebabkan karena pada ujung-ujung grafit
terjadi tegangan yang sangat besar sebagai akibat adanya konsentrasi tegangan. Kenyataan ini sangat menyulitkan untuk menentukan seberapa besar regangan elastis dan plastisnya. Menyadari bahwa pada besi cor kelabu sifat tarik dan tekannya berbeda, Downing menguraikan hal yang sama untuk pembebanan tekannya. Dengan demikian untuk menggambarkan respon material besi cor terhadap beban tarik dan tekan dibutuhkan 7 parameter (Eo, mT, KT, nT, mC, KC dan nC). Dimana subscript “T” dan “C” menunjukkan tarik dan tekan. besi cor kelabu, besi cor dengan kadar silicon yang tinggi (~2% Si) membentuk grafit dengan mudah sehingga Fe3C tidak terbentuk. Serpihan grafit terbentuk dalam logam sewaktu membeku. Bila logam kita tarik, bidang perpatahanterjadi dari serpihan yang satu keserpihan lainnya karena grapit yang mnyerupai sangat rapuh, jadi sebagian besar permukaan perpatahan melintasi grapit sehingga permukaan berwarna kelabu. Oleh karena itu di beri nama besi cor kelabu.
Besi cor nodular
Besi cor nodular merupakan material yang banyak digunakan pada industri otomotif dan komponen-komponen mesin pada industri untuk menggantikan peran baja, karena memiliki sifat mampu cor yang baik, kekuatan dan keuletan yang tinggi dan sifat ketermesinan yang baik. Walaupun proses pengecoran menghasilkan produk dengan bentuk dan ukuran yang mendekati sebenarnya, namun proses permesinan kadang diperlukan pada tahapan akhir pembuatan produk. Untuk itu perlu dilakukan penelitian sifat ketermesinan besi cor nodular tersebut. Pengujian yang dilakukan adalah untuk melihat keterkaitan antara keberadaan grafit bulat (jumlah, ukuran dan bentuk) dan matriks (ferit dan perlit) besi cor nodular hasil cor yang menggunakan MCR4 dan MCR8 sebagai nodulan serta superselect sebanyak 0,48%, 0,5%, 1% dan 1,5% sebagai inokulan dengan sifat ketermesinannya yaitu berupa besarnya gaya potong dan gaya makan serta bentuk geram akibat variasi kondisi permesinan (laju potong, gerak makan dan kedalaman potong), tingkat keausan pahat dan kekasaran permukaan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa spesimen 2 dengan MCR4 sebagai nodulan dan superselect sebesar 0,5% sebagai inokulan memberikan sifat ketermesinan yang terbaik.
2.3 Cast iron (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). Adanya penambahan unsur Si (Silikon) bertujuan untuk mengurai Sementid menjadi Fe (ferit atau perlit) dan C (grafit). Bentuk grafitnya berupa serpih sehingga secara sederhana dapat dikatakan bahwa fasa besi cor kelabu berupa ferit/perlit + grafit serpih dengan sifat : agak getas yang dikarenakan ujung-ujung grafit berbentuk serpih tajam, akibatnya konsentrasi tegangan tinggi sehingga mudah patah. Contoh penggunaan besi cor kelabu pada konstruksi mesin jahit, blok mesin, lampu hias, mesin bubut, pagar, dll. Keistimawaan besi cor kelabu terhadap baja yakni : mampu meredam getaran. 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). Contoh penggunaan besi cor bergrafir bulat pada kontruksi penjepit rel kereta api, batang torak kompresor, dll. 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. Contoh penggunaan besi cor mampu tempa pada spare part yang berukuran kecil-kecil.
