11. logam-logam ferous diagram fasa besi dan carbon · diagram fasa besi dan carbon : suatu diagram...
TRANSCRIPT
MMaatteerriiaall TTeekknniikk PPeennggaammppuu:: YYuuddyy SSuurryyaa IIrraawwaann
�Yudy Surya Irawan 7- 11
11. Logam-logam Ferous
Diagram fasa besi dan carbon :
Suatu diagram yang menunjukkan fasa dari besi, besi dan paduan carbon berdasarkan
hubungannya antara komposisi dan temperatur.
Fasa-fasa stabil dalam baja:
Fasa Struktur Kristal Karakteristik
Ferrite BCC Lunak, ulet, dan bermagnet
Austenite FCC Lunak, berkekuatan sedang, tidak bermagnet
Cementite Campuran antara Besi dan karbon, Fe3C (Besi karbit)
Keras dan getas
Gbr.11.1 Diagram kesetimbangan Besi dan Karbon (Iron-carbon equilibrium diagram)
Sumber: Budinsky “Engineering Materials”
Titik eutectoid
MMaatteerriiaall TTeekknniikk PPeennggaammppuu:: YYuuddyy SSuurryyaa IIrraawwaann
�Yudy Surya Irawan 7- 22
Gbr.11.2 Mikrostruktur dari fasa-fasa besi dalam suhu ruang
°
Gbr.11.3 Mikrostruktur dari baja karbon: (a) Sekitar 0.2%C (b) Sekitar 0.6% C. Luasan terang adalah ferit dan luasan gelap adalah perlit. (Sumber: Budinsky, Engineering Materials 5
th edition)
Gbr.11.4 Mikrostruktur dari baja karbon (a) Ferrite: besi murni dan baja karbon rendah (X100) , austenite memiliki mikrostruktur mirip dengan ferrite. (b) Pearlite(perlit), baja karbon 0.8% yang dipanaskan memiliki 100% perlit (X1330). Garis gelap adalah besi karbit/cementit (Fe3C) dan luasan terang adalah ferit. (c) Martensite (martensit), struktur baja yang didapatkan dengan memanaskan baja di suhu austenit lalu didinginkan secara cepat dalam air atau oli, terdapat pada baja pendinginan cepat (X500) (Sumber: Budinsky, Engineering Materials 5
th edition)
MMaatteerriiaall TTeekknniikk PPeennggaammppuu:: YYuuddyy SSuurryyaa IIrraawwaann
�Yudy Surya Irawan 7- 33
11.2 Besi Tuang (Cast Iron)
adalah besi cor yang mengandung karbon 2 ~ 4% dan silikon 1 ~ 3%.
� Sifat-sifatnya:
- mudah dicairkan dan dipadu dengan unsur lain untuk mendapatkan sifat tahan aus, tahan gesek dan
tahan korosi.
- Memiliki tahanan kejut dan keuletan yang rendah (getas).
- Banyak digunakan pada industri secara luas karena harganya yang ekonomis dan memiliki sifat-sifat
yang luas.
� Macam-macam besi tuang :
1. Besi tuang kelabu (gray cast iron)
2. Besi tuang putih (white cast iron)
3. Besi tuang mampu tempa (malleable cast iron)
4. Besi tuang kenyal/ besi tuang nodular (ductile cast iron/nodular cast iron)
Gbr 11.5 Macam-macam besi tuang
Gbr 11.6 Komposisi karbon dan silikon dalam besi tuang dan baja
MMaatteerriiaall TTeekknniikk PPeennggaammppuu:: YYuuddyy SSuurryyaa IIrraawwaann
�Yudy Surya Irawan 7- 44
11.2.1 Besi Tuang Kelabu (Gray Cast Iron)
� Besi tuang kelabu ini terbentuk saat jumlah karbon melebihi jumlah untuk larut dalam austenit
(baja delta) dan menyerap sebagai serpihan grafit.
� Bernama besi tuang kelabu karena saat dipatahkan, warna patahannya adalah kelabu yang
ditimbulkan oleh grafit yang terekspos pada permukaan retak tersebut.
� Komposisi : 2.5~4.0% Karbon dan 1.0~3.0% Silicon, sisanya Besi
�Sifat-sifat besi tuang kelabu:
- berharga relatif rendah dengan sifat-sifat mekanik yang berguna
- kemampuan dimesin yang bagus pada tingkat kekerasan yang memiliki daya tahan aus yang
baik karena kandungan grafitnya.
- Memiliki kapasitas menyerap getaran yang tinggi (damping capacity) karena kandungan
grafit tinggi (10%) yang mampu menyerap getaran.
� Biasa digunakan untuk sistem pemipaan, roda gigi, silinder blok kecil, silinder head, silinder blok truk,
traktor, kotak roda gigi yang besar, coran mesin disel dll.
� Mikrostruktur besi tuang kelabu yang mengandung grafit dihasilkan dari laju pendinginan yang
sedang atau lambat.
- Selain itu laju pendinginan yang sedang membuat matrix besi tuang kelabu berupa pearlite.
- Laju pendinginan yang lambat membuat matrix (kandungan terbesar dalam besi cor) berupa ferit.
Gbr 11.8 Perbandingan antara hubungan tegangan-regangan baja karbon sedang dan besi tuang kelabu(gray cast iron) Sumber: Budinsky, “Engineering Materials”
Contoh: (JIS)
FC150 (Fe casting
with 150 MPa of
tensile strength)
Serpihan grafit
(graphite flake)
Gbr 11.7 Foto mikro besi tuang kelabu yang dicetak dalam cetakan pasir (X100). (serpihan grafit dalam daerah terang: ferrite 20%, daerah gelap: pearlite 80%, hasil laju
pendinginan sedang) Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering”
MMaatteerriiaall TTeekknniikk PPeennggaammppuu:: YYuuddyy SSuurryyaa IIrraawwaann
�Yudy Surya Irawan 7- 55
11.2.2 Besi Tuang Putih (White Cast Iron)
� Besi tuang tuang putih berkomposisi: 1.8~3.6% Karbon dan 0.5~1.9% Silicon, sisanya Besi.
� Terbentuk dengan pendinginan yang cepat yang mana karbon dalam besi tuang cair membentuk besi
karbit Fe3C bukan grafit.
� Besi tuang kelabu bila didinginkan dengan cepat dari temperature pengecoran(titik leleh) maka akan
membentuk besi tuang putih.
� Mikrostrukturnya banyak mengandung besi karbid dalam matriks pearlite seperti pada Gbr. berikut:
� Bernama besi tuang putih karena saat dipatahkan, warna patahannya adalah putih atau memiliki
permukaan patah yang terang.
� Sifat-sifat besi tuang putih:
- Banyak digunakan karena sifatnya yang sangat kuat ketahanan aus dan gesek yang
disebabkan oleh jumlah besi karbon dalam jumlah besar di dalam strukturnya.
- Sebagai bahan baku dari besi tuang mampu tempa.
- Memiliki sifat tahan korosi, berkekuatan creep(mulur) dan tahan oksidasi.
� Biasa digunakan untuk komponen2 tahan gesek pada pertambangan, pertanian, bola gerinda, pompa
semen dll.
11.2.3 Besi Tuang Mampu Tempa (Malleable Cast Iron)
� Besi tuang mampu tempa berkomposisi: 2.0~2.6% Karbon dan 1.1~1.6% Silicon, sisanya Besi.
� Terbentuk besi tuang putih dipanaskan dalam dapur tempa untuk memisahkan besi karbid dalam besi
tuang putih menjadi grafit dan besi. Grafit dalam besi tuang mampu tempa ini berbentuk
aggregate/kumpulan bulat yang tidak beraturan yang disebut temper carbon.
� Mikrostrukturnya banyak mengandung temper karbon dalam matriks ferrite seperti pada Gbr. 11.10.
� Sifat-sifat besi tuang mampu tempa:
- Memiliki sifat mampu tempa, mampu dicor, mampu dimesin.
- Memiliki kekuatan sedang dan tangguh.
- Memiliki sifat tahan korosi dan memiliki struktur yang uniform/seragam.
Gbr 11.9 Foto mikro besi tuang putih (X100). (daerah terang: besi karbid Fe3C, daerah gelap: pearlite, hasil laju
pendinginan cepat) Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering”
MMaatteerriiaall TTeekknniikk PPeennggaammppuu:: YYuuddyy SSuurryyaa IIrraawwaann
�Yudy Surya Irawan 7- 66
� Biasa digunakan untuk komponen2 yang mampu dimesin, connecting rod, komponen-komponen
yang butuh kekuatan tinggi.
� Tahapan-tahapan perlakuan panas pada besi tuang putih untuk memproduksi besi tuang mampu
tempa.
1. Grafitasisasi (graphitization)
- Pada tahap ini besi tuang putih dipanaskan di atas suhu eutectoid (940°°°°C) dan ditahan selama
3 hingga 20 jam tergantung pada komposisi, struktur dan ukuran besi cor. (makin besar makin
lama)
- Pada tahap ini besi karbon dari besi tuang putih berubah menjadi temper karbon (grafit) dan
austenit.
2. Cooling (pendinginan)
Pada tahap ini austenit dari besi dapat diubah menjadi tiga tipe matriks dasar: ferrite, pearlite atau
martensit.
a. Ferritic malleable iron.
Untuk membuat matrix ferrite setelah tahap pertama di atas, didinginkan dengan cepat ke
740~760°°°°C lalu didinginkan dengan perlahan dengan kecepatan sekitar 3 ~ 11°°°°C per jam.
Selama pendinginan austenit berubah menjadi ferrite dan graphite dengan grafit mengendap
pada partikel temper karbon yang ada.
b. Pearlitic malleable iron.
Untuk membuat matrix pearlite setelah tahap pertama di atas, didinginkan dengan lambat
ke 870°C lalu didinginkan dalam udara.
Dengan pendinginan yang cepat dihasilkan matrix pearlite yang terdiri atas temper carbon
(grafit).
c. Tempered martensitic malleable iron.
Untuk membuat matrix martensit setelah tahap pertama di atas, didinginkan dalam dapur
hingga 845 ~ 870°C ditahan selama 15 ~ 30 menit untuk menghomogenisasi struktur kemudian
didinginkan dengan cepat dalam minyak untuk membuat matriks martensit yang sangat keras.
Akhirnya ditemper atau dipanaskan antara 590 ~ 725°°°°C untuk mendapatkan sifat-sifat
mekanik yang diinginkan. Sehingga didapatkan struktur temper carbon dalam matrix martensit
temper.
Gbr 11.10 Foto mikro besi tuang mampu tempa (X100). (daerah terang: matrix ferit, daerah gelap:graphite/temper karbon)
Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering”
Contoh: (JIS) FCFCFCFCMP45MP45MP45MP45----06060606 (FFFFe CCCCasting MMMMalleable PPPPearlite with minium 45454545 kg/mm2 of tensile strength and 0.06 or 6% of elongation)
MMaatteerriiaall TTeekknniikk PPeennggaammppuu:: YYuuddyy SSuurryyaa IIrraawwaann
�Yudy Surya Irawan 7- 77
11.2.4 Besi Tuang Kenyal (Ductile Cast Iron/Nodular Cast Iron)
� Biasa disebut sebagai Nodular atau Spherulitic graphite cast iron.
� Besi tuang mampu tempa berkomposisi: 3.0~4.0% Karbon dan 1.8~2.8% Silicon, sisanya Besi.
Kandungan sulfur dan tingkat pospor dari besi kenyal kualitas tinggi harus dijaga di bawah
0.03%untuk sulfur dan 0.1% untuk pospor agar tidak mengganggu pembentukan grafit dalam besi
tuang kenyal.
� Sifat-sifat besi tuang kenyal:
- Memiliki sifat alirnya saat dicor termasuk sifat cor yang baik.
- Memiliki sifat mampu dimesin (machinability) yang baik.
- Memiliki sifat tahan aus dan sifat-sifat lain seperti baja seperti kekuatan, ketangguhan,
kekenyalan yang tinggi serta mampu dikerjakan pada suhu panas (hot workability) dan mampu
dikeraskan.
� Biasa digunakan untuk katup, bodi pompa, crank shaft, roda gigi, rollers, pinion dll.
� Nodul bulat dalam besi tuang ini terbentuk selama pembekuan dari besi cair karena tingkat sulfur dan
oksigen dalam besi dikurangi ke tingkat yang sangat rendah dengan menambahkan magnesium
dalam ratio beberapa pounds per tons ke logam sebelum dicor. Magnesium bereaksi dengan sulfur
dan oksigen sehingga elemen-elemen ini tak dapat mengganggu pembentukan nodul bulat.
Gbr 6.11 Foto mikro besi tuang kenyal grade 80-55-06 (X100). Grafit bulat(gelap) dilingkupi ferrite bebas (putih) seperti mata banteng
(bull eye) di dalam matriks pearlite. Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering”
Gbr 6.12 Foto scanning electron microscope besi tuang kenyal (X130) yang menunjukkan grafit sekunder dan ferrite dari mata banteng di antara
nodul (bulatan) grafit primer. Sumber: W.F.Smith, “Foundation of materials science and engineering”
Grafit primer
Grafit sekunder
Ferrite bebas
Contoh: (JIS) FCD370FCD370FCD370FCD370 (Fe Casting Ductile with minium 370 MPa of tensile strength)
MMaatteerriiaall TTeekknniikk PPeennggaammppuu:: YYuuddyy SSuurryyaa IIrraawwaann
�Yudy Surya Irawan 7- 88
Perbandingan modulus elastisitas dan ketangguhan besi tuang :
Paling getas
Memiliki kemampuan damping terbesar
MMaatteerriiaall TTeekknniikk PPeennggaammppuu:: YYuuddyy SSuurryyaa IIrraawwaann
�Yudy Surya Irawan 7- 99