Pembuatan besi tuang

BESI TUANG

A.    Pengertian Besi Tuang

Besi tuang dapat di definisikan sebagai logam campuran dari besi yang mengandung unsur karbon di atas 1,7 (biasanya mengandung unsur karbon sekitar 2,4 - 4,2%)

B.     Proses Pembuatan Besi Tuang

Gambar 1. Proses Pembuatan Besi

Terlihat dari gambar di atas bahwa bahan baku awal dalam pembuatan besi adalah biji besi (iron core). Biji besi yang didapatkan dari alam umumnya merupakan senyawa besi dengan oksigen seperti hematite (Fe2O3); magnetite (Fe3O4); limonite (Fe2O3); atau siderite (Fe2CO3). Pembentukan senyawa besi oksida tersebut sebagai proses alam yang terjadi selama beribu-ribu tahun. Kandungan senyawa besi dibumi ini mencapai 5 % dari seluruh kerak bumi ini.

Penambangan biji besi tergantung keadaan dimana biji besi tersebut ditemukan. Jika biji besi ada di permukaan bumi maka penambangan dilakukan dipermukaan bumi (open-pit mining), dan jika biji besi berada didalam tanah maka penambangan dilakukan dibawah tanah (underground mining). Karena biji besi didapatkan dalam bentuk senyawa dan bercampur dengan kotoran-kotoran lainnya maka sebelum dilakukan peleburan biji besi tersebut terlebih dahulu harus dilakukan pemurnian untuk mendapatkan konsentrasi biji yang lebih tinggi (25 - 40%). Proses pemurnian ini dilakukan dengan metode : crushing, screening, dan washing (pencucian). Untuk meningkatkan kemurnian menjadi lebih tinggi (60 - 65%) serta memudahkan dalam penanganan berikutnya, dilakukan proses agglomerasi dengan langkah-langkah sebagai berikut :

Ø  Biji besi dihancurkan menjadi partikel-partikel halus (serbuk).

Ø  Partikel-partikel biji besi kemudian dipisahkan dari kotoran-kotoran dengan cara pemisahan magnet (magnetic separator) atau metode lainnya.

Ø  Serbuk biji besi selanjutnya dibentuk menjadi pellet berupa bola-bola kecil berdiameter antara 12,5 - 20 mm.

Ø  Terakhir, pellet biji besi dipanaskan melalui proses sinter/pemanasan hingga temperatur 1300 ^oC agar pellet tersebut menjadi keras dan kuat sehingga tidak mudah rontok.

1.      Proses Reduksi

Tujuan proses reduksi adalah untuk menghilangkan ikatan oksigen dari biji besi. Proses reduksi ini memerlukan gas reduktor seperti hidrogen atau gas karbon monoksida (CO).

Proses reduksi ini ada 2 macam yaitu proses reduksi langsung dan proses reduksi tidak langsung.

a.      Proses Reduksi Langsung

                         

Proses ini biasanya digunakan untuk merubah pellet menjadi besi spons (sponge iron) atau sering disebut: besi hasil reduksi langsung (direct reduced iron). Gas reduktor yang dipakai biasanya berupa gas hidrogen atau gas CO yang dapat dihasilkan melalui pemanasan gas alam cair (LNG) dengan uap air didalam suatu reaktor yaitu melalui reaksi kimia berikut :

                   CH4 + H2O                                        CO + 3H2

                    (gas hidro (uap air-                               (gas reduktor)

                     karbon)      panas)

Dengan menggunakan gas CO atau hidrogen dari persamaan diatas maka proses reduksi terhadap pellet biji besi dapat dicapai melalui reaksi kimia berikut ini :

                  Fe2O3 + 3H2                                     2Fe + 3H2O

                     (pellet) (gas hidrogen)                         (Besi- (uap air)

                                                                                  spons)

atau

                  Fe2O3 + 3CO                                    2Fe + 3CO2

b.      Proses Reduksi Tidak Langsung

Proses ini dilakukan dengan menggunakan tungku pelebur yang disebut juga tanur tinggi (blast furnace). Sketsa tanur tinggi diperlihatkan pada gambar 2. Biji besi hasil penambangan dimasukkan ke dalam tanur tinggi tersebut dan didalam tanur tinggi dilakukan proses reduksi tidak langsung yang cara kerjanya sebagai berikut :

Bahan bakar yang digunakan untuk tanur tinggi ini adalah batu bara yang telah dikeringkan (kokas). Kokas dengan kandungan karbon (C) diatas 80%, tidak hanya berfungsi sebagai bahan bakar, tetapi juga berfungsi sebagai pembentuk gas CO yang berfungsi sebagai reduktor. Untuk menimbulkan proses pembakaran maka ke dalam tanur tersebut ditiupkan udara dengan menggunakan blower (gambar 2) sehingga terjadi proses oksidasi sebagai berikut :

                              2C + O2                          2CO + Panas

Gas CO yang terjadi dapat menimbulkan reaksi reduksi terhadap biji yang dimasukkan ke dalam tanur tersebut. Sedangkan panas yang ditimbulkan berguna untuk mencairkan besi yang telah tereduksi tersebut.

Untuk mengurangi kotoran-kotoran (impuritas) dari logam cair, ke dalam tanur biasanya ditambahkan sejumlah batu kapur (limestone). Batu kapur tersebut akan membentuk terak (slag) dan dapat mengikat kotoran-kotoran yang ada didalam logam cair. Karena berat jenis terak lebih rendah dari berat jenis cairan besi maka terak tersebut berada dipermukaan logam cair sehingga dapat dikeluarkan melalui lubang terak (lihat gambar 2)

Gambar 2. Konstruksi sebuah tanur tinggi

Besi hasil proses tanur tinggi ini disebut juga besi kasar (pig iron). Besi kasar ini merupakan bahan dasar untuk membuat besi tuang (cast iron) dan baja (steel). Komposisi kimia unsur-unsur pemadu dalam besi kasar ini terdiri dari 3-4%C; 0,06-0,10%S; 0,10-0,5%P; 1-3 %Si dan sejumlah unsur-unsur lainnya, sebagai bahan impuritas. Karena kadar karbonnya tinggi, maka besi kasar mempunyai sifat yang sangat rapuh dengan kekuatan rendah serta menampakkan wujud seperti grafit.

Untuk pembuatan besi tuang, besi kasar tersebut biasanya dicetak dalam bentuk lempengan-lempengan (ingot) yang kemudian di lebur kembali oleh pabrik pengecoran (foundry).

C.     Proses Peleburan Besi Tuang

Peleburan besi tuang biasanya dilakukan dalam tungku yang sering disebut : Kupola.

Bentuk dan konstruksi Kupola tersebut hampir sama dengan konstruksi tanur tinggi (blast furnace) seperti yang telah ditunjukkan dalam gambar 2. Bahan baku yang dilebur terdiri dari ingot besi kasar yang dihasilkan dari proses tanur tinggi, ditambah dengan skrap baja ataupun skrap besi tuang (return scrap).

Disamping itu penambahan bahan-bahan seperti ferosilikon (FeSi) dan feromangan (FeMn) sering pula dilakukan. Hal ini dimaksudkan untuk menaikkan kembali kadar Si dan Mn dalam besi tuang karena sebagian dari kedua unsur tersebut biasanya berkurang (hilang) akibat oksidasi pada saat peleburan.

Bahan bakar yang digunbakan adalah kokas dan dimasukkan ke dalam Kupola selang seling dengan muatan logam. Proses pembakaran terjadi dengan meniupkan udara ke dalam Kupola dengan menggunakan Blower. Untuk mendapatkan proses peleburan yang baik maka perbandingan antara muatan logam, bahan bakar dan kebutuhan udara harus dijaga sebaik mungkin.

Disamping membutuhkan bahan-bahan seperti yang disebutkan diatas, ke dalam Kupola juga ditambahkan sejumlah batu kapur. Bahan ini dapat membantu pembentukan terak (slag) yang dapat mengikat kotoran-kotoran sehingga memisahkannya dari besi cair.

Proses peleburan besi tuang dengan Kupola biasanya terjadi secara kontinyu artinya begitu muatan logam mencair maka langsung mengalir keluar tungku. Logam cair yang keluar dari Kupola ditampung pada alat perapian depan (forehearth) yang kemudian diangkut dengan menggunakan ladel untuk dituang ke dalam cetakan. Dengan proses peleburan seperti itu maka sering kali mempersulit untuk melakukan pengaturan komposisi kimia. Hal ini dapat mengakibatkan daerah komposisi kimia yang dihasilkan menjadi lebar sehingga memberikan variasi pula terhadap kualitas produk yang dibuat.

Disamping itu kekurangan lainnya pada proses peleburan dengan Kupola yaitu logam cair mudah mengalami kontaminasi oleh sulfur atau unsur-unsur lainnya yang disebabkan oleh bahan bakar kokas. Pengotoran karena sulfur ini dapat menurunkan sifat-sifat besi tuang.

Karena kekurangan-kekurangan di atas, maka dewasa ini banyak pabrik pengecoran menggunakan tungku listrik untuk menggantikan Kupola. Tungku listrik yang banyak digunakan adalah dari jenis tungku induksi. Bahan baku yang dilebur pada umumnya tidak menggunakan besi kasar melainkan sebagian besar berupa skrap baja atau skrap besi tuang. Peleburan dengan tungku ini dapat menghasilkan logam cair dengan komposisi kimia yang lebih konsisten dengan kadar impuritas yang lebih rendah karena bahan baku yang dilebur biasanya berupa skrap baja, maka untuk menaikkan kadar karbon agar mencapai kadar yang sesuai untuk besi tuang biasanya dilakukan dengan memasukkan sejumlah arang kayu ke dalam tungku.

Dalam pemakaian di industri, ada tiga jenis besi tuang yang banyak digunakan, yaitu : besi tuang kelabu (grey cast iron), besi tuang ulet atau besi tuang nodular (nodular cast iron) dan besi tuang putih (white cast iron). Ketiga jenis besi tuang ini mempunyai komposisi kimia yang hampir sama yaitu : 2,55 - 3,5 %C, 1-3 %Si, Mn kurang dari 1% sedangkan S dan P dibatasi antara 0,05-0,10 % (maksimum).

Walaupun komposisi kimianya hampir sama, tetapi karena prosesnya berbeda maka struktur dan sifat-sifat dari ketiga besi tuang tersebut berbeda.

D.    Macam-macam besi tuang

Besi tuang digolongkan dalam dua kelompok utama yaitu :

a.       Besi tuang yang mengandung grafit (besi tuang kelabu).

b.      Besi tuang yang tidak mengandung grafit (besi tuang putih).

a.      Besi Tuang Kelabu

Bahan untuk membuat besi tuang kelabu adalah besi kasar kelabu. Besi kasar kelabu mempunyai kandungan silisium yang tinggi antara 1,5 – 5,5 % dan kadar mangan yang rendah. Dengan kandungan silisium yang tinggi akan meningkatkan terbentuknya zat arang bebas, sehingga setelah pendingin, besi tuang kelabu mengandung grafit. Grafit muncul dalam besi sebagai pelat-pelat tipis yang disebut lamel grafit. Bentuk dan banyaknya lamel grafit tergantung dari campuran kimiawi dan kecepatan pendinginannya. Silikon (Silisium) dan pendinginan yang lambat akan menaikkan pembentukan grafit. Sedangkan mangan dengan pendinginan yang cepat

akan mengurangi pembentukan grafit. Lamel grafit mempunyai sifat lunak, kekuatan tarik rendah, regangan kecil, dapat menerima gaya tekan yang besar, meredam suara dan getaran. Besi tuang kelabu terdiri atas perlit dan grafit. Perlit (pearlit) terdiri atas ferrit dan cementit.

Selain besi tuang berlamel grafit, masih ada dua jenis dari besi tuang kelabu yaitu : besi tuang mekanik atau besi tuang berlamel grafit halus, dan besi tuang speroidical atau besi tuang bergrafit bola.

a.       Besi tuang mekanik adalah besi tuang yang sepenuhnya terdiri atas grafit halus. Besi tuang mekanik mempunyai sifat tahan gesekan, mempunyai kekuatan kejut yang tinggi dan dapat dikeraskan.

b.      Besi tuang grafit bola juga sering disebut dengan nama besi nodular atau besi ductile. Besi tuang ini mengandung grafit yang berbentuk bola bundar, bagian tepinya tidak tajam dan strukturnya lebih bersambung. Dengan adanya penambahan sedikit logam magnesium (Mg) pada besi cair sebelum penuangan, grafit akan berada dalam bentuk bola.

b.      Besi Tuang Putih

Besi tuang putih mempunyai bidang patahan berwarna putih, yang disebabkan oleh sementit yang putih. Bahan baku untuk pembuatan besi tuang putih adalah besi kasar putih. Besi kasar putih memiliki kandungan silisium yang rendah kurang dari 0,5 % dan kadar mangan yang rendah. Karena kadar silisium yang rendah menyebabkan hanya terbentuk sementit dan pearlit. Dengan demikian besi tuang putih setelah didinginkan hanya terdiri atas pearlit dan sementit.

Termasuk didalam kelompok besi tuang putih adalah sebagai berikut :

Ø  Besi tuang tempa ada dua macam yaitu besi tuang black heart dan besi tempa white heart.

Ø  Besi tuang tempa black heart dibuat dari besi tuang putih dengan kandungan silisium yang rendah, dipanaskan hingga temperatur + 9000 C, dalam dapur yang selalu bebas dari oksigen di sekitarnya. Besi tuang putih tersebut dimasukkan perlahan-lahan kedalam daerah pemanasan menggunakan rangka bakar yang bergerak. Waktu pemanasan selama + 48 jam. Pemanasan yang diperpanjang ini menyebabkan sementit hancur menjadi lapisan grafit yang kasar, karbon akan mengumpul seperti bunga mawar pada temper karbon. Permukaan pecahan tampak gelap karena kandungan karbon, sebab itulah besi tuang ini disebut black heart. Oleh karena strukturnya terdiri atas temper karbon dan ferrite, maka menjadi lunak dan ulet (ductile). Besi tuang tempa black heart sering digunakan dalam industri mobil karena campuran antara sifat tuangan tahan getaran dan dapat dikerjakan dengan mesin.

Ø  Besi tuang tempa white heart dibuat dari besi tuang putih yang berkadar silisium rendah. Dalam proses pembuatannya besi tuang putih ini dipanaskan hingga temperatur + 1000 C selama 100 jam dan dihubungkan pada bahan oksidasi, seperti misalnya bijih besi merah atau hemetit (Fe2O3). Selama proses pemanasan, karbon pada permukaan tuangan dioksidasikan oleh bijih hematite dan akan hilang sebagai gas karbon dioksi (CO2). Sesudah prose ini selesai pada bagian yang tipis hanya akan mengandung ferrit dan pada bagian pecahan akan memberikan warna besi putih yang disebut white heart. Proses pembuatan besi tuang tempa white heart ini cocok untuk mengerjakan bagian-bagian tipis yang dikehendaki keuletan tinggi.

Ø  Besi tuang keras dibuat dari besi kasar kelabu yang memiliki kadar silisium yang tinggi antara 1,5 – 5,5 % dan kadar mangan yang rendah. Besi tuang keras mempunyai lapisan luar yang tahan aus dan sangat keras, tetapi bagian inti kurang keras dan kenyal. Pada proses pembuatannya, benda tuang didinginkan secara cepat pada bagian luarnya, sedangkan bagian intinya didinginkan secara perlahan-lahan. Untuk memperoleh kecepatan pendinginan yang besar pada bagian luar prose penuangan dilakukan dengan cara menuang ke dalam cetakan yang terbuat dari logam seluruhnya.

Ø  Dengan cara pendinginan seperti ini benda tuang memperoleh lapisan luar yang terdiri atas besi tuang putih dan bagian inti yang terdiri atas baja tuang campuran sampai ferrit. Besi tuang keras banyak dipakai untuk pembuatan rol pada mesin cetak, mesin gilingan padai, dan mesin penggiling karet.

E.     Sifat Besi Tuang

-           Keras dan mudah melebur/mencair

-           Getas, sehingga tidak dapat menahan benturan

-           Temperatur leleh 1250 derajat .

-           Tidak berkarat

-           Tidak dapat diberi muatan magnit

-           Dapat dikeraskan dgn cara dipanasi kemudian didinginkan secara mendadak

-           Menyusut waktu pendinginan/waktu dituang

-             Kuat dalam menahan gaya tekan, lemah dalam menahan tarik kuat tekan sekitar 600             Mpa, kuat tarik 50 Mpa

-             Tidak dapat disambung dengan las dan paku keling, disambung dengan baut dan sekrup.

F.      Pemakaian Besi Tuang

-           Pipa yang menahan tekanan dari luar sangat tinggi

-           Tutup lubang saluran drainasi dan alat saniter lain

-           Bagian struk rangka yang menahan gaya tekan

-           Bagian mesin, blok mesin

-           Pintu gerbang,tiang lampu

-          Sendi, rol jembatan

-          Kerangka mesin, seperti mesin bubut, mesin ketam, dan alat pengepres.

-          Puli sabuk-v dalam motor dan mesin

-          Pipa saluran.

-          Pintu gerbang, tiang lampu dan sebagainya

G.    Kelebihan Besi Tuang

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

•         Hasilnya akan lebih murah dibandingkan dengan baja tuang

•         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.

H.    Kekurangan Besi Tuang

Dibandingkan dengan baja tuang, ada beberapa kekurangan besi tuang 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