BAB I

PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

Besi cor merupakan salah satu jenis logam tertua dan murah yang

pernah ditemukan umat manusia di antara sekian banyak logam yang ada.

Logam ini memiliki banyak aplikasi, sekitar 80 persen mesin kendaraan

terbuat dari besi cor.

Besi cor pada dasarnya merupakan paduan eutektik dari besi dan

karbon. Dengan demikian temperature lelehnya relatif rendah, sekitar 1200oC.

Temperature leleh yang rendah sangat menguntungkan, karena mudah

dicairkan, sehingga pemakaian bahan bakar atau energi lebih hemat dan

murah. Selain itu dapur peleburan dapat di bangun dengan lebih sederhana.

Besi cor merupakan paduan Besi-Karbon dengan kandungan C diatas

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.

Salah satu dari produk hasil coran adalah batang besi berongga atau

hollow cast-iron bar. Dalam pembuatan besi berongga ini dapat digunakan

berbagai metode teknologi pengecoran. Dalam makalah ini dibahas mengenai

cara pembuatan produk besi berongga hollo cast-iron menggunakan metode

vertikal continuous casting. Untuk kemudian produk hasil coran akan

dilakukan komparasi dengan produk hollo cast-iron yang dibuat

menggunakan metode sand casting.

Penulisan makalah ini mengacu pada sebuah jurnal yang telah ditulis

oleh Guojun Yan∗, Yang Xu, Bailing Jiang (2011) tentang vertikal

continuous casting.

2. Tujuan Penulisan Makalah

1. Mengetahui dan memahami teknologi pengecoran menggunakan proses

vertikal continuous casting.

2. Memahami dan mengetahui perbedaan karakteristik produk hasil coran,

dalam hal ini adalah besi cor berongga (hollow cast-iron bar) yang

dihasilkan dari proses vertikal continuous casting dengan hasil coran besi

brongga menggunakan proses sand casting.

BAB IILANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Besi Cor dan Besi Cor Bergrafit Bulat

Besi cor adalah paduan besi yang mengandung karbon, silisium,

mangan , fosfor, dan belerang. Besi cor digolongkan dalam enam macam

yaitu besi cor kelabu, besi cor kelas tinggi, besi cor kelabu paduan, besi cor

bergrafit bulat, besi cor mampu tempa dan besi cor cil.

Struktur mikro besi cor terdiri dari ferrite atau perlit dan serpih karbon

bebas. Karbon dan silisium ternyata mempengaruhi struktur mikro, ukuran

serta bentuk dari karbon bebas dan keadaanstruktur dasar berubah sesuai

dengan mutu dan kuantitasnya. Disamping itu, ketebalan dan laju

pendinginan mempengaruhi struktur mikro. Walaupun kekuatan tarik besi cor

kelabu kira-kira 10-30 kgf/mm2, namun besi ini agak getas, titik cairnya kira-

kira 1.200oC dan mempunyai mampu cor sangat baik serta murah, sehingga

besi cor kelabu ini dipergunakan paling banyak untuk benda-benda coran.

Besi cor grafit bulat dibuat dengan jalan mencampurkan magnesium,

kalsium atau serium ke dalam cairan logam sehingga grafit bulat akan

mengendap. Bessi cor macam ini mempunyai kekuatan keuletan, ketahanan

aus dan ketahanan panas yang baik sekali dibandingkan dengan besi cor

kelabu.

Penggunaan besi cor bergrafit bulat bias dijumpai pada bagian-bagian

komponen mobil seperti poros engkol, alat-alat pembuat baja seperti rol,

kotak ingot serta pada jaringan pipa-pipa saluran air.

Besi cor bergrafit bulat mempunyai berbagai bentuk potongan-

potongan grafit seperti ditunjukkan pada gambar 1. Sesuai dengan berbagai

keadaan pengkristalannya. Walaupun bentuk-bentuk lain selain bulat,

memberikan pengaruh yang sangat pada sifat-sifat mekaniknya. Maka

walaupun besi cor bergrafit bulat sebagian berisi grafit yang tidak bulat,

namun besi ini masih banyak dipakai. Walaupun demikian standar umum

besicor bergrafit bulat menghendaki kekuatan tarik lebih dari 55 kgf/mm2.

Setelah di cor, dan sebaliknya grafit berbentuk bulat seluruhnya untuk

mendapat kekuatan tersebut.

Gambar 1. Struktur mikro dari besi cor bergrafit bulat

2.2 Pengaruh Kandungan Pada Struktur Besi Cor

a. Pengaruh Karbon dan Silisium

Kandungan – kandungan yang berpengaruh besar pada bahan

adalah karbon dan silisium. Untuk mendapat struktur yang terbaik,

kandungan karbon harus ada pada daerah yang cocok, yang berubah

menurut kandungan silisium. Silisium menggalakkan penggrafitan dan

silisium yang banyak cenderung untuk membuat besi cor kelabu. Seperti

yang telah dikatakan di atas struktur besi cor diperkirakan ditentukan oleh

hubungan antara kandungan karbon dan silisium. Gambar 2 adalah

diagram MAURER, yang menunjukkan korelasi tersebut pada satu

diagram. Pada diagram ini, struktur dari batang-batang uji yang bundar

dengan diameter 25mm dari berbagai komposisi dituangkan ke dalam

cetakan pasir kering pada temperature 1.250o C dan didinginkan pada laju

pendinginan yang tetap, digolongkan dalam 5 macam struktur. Daerah

pengaruh I menunjukkan besi cor putih, IIa menunjukkan besi cor

berintikdengan sementit yang terpisah, II menunjukkan besi cor perlit, IIb

menunjukkan besi cor dengan ferit yang tidak mempunyai perlit dalam

matriksnya dan sangat lunak. Diagram MAURER dibuat dengan

perumpamaan bahwa karbon dan silisium dapat saling bertukar untuk

memberikan pengaruh-pengaruh pada pembentuka struktur dan tak

mungkin dianggap sempurna. Tetapi diagram ini secara praktis dipakai

karena bagian tengah cocok dengan kasus-kasus praktis. Selanjutnya

diagram ini dibuat dalam keadaan temperature teta, sehingga garis-garis

bergeser sesuai dengan laju pendinginan, yaitu laju pendinginan yang

cepat menggesernya ke kanan dan laju pendinginan yang pelan

menggesernya ke kiri.

Gambar 2. Diagram Maurer

b. Pengaruh Mangan

Mangan tidak memberikan pengaruh yang sungguh-sungguh pada

struktur kecuali untuk kandungan silisium rendah. Mangan sendiri

mencegah penggrafitan dan menggagalkan kestabilan sementit dan larut di

dalamnya. Ia membuat butir-butir halus yang perlitis dan mencegah

pengendapan ferit, sehingga dikehendaki penambahan mangan untuk

mendapatkan struktur yang hanya perlit dan grafit.

c. Pengaruh Fosfor

Fosfor dalam besi cor terutama berbentuk stedit (Kristal eutektik

dari fosfidaa besi), fosfor sendiri mencegah pengendapan grafit dan kalau

kandungannya lebih dari 1% sementit kasar timbul pada ledeburit. Struktur

ini tidak menjadi halus meski di bawah keadaan pendinginan yang cepat.

Pertambahan kandungan fosfor mengurangi kelarutan karbon dan

memperbanyak sementit pada kandungan karbon yang tetap, sehingga

struktur menjadi keras, sementit sukar terurai.

d. Pengaruh Belerang

Belerang mengurangi kelarutan karbon dalam besi cair, dan dalam

hal ini menggalakkan penggrafitan. Tetapi kenyataannya, menambah

belerang akan mengurangi grafit dan cenderung untuk membentuk besi cor

putih. Kecuali dalam kasus adanya mangan, belerang cenderung untuk

membentuk sulfide besi dan menggalakkan pembentukan besi cor putih

yang kadang-kadang menyebabkan bintik-bintik keras atau kebalikan cil.

e. Pengaruh- Pengaruh Unsur Lain

Sebagai tambahan kepada undur-unsur yang tersebut di atas yang

menggalakkan penggrafitan adalah tembaga, nikel dan alumunium, dan

unsur-unsur lain yang mencegah khrom , molibden dan seterusnya.

2.3 Sifat Besi Cor Bergrafit Bulat

Grafit adalah kumpulan karbon yang dihasilkan selama proses

pembekuan dan pendinginan lambat. Grafit memiliki kekerasan sekitar 1 HB,

kekuatan tariknya sekitar 2 kgf/mm2 (N/mm2) dan masa jenisnya kira-kira 2,2

Kg/dm3.

Grafit memberikan pengaruh sangat besar terhadap sifat-sifat mekanik

besi cor kelabu. Grafit dalam besi cor dapat berada dalam keadaan bebas

sebagai grafit. grafit ini merupakan suatu bentuk kristal karbon yang lunak dan

rapuh. Dalam struktur besi cor jumlahnya dapat mencapai 85 % dari seluruh

bentuk kandungan karbon, tetapi kira – kira 6 % - 17 % dari volume total besi

sebagai akibat dari berat jenisnya yang rendah.

Sifat – sifat mekanik dari besi cor banyak dipengaruhi oleh bentuk,

ukuran, disrtibusi dan banyaknya grafit didalamnya. Besi cor bergrafit bulat

memiliki keuletan yang lebih baik dibandingkan dengan besi cor bergfarit

serpih. Hal ini disebabkan karena sepih grafit akan mengalami pemusatan

tegangan pada ujung – ujungnya bila mendapatkan gaya akan bekerja tegak

lurus arah serpih.

Dalam struktur mikro ada berbagai bentuk dan ukuran dari putongan –

potongan grafit yaitu halus dan besar, serpih atau asteroid, bergumpal atau

bulat. keadaan potongan – potongan grafit ini memberikan pengaruh yang

besar terhadap sifat – sifat mekanik besi cor. Karakteristik grafit didalam besi

cor dikelompokan dalam bentuk, distribusi dan ukuran.

2.4 Distribusi Grafit

Bentuk dan distribusi grafit erat kaitannya dengan proses perlakuan

peleburan terutama inokulasi yang bertujuan untuk mencegah terjadinya

undercooling. Gambar berikut menunjukan beberapa distribusi grafit.

Gambar 3. Distribusi Grafit

Distribusi grafit A dimiliki oleh besi cor kelabu kelas tinggi dengan matrik

perlit.

Distribusi grafit B kecenderungan terjadi pada coran tipis, untuk kandungan

karbon atau silikon relatif rendah. Besi cor yang memerlukan kekuatan tarik

25-30 kgf/mm2 diperbolehkan memiliki distribusi grafit B sebanyak 20-30%.

Distribusi grafit C muncul pada sistem hypereutektik. Pada struktur ini grafit

yang panjang dan lebar numpuk dan dikelilingi oleh serpihan grafit yang

mengkristal di daerah eutektik. Struktur demikian begitu lemah

mengakibatkan hasil produksi menjadi kurang kuat.

Distribusi grafit D terjadi karena potongan-potongan grafit eutektik yang

halus, yang mengkristal diantara dendrit-dendrit kristal mula dari austenite

karena pendinginan lanjut (undercooling) pada pembekuan eutektik. Keadaan

ini umumnya diperbaiki dengan pemberian inokulasi. Distribusi grafit

semacam ini kadang-kadang muncul pada besi cor yang teroksidasi.

Distribusi grafit E muncul pada kandungan karbon rendah. Kekuatan rendah

karena jarak yang dekat antara potongan-potongan grafit seperti pada

distribusi D. Tetapi kadang-kadang kekuatan juga tinggi apabila kandungan

karbon rendah dan berkurangnya endapan grafit.

BAB III

HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Proses Pembuatan Hollow Cast-Iron Bar pada Vertikal Continous Casting

Besi berongga dengan diameter luar 60-300 mm, ketebalan dinding

7-40 mm dan panjang 10 m diproduksi secara besar-besaran dengan vertikal

continous casting. Proses pengecoran secara keseluruhan dianalogikan sama

seperti proses pengecoran benda-benda padat solid pada proses horizontal

continuous casting.

Pada gambar di bawah ini, secara skematis ditunjukkan proses

pembuatan hollow cast-iron bar menggunakan vertikal continuous casting.

Gambar 4. Skema proses vertikal continuous casting

Keterangan gambar:

1. Crystalizzer

2. Hollow cast-iron bar

3. Lelehan/ cairan coran

4. Holding furnace

5. Foundry Ladle

6. Puller

Ketika besi meleleh, dituangkan ke dalam holding furnace dari

sendok pengecoranatau foundry ladle, lelehan besi akan mengalir melalui

bagian bawah dan rongga kanan tungku atau holding furnace, dari holding

furnace tersebut kemudian akan masuk ke dalam crystallizer melalui lubang-

lubang cetakan grafit (ditunjukkan pada Gambar. 4) dan akan mengisi

ruangan diantara crystallizer, kemudian lelehan coran tersebut akan

membeku dan mulai terbentuk padatan di ruangan atau space dari crystallizer

tersebut. Besi yang memadat tersebut kemudian ditarik keluar dari

crystallizer oleh penarik atau puller, sehingga dihasilkan batang besi

berongga atau hollow cast-iron bar. Dengan demikian crystallizer berfungsi

sebagai pembentukan atau pencetakan logam cair dalam hal ini lubang

(hollow) ketika cairan logam coran mengalami laju pembekuan.

Peralatan dan proses pembuatan batang besi berongga ditunjukkan

pada Gambar 5 di bawah.

Gambar 5. Crystallizer untuk pengecoran secara kontinyu

Keterangan gambar :

1. Water cooling jacket

2. Graphite mold

Struktur dari water cooling jacket sama seperti yang digunakan pada

mesin casting horizontal. Supaya batang besi berongga ditarik dengan mudah,

cetakan grafit didesain bebentuk kerucut dengan sudut sudut kerucut antara 1o

dan 3o. Agar inti cetakan grafit tidak terhalang, kecepatan penarikan dan

kapasitas pendinginan dari crystallizer harus terkoordinasi satu sama lain.

3.2 Produk Hasil Vertikal Continous Casting

Variasi produk bentuk hollow bar dari mesin vertikal continous

casting sendiri sangat mudah dilakukan, tergantung model dan desain dari

graphite mold yang digunakan. Berikut ini adalah gambar pruduk hollow

cast-iron bar yang diteliti oleh Guojun Yan∗, Yang Xu, Bailing Jiang (2011)

hasil dari proses pengecoran continuous.

Gambar 4. Hollow cast-iron bar hasil produksi dari proses continuous

pulling-up casting

Panjang bar mencapai 10 m atau lebih, diameter luarnya bervariasi dari 60

mm sampai 300 mm dan ketebalan dindingnya di kisaran 7 mm sampai 40 mm,

dan juga telah dibuktikan dengan penelitian metalografi bahwa tidak ada white

iron pada lapisan luarnya yang mana kemungkinan dihasilkan oleh kinerja

pengkristalan grafit sebagai daerah-daerah inti yang homogen selama

pembentukan inti grafit.

3.3 Penelitian dan Hasil

Dalam penelitian yang dilakukan oleh Guojun Yan∗, Yang Xu,

Bailing Jiang (2011) dilakukan pengujian struktur mikro pada produk

hollow cast-iron bar hasil dari proses vertikal continuous casting. Gambar di

bawah ini menunjukkan struktur mikro dari spesimen uji. Dengan skala 500-7

dan 200.

Gambar 5. Struktur mikro dari hollow cast-iron bar

Keterangan gambar:

a. Skala pembesaran 500-7

b. Skala pembesaran 200

Gambar 5 (a) dan (b) adalah gambar struktur mikro dari produk

vertikal continuous casting dengan masing-masing skala pembesaran 500-7

dan 200. Butiran–butiran grafit terlihat di skala 500-7 dan koloni eutektik di

skala 200 sangat kecil. Terdapat 692 bola grafit per milimeter persegi untuk

skala 500-7 dan lebih dari 3000 daerah eutektik per sentimeter persegi pada

skala 200. Pada skala 500-7, perbedaan diameter bola-bola grafit tidak begitu

signifikan dan distribusi spasial dari bola grafit bahkan nampak berlebih.

Gambar 6. Komposisi dan kandungan struktur dari hollow cast-iron bar

skala 400-15 hasil coran pada vertikal continuous casting

Pada gambar 6 ditunjukkan komposisi dan kandungan struktur dari

hollow cast-iron bar di skala 400-15 dengan jumlah yang sama pada dua atau

beberapa tempat sepanjang arah radius menggunakan metode vertikal

continuous casting. Dari penelitian didapatkan bahwa distribusi elemen-

elemen pada batang besi hollow cast-iron terjadi di sepanjang arah radius,

dan unsur-unsur ringan seperti C, S dan P tidak terpisahkan pada lapisan

dalamnya. Seperti kita ketahui bahwa kapasitas pendinginan water cooling

pada crystallizer sangat besar, sehingga velocity pendinginannya begitu cepat

oleh karena itu laju proses pemadatan lelehan dari coran tinggi. Ketika laju

pemadatan lebih besar dari kecepatan difusi atom, difusi atom tidak akan

terjadi dan pemisahan atom-atom tidak akan terjadi pada seluruh proses

pencairan padatan, sehingga batang-batang besi dengan komposisi kimia yang

seragam dapat diperoleh.

Sifat-sifat mekanik dari hollow cast-iron bar hasil proses vertikal

continuous casting skala 400-15 ditunjukkan pada tabel di bawah berikut.

Tabel 1. Sifat-sifat material dari hollow cast-iron bar dengan skala

400-15 menggunakan dua metode pengecoran yang berbeda.

Sedangkan untuk gambar struktur mikro hollow cast-iron skala 400-15

ditunjukkan pada gambar 7 dibawah ini.

Gambar 7. Struktur mikro dari hollow cast-iron bar dengan skala

400-15

Keterangan gambar:

a. Proses vertikal continuous casting

b. Proses sand casting

Dari gambar di atas terlihat bahwa rata–rata diameter grafit pada

vertikal continous casting skala 400-15 lebih kecil dari pada sand casting

skala 400-15 dan jumlah bola grafit per mm2 pada vertikal continous casting

skala 400-15 lebih banyak daripada jumlah bola grafit pada sand casting

skala 400-15.

Untuk menguji kepadatan batang hollow cast-iron 400-15 dari proses

vertikal continous casting, dilakukan uji hidrostatik. Proses pengujiannya

adalah sebagai berikut: sebuah batang besi berongga hasil vertikal continous

casting dilakukan machining hingga menjadi sebuah bentuk tabung dengan

ketebalan dinding 1 mm (salah satu ujung tabung terbuka dan didekatkan),

kemudian air bertekanan tinggi disemprotkan ke dalam ruang tabung.

Sehingga tekanan tinggi telah diletakkan pada batang melalui air bertekanan

tinggi. Ketika tekanan air mencapai angka 65 Mpa, tekanannya dijaga hingga

5 menit. Kemudian dilakukan pengamatan bahwa tidak ada titik kebocoran

pada batang. Hal itu mengindikasikan bahwa struktur mikro dari proses

vertikal continous casting batang 400-15 padat dan penyusutan rongganya

sedikit dan terdapat penyusutan porositas.

BAB IV

KESIMPULAN

Pengujian dilakukan untuk mengetahui karakteristik dari hollow cast-

iron bar yang diprosuksi menggunakan metode vertikal continuous casting

dan sand casting. Dari pengujian karakterisasi tersebut dapat disimpulkan

bahwa:

a. Besi cor berongga yang berkekuatan tinggi dengan diameter 80-

30 mm, ketebalan dinding 7–40 mm dan panjang hingga 10 m

sudah berhasil diproduksi menggunakan proses vertikal continous

casting.

b. Sifat-sifat mekanik dan mikro struktur dari hollow cast-iron bar

hasil vertikal continuous casting jauh lebih unggul dibanding

hollow cast-iron bar hasil dari proses sand casting. Sifat-sifat

mekanik dan struktur mikro hollow cast-iron bar pada vertikal

continuous casting lebih baik dibandingkan pada sand casting.

c. Elemen–elemen didistribusikan secara merata di sepanjang arah

radius dan tidak dijumpai pemisahan pada batang besi. Penyusutan

rongganya sedikit dan terdapat penyusutan porositas.

d. Ukuran butir dari grafit dan ferit jauh lebih halus daripada batang

besi hasil dari sand casting dan kekuatan dari vertikal continous

casting batang besi skala 400-15 mirip dengan batang besi skala

500-7.

DAFTAR PUSTAKA

Yan∗, G., Xu,Y., Jiang, B., 2011. The production of high-density hollow cast-iron bars by vertically continuous casting. Journal of Materials Processing Technology 212 (2012) 15– 18

Surdia, Tata. 1996. Teknik Pengecoran Logam. Jakarta: Pradnya Paramita