Cast Iron Diungkap: Sejarah, Jenis, Sifat, dan Aplikasi Modern

Logam serbaguna, cast iron memiliki banyak aplikasi unik di dunia komersial dan industri

Kehadiran besi dalam kehidupan sehari-hari dimulai sekitar 1200 BCE, mencakup berbagai penggunaan dari alat pertanian hingga senjata perang. Tukang besi menjadi profesi penting, bekerja dengan besi untuk mengubah sifatnya dan membentuk bahan menjadi alat. Setiap desa dan kota akan memiliki bengkel tukang besi, di mana sabit, cangkul, paku, pedang, pemegang lilin, dan lebih banyak diproduksi.

Penemuan nilai besi membawa pada yang telah dikenal sebagai Iron Age, karena dominasi bahan ini dalam aplikasi sosial dan militer. Milestone lain untuk logam akan mengikuti—Revolusi Industri mengubah cara logam diproduksi dan dikerjakan menjadi produk, termasuk besi.

Jenis Besi

Terdapat dua jenis besar besi yang diproduksi: wrought iron dan cast iron. Di dalamnya, cast iron memiliki keluarga logamnya sendiri.

Wrought Iron

Jenis pertama besi yang diproduksi dan dikerjakan oleh tukang besi adalah wrought iron. Ia pada dasarnya besi elemenal murni (Fe) yang dipanaskan dalam tungku sebelum dikerjakan (wrought) dengan palu di atas penggerus. Palu besi mengusir sebagian besar slag dari bahan dan memungatkan partikel besi bersama.

Selama revolusi industri dan percepatan aktivitas konstruksi yang terkait, penggunaan baru untuk wrought iron ditemukan. Kekuatan tariknya yang tinggi (resistensi terhadap patah saat di bawah tegangan) menjadikannya ideal untuk digunakan untuk balok dalam proyek konstruksi besar seperti jembatan dan gedung bertingkat. Namun, penggunaan wrought iron untuk tujuan ini sebagian besar ditinggalkan pada awal abad ke-20 ketika produk baja dikembangkan dengan kinerja yang lebih baik dari besi untuk aplikasi konstruksi.

Wrought iron telah menjadi terkenal untuk potongan dekoratif. Gereja pada abad ke-15 dan 16 mengandung potongan wrought iron yang halus yang diproduksi oleh artesan terampil. Di dunia modern, pagar, pintu, dan bangku masih dibuat dari wrought iron sebagai potongan kustom.

Cast Iron

Cast iron diproduksi dengan peleburan legasi besi-karbon yang memiliki konten karbon lebih dari 2%. Setelah peleburan, logam dituang ke dalam cetakan. Perbedaan utama dalam produksi antara wrought iron dan cast iron adalah cast iron tidak dikerjakan dengan palu dan alat. Ada juga perbedaan dalam komposisi—cast iron mengandung 2–4% karbon dan legasi lainnya, dan 1–3% silikon, yang meningkatkan kinerja pengecoran logam cair. Jumlah kecil mangan dan beberapa kotoran seperti sulfur dan fosfor mungkin juga ada. Perbedaan antara wrought iron dan cast iron juga dapat ditemukan dalam detail struktur kimia dan sifat fisik.

Meskipun baik baja maupun cast iron mengandung jejak karbon dan terlihat serupa, terdapat perbedaan signifikan antara kedua logam ini. Baja mengandung kurang dari 2% karbon, yang memungkinkan produk akhir menyegerap dalam satu struktur mikro kristal tunggal. Konten karbon yang lebih tinggi dari cast ion berarti ia menyegerap sebagai legasi heterogen, dan oleh karena itu memiliki lebih dari satu struktur mikro kristal yang hadir dalam bahan.

Kombinasi konten karbon tinggi, dan kehadiran silikon, inilah yang memberikan cast iron kemampuan pengecoran yang baik. Berbagai jenis cast irons diproduksi menggunakan teknik pemanasan dan pemrosesan yang berbeda, termasuk gray iron, white iron, malleable iron, ductile iron, dan compacted graphite iron.

Gray Iron

Gray iron ditandai dengan bentuk flake dari molekul grafit dalam logam. Ketika logam retak, patah terjadi di sepanjang flake grafit, yang memberikan warna abu-abu pada permukaan logam yang retak. Nama gray iron berasal dari karakteristik ini.

Mungkin untuk mengontrol ukuran dan struktur matriks flake grafit selama produksi dengan menyesuaikan laju pendinginan dan komposisi. Gray iron tidak lentur seperti bentuk cast iron lainnya dan kekuatan tariknya juga lebih rendah. Namun, ia merupakan konduktor termal yang lebih baik dan memiliki tingkat redaman getaran yang lebih tinggi. Ia memiliki kapasitas redaman yang 20–25 kali lebih tinggi dari baja dan unggul dari semua cast iron lainnya. Gray iron juga lebih mudah diproses daripada cast iron lainnya, dan sifat daya tahan ausnya menjadikannya salah satu produk cast iron volume tertinggi.

Produk hardscape kami terbuat dari grey iron. Redaman getaran dan daya tahan aus adalah sifat yang menjadikan ini bahan yang tepat untuk banyak aplikasi jalan raya. Grey iron mentah juga menghasilkan patina yang menjaganya aman dari korosi merusak bahkan di luar ruangan.

White Iron

Dengan konten karbon yang tepat dan laju pendinginan yang tinggi, atom karbon berikatan dengan besi untuk membentuk besi karbida. Ini berarti tidak ada atau sangat sedikit molekul grafit bebas dalam bahan yang menyegerap. Ketika white iron dipecah, permukaan patah tampak putih karena kehadiran grafik. Struktur mikro kristal cementite keras dan rapuh dengan kekuatan tekan tinggi dan daya tahan aus yang baik. Dalam aplikasi spesial tertentu, diinginkan untuk memiliki white iron di permukaan produk. Ini dapat dicapai dengan menggunakan konduktor panas yang baik untuk membuat bagian cetakan. Ini akan menarik panas dari logam cair dengan cepat dari area tertentu, sementara sisa pengecoran pendingin dengan laju yang lebih lambat.

Salah satu grade populer white iron adalah Ni-Hard Iron. Penambahan legasi kromium dan nikol memberikan produk ini sifat yang baik untuk aplikasi abrasi geser dampak rendah.

White irons dan ni-hard irons termasuk dalam klasifikasi legasi yang disebut ASTM A532; “Standard Specification for Abrasion-Resistant Cast Irons”.

Malleable Iron

White iron dapat diproses lebih lanjut menjadi malleable iron melalui proses perawatan panas. Program pemanasan dan pendinginan yang panjang menghasilkan pembusukan molekul besi karbida, melepaskan molekul grafit bebas ke dalam besi. Laju pendinginan yang berbeda, dan penambahan legasi, menghasilkan malleable iron dengan struktur mikro kristal.

Ductile Iron (Nodular Iron)

Ductile iron, atau nodular iron, mendapatkan sifat khususnya melalui penambahan magnesium ke dalam legasi. Kehadiran magnesium menyebabkan grafit membentuk bentuk spheroid sebagai kontras dengan flake dari gray iron. Kontrol komposisi sangat penting dalam proses manufaktur. Jumlah kecil kotoran seperti sulfur dan oksigen bereaksi dengan magnesium, mempengaruhi bentuk molekul grafit. Berbagai grade ductile ion dibentuk dengan memanipulasi struktur mikro kristal di sekitar spheroid grafit. Ini dicapai melalui proses pengecoran, atau melalui perawatan panas, sebagai langkah pemrosesan downstream.

Karena ductile ion melembek saat dampak, daripada pecah menjadi pecahan, kami menggunakan bahan ini untuk membuat halangan cast iron kami. Profil dampak ductile iron menjadikannya cast iron yang baik untuk halangan di dekat lalu lintas kendaraan.

Compacted Graphite Iron

Compacted graphite iron memiliki struktur grafit dan sifat terkait yang merupakan campuran dari gray dan white iron. Struktur mikro kristal terbentuk di sekitar flake grakit yang tumpul yang saling terhubung. Legasi, seperti titanium, digunakan untuk menekan pembentukan grafit spheroidal. Compacted graphite ion memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi dan duktilitas yang ditingkatkan dibandingkan gray iron. Struktur mikro kristal dan sifat dapat disesuaikan melalui perawatan panas atau penambahan legasi lainnya.

Ringkasan Komposisi Cast Iron

Tabel yang dikembangkan oleh Engineer's Handbook menunjukkan rentang komposisi yang berbeda untuk berbagai jenis cast iron:

RENTANG KOMPOSISI UNTUK CAST IRON TIDAK LEGASI UMUM
NILAI DALAM PERSEN (%)

JENIS BESI

KARBON

SIKON

MANGAN

SULFUR

FOSFOR

Gray

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.02 – 0.25

0.02 – 1.0

Ductile

3.0 – 4.0

1.8 – 2.8

0.1 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

Compacted Graphite

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

Malleable (Cast White)

2.0 – 2.9

0.9 – 1.9

0.15 – 1.2

0.02 – 0.2

0.02 – 0.2

White

1.8 – 3.6

0.5 – 1.9

0.25 – 0.8

0.06 – 0.2

0.06 – 0.2

Sifat Mekanis Cast Iron

Sifat mekanis suatu bahan menunjukkan bagaimana ia merespons di bawah stres tertentu, yang membantu menentukan keakuratannya untuk aplikasi berbeda. Spesifikasi ditetapkan oleh organisasi seperti American Society for Testing and Materials (ASTM) sehingga pengguna dapat membeli bahan dengan kepercayaan bahwa mereka memenuhi persyaratan untuk aplikasi mereka. Spesifikasi cast gray iron yang paling umum digunakan adalah ASTM A48.

Untuk memenuhi syarat produk cor sesuai spesifikasinya, praktik standar adalah mencetak test bar bersama dengan cor yang dirancang. Tes ASTM kemudian diterapkan pada test bar ini dan hasilnya digunakan untuk memenuhi syarat seluruh batch cor.

Spesifikasi juga penting saat memasang partikel cast iron bersama. Las harus memenuhi atau melebihi sifat mekanis bahan yang dipasang—selain itu, retak dan kegagalan dapat terjadi.

Beberapa sifat mekanis umum untuk cast iron meliputi:

• Kekerasan – resistensi bahan terhadap goresan dan indenta
• Keawetan – kemampuan bahan untuk menyerap energi
• Duktilitas – kemampuan bahan untuk melembek tanpa retak
• Elastisitas – kemampuan bahan untuk kembali ke dimensi aslinya setelah terbentuk
• Kelelangkan – kemampuan bahan untuk melembek di bawah tekanan tanpa pecah
• Kekuatan tarik – stres longitudinal terbesar yang dapat ditahan bahan tanpa pecah
• Kekuatan fatigue – stres tertinggi yang dapat ditahan bahan untuk jumlah siklus tertentu tanpa patah

Tabel ini merangkum beberapa sifat mekanis kunci untuk berbagai grade cast iron. Untuk informasi lebih lanjut, lihat “Iron Alloys”, dokumen referensi bagus dari American Foundry Society.

BRINELL HARDNESS

TENSILE STRENGTH

MODULUS OF ELASTICITY

% ELONGATION (IN 50 MM)

Gray iron class 25

187

29.9 ksi

16.1 Msi

–

Gray iron class 40

235

41.9 ksi

18.2 Msi

–

Ductile iron grade 60-40-18

130 – 170

60 ksi

24.5 Msi

–

Ductile iron grade 129-90-02

240 – 300

120 ksi

25.5 Msi

–

CGI grade 250

179 max

36.2 ksi min

3

CGI grade 450

207 – 269

65.2 ksi min

1

Aplikasi Umum Cast Iron

Berbagai sifat dari berbagai jenis cast ion menghasilkan setiap jenis cocok untuk aplikasi spesifik.

Aplikasi Gray Iron

Salah satu karakteristik kunci dari gray iron adalah kemampuannya untuk menahan aus bahkan ketika pasokan pelumas terbatas (misalnya, dinding silinder atas dalam blok mesin). Gray iron digunakan untuk membuat blok mesin dan kepala silinder, manifolds, pembakar gas, gear blanks, enclosure, dan casing.

Aplikasi White Iron

Proses pendinginan yang digunakan untuk membuat white ion menghasilkan bahan rapuh yang sangat tahan aus dan goresan. Karena alasan itu, digunakan untuk membuat lining pabrik, nozzle shot-blasting, rem kereta api, casing pompa lumpur, rolling mill rolls, dan crusher.

Ni-Hard Iron khusus digunakan untuk paddle mixer, augers dan dies, liner plates untuk ball mill, chute batubara, dan wire guides untuk menarik kawat.

Aplikasi Ductile Iron

Ductile ion itu sendiri dapat dipecah menjadi berbagai grade, masing-masing dengan spesifikasi properti dan aplikasi paling sesuai. Mudah diproses, memiliki fatigue dan kekuatan leleh yang baik, sambil tahan aus. Fitur terkesan, yaitu duktilitas. Ductile ion dapat digunakan untuk membuat steering knuckles, plow shares, crankshafts, gear berat, komponen suspensi mobil dan truk, komponen hidrolik, dan pintu sambungan mobil.

Aplikasi Malleable Iron

Berbagai grade malleable ion sesuai dengan berbagai struktur mikro kristal. Atribut spesifik yang membuat malleable ion menarik adalah kemampuannya untuk mempertahankan dan menyimpan pelumas, partikel aus yang tidak merendam, dan permukaan pori yang menangkap kotoran abrasif lain. Malleable ion digunakan untuk permukaan bearing beban berat, rantai, sprocket, connecting rod, drive train dan komponen axle, rolling stock kereta api, dan mesin pertanian dan konstruksi.

Aplikasi Compacted Graphite Iron

Compacted graphite ion mulai menunjukkan kehadirannya dalam aplikasi komersial. Kombinasi sifat dari gray ion dan white ion menghasilkan produk kekuatan tinggi dan konduktivitas termal tinggi—cocok untuk blok mesin dan frame diesel, liner silinder, cakram rem kereta api, manifolds, dan gear plate dalam pompa tekanan tinggi.

Pemesinan dan Finishing

Sifat kekerasan cast ion memerlukan seleksi yang hati-hati dari bahan mesin. Coated carbides efektif dalam lingkungan pemesinan produksi, tetapi bahan baru terus dikembangkan seiring perkembangan teknologi.

Finishing permukaan produk cast ion sangat bervariasi menurut penggunaan. Beberapa aplikasi umum:

• Electroplating
• Hot-dipping
• Thermal spraying
• Diffusion coating
• Conversion coating
• Porcelain enameling
• Liquid organic coating
• Dry powder organic coating

Cast Iron dan Masa Depan

Dari penggunaan awalnya lebih dari 3.000 tahun yang lalu, besi tetap merupakan bagian integral dari masyarakat manusia. Produksi besi telah lama berkembang sejak abad-abad bekerja besi oleh tukang besi hingga penemuan cast iron di era industri.

Sejak saat itu, wrought iron sebagian besar menjadi usang kecuali untuk penggunaan dekoratif. Secara kontras, cast iron masih berkembang dalam hal komposisi, mikrostruktur, dan sifat mekanis—terus memberi capnya di dunia modern.

Untuk informasi lebih lanjut tentang cor logam, atau untuk meminta penawaran untuk proyek logam kustom, silakan hubungi kami.