Besi tuang mampu tempa adalah besi cor yang dibuat dalam dua langkah: logam dicor dulu menjadi besi cor putih yang keras dan getas, lalu dianil (dipanaskan lama) sampai karbida besinya terurai menjadi gumpalan grafit. Hasilnya besi cor yang ulet, mudah dimesin, dan tahan beban kejut. Dalam bahasa Inggris material ini disebut malleable cast iron atau malleable iron, dan dalam bahasa Indonesia juga dikenal sebagai besi cor mampu tempa.
Artikel ini melanjutkan pembahasan singkat di artikel apa itu besi cor, dengan fokus pada cara pembuatan, jenis, sifat, dan pemakaian besi tuang mampu tempa.
Apa Itu Besi Tuang Mampu Tempa?
Sifat besi cor ditentukan oleh bentuk karbonnya. Pada besi cor kelabu, karbon berupa serpih grafit yang tajam sehingga materialnya getas. Pada besi cor putih, karbon terikat sebagai sementit (karbida besi) yang sangat keras. Besi tuang mampu tempa memakai besi cor putih sebagai bahan awal, lalu mengubah sementitnya menjadi grafit berbentuk gumpalan tak beraturan yang disebut karbon temper (temper carbon).
Gumpalan karbon temper tidak punya ujung tajam seperti serpih grafit. Karena itu logam di sekitarnya bisa menahan beban dan sedikit berubah bentuk sebelum patah. Prinsipnya mirip besi cor nodular, tetapi jalannya berbeda: grafit bulat pada besi nodular terbentuk saat logam membeku berkat magnesium, sedangkan karbon temper pada besi tuang mampu tempa terbentuk sesudah pengecoran, lewat perlakuan panas.
Apakah besi tuang mampu tempa bisa ditempa? Tidak dalam arti sesungguhnya. Nama “mampu tempa” adalah terjemahan dari malleable, yang di sini berarti logamnya bisa sedikit dibengkokkan atau dipukul tanpa langsung pecah. Material ini tidak ditempa panas seperti baja.
Cara Membuat Besi Tuang Mampu Tempa
Langkah 1: Mengecor besi cor putih
Seluruh penampang coran harus membeku sebagai besi cor putih, tanpa grafit sama sekali. Kalau sebagian grafit sudah terbentuk saat pengecoran (disebut mottling), grafit itu berbentuk serpih dan tidak bisa diperbaiki lagi oleh proses anil. Karena itu komposisinya dijaga rendah karbon dan rendah silikon dibanding besi cor kelabu.
| Unsur | Kisaran umum | Alasan |
|---|---|---|
| Karbon (C) | 2,2–2,9% | Cukup untuk membentuk grafit saat anil, tidak terlalu tinggi agar tidak membeku kelabu |
| Silikon (Si) | 0,9–1,9% | Membantu grafitisasi saat anil, tetapi berlebihan memicu grafit serpih saat membeku |
| Mangan (Mn) | 0,2–0,6% (lebih tinggi untuk jenis perlitik) | Mengikat belerang; mangan berlebih memperlambat anil |
| Belerang (S) | maksimal sekitar 0,2% | Diimbangi oleh mangan |
| Fosfor (P) | maksimal sekitar 0,15% | Fosfor tinggi membuat getas |
Angka ini kisaran umum. Komposisi tepat bergantung pada tebal coran dan jenis besi mampu tempa yang dibuat. Besi cair biasanya dilebur di tanur induksi atau kupola (lihat jenis tungku peleburan untuk pengecoran logam), lalu dituang ke cetakan pasir.
Syarat membeku putih ini membatasi tebal coran. Komponen besi tuang mampu tempa umumnya berdinding tipis sampai sedang, kira-kira di bawah 25–40 mm. Bagian yang lebih tebal mendingin terlalu lambat dan cenderung membentuk grafit serpih.
Langkah 2: Anil (malleabilisasi)
Coran besi putih kemudian dianil dalam tungku. Proses ini disebut malleabilisasi. Untuk jenis inti hitam ferritik, siklusnya terdiri dari beberapa tahap:
- Pemanasan perlahan sampai sekitar 900–960°C.
- Grafitisasi tahap pertama. Coran ditahan pada suhu itu selama beberapa jam sampai belasan jam. Sementit terurai menjadi austenit dan karbon temper.
- Pendinginan relatif cepat sampai sekitar 760°C.
- Grafitisasi tahap kedua. Coran didinginkan sangat lambat dari sekitar 760°C ke 690°C, kira-kira 3–10°C per jam, atau ditahan sedikit di bawah suhu transformasi. Karbon dalam austenit pindah ke gumpalan grafit yang sudah ada, sehingga matriksnya menjadi ferit.
- Pendinginan di udara sampai suhu ruang.
Dulu siklus ini bisa memakan beberapa hari. Tungku modern dengan atmosfer terkendali memendekkannya menjadi sekitar 20–40 jam, bergantung pada komposisi dan tebal coran. Prinsip dasarnya sama dengan proses annealing pada logam lain, yaitu pemanasan, penahanan, dan pendinginan lambat, tetapi tujuannya berbeda: bukan rekristalisasi, melainkan mengubah bentuk karbon.
Jenis-Jenis Besi Tuang Mampu Tempa
Ada tiga jenis utama, dibedakan oleh atmosfer anil dan cara pendinginannya.
Besi mampu tempa inti hitam (ferritik)
Dianil dalam atmosfer netral sehingga karbon tetap berada di dalam coran sebagai gumpalan grafit. Matriksnya ferit. Patahannya berwarna gelap, dari situ namanya (blackheart). Jenis ini paling ulet, paling mudah dimesin, dan paling banyak dibuat, terutama di Amerika dan Jepang.
Besi mampu tempa perlitik
Prosesnya sama dengan inti hitam sampai grafitisasi tahap pertama. Setelah itu coran didinginkan lebih cepat, di udara atau dengan pencelupan lalu ditemper, sehingga tahap kedua dilewati dan matriksnya menjadi perlit atau martensit temper. Hasilnya lebih kuat dan lebih keras, dengan keuletan lebih rendah. Prinsip pencelupan dan penemperannya dibahas di artikel heat treatment.
Besi mampu tempa inti putih
Dianil dalam atmosfer pengoksidasi pada suhu lebih tinggi, sekitar 950–1.050°C, selama puluhan jam. Karbon di permukaan bereaksi dengan atmosfer dan keluar dari coran (dekarburisasi). Pada bagian tipis, hampir seluruh penampang menjadi ferit dengan sedikit grafit, dan patahannya tampak terang (whiteheart). Pada bagian tebal, intinya masih mengandung grafit dan perlit. Jenis ini lebih umum di Eropa dan cocok untuk komponen tipis. Kelas berkarbon rendah tertentu bahkan bisa dilas.
| Jenis | Atmosfer anil | Matriks | Kekuatan tarik umum | Perpanjangan umum |
|---|---|---|---|---|
| Inti hitam (ferritik) | Netral | Ferit | 300–370 MPa | 6–18% |
| Perlitik | Netral, lalu pendinginan cepat | Perlit atau martensit temper | 450–800 MPa | 1–8% |
| Inti putih | Pengoksidasi | Ferit di permukaan, ferit dan perlit di inti | 350–450 MPa | 4–12% |
Angka di tabel adalah kisaran nilai minimum menurut kelas-kelas standar yang umum. Untuk desain, pakai nilai dari standar dan kelas yang dipesan.
Sifat Besi Tuang Mampu Tempa
- Ulet dan tahan beban kejut. Jauh lebih ulet daripada besi cor kelabu dan putih. Komponennya bisa sedikit melengkung sebelum patah, sehingga lebih aman untuk beban benturan.
- Mudah dimesin. Jenis ferritik termasuk besi cor yang paling mudah dimesin. Gumpalan grafit membantu memutus geram dan melumasi pahat.
- Seragam pada coran tipis. Karena coran membeku putih lebih dulu, strukturnya seragam walaupun dindingnya tipis. Ini kelebihan dibanding besi nodular, yang pada dinding sangat tipis rawan membentuk karbida keras.
- Tangguh pada suhu rendah. Jenis ferritik tetap cukup tangguh pada suhu di bawah nol.
- Ketahanan korosi setara besi cor lain. Umumnya dilindungi dengan galvanis celup panas atau cat. Pilihan pelindungnya sama dengan logam besi lain, seperti dibahas di cara mencegah korosi pada logam.
- Sulit dilas, kecuali kelas inti putih tertentu. Pemanasan pengelasan bisa membentuk kembali karbida keras di sekitar las. Perbaikannya mengikuti prosedur khusus seperti di artikel pengelasan perbaikan untuk hasil pengecoran logam.
- Terbatas pada coran tipis sampai sedang, karena seluruh penampang harus membeku putih lebih dulu.
Standar dan Kelas
| Standar | Cakupan | Contoh kelas |
|---|---|---|
| ASTM A47 | Inti hitam ferritik | Grade 32510, 35018 (tiga angka pertama: kekuatan luluh minimum dalam ratusan psi, jadi 325 = 32.500 psi atau sekitar 224 MPa; dua angka terakhir: perpanjangan minimum %) |
| ASTM A220 | Perlitik | Grade 40010 sampai 90001 |
| EN 1562 | Inti hitam dan perlitik (GJMB), inti putih (GJMW) | EN-GJMB-350-10, EN-GJMB-550-4, EN-GJMW-400-5 |
| JIS G5705 | Ketiga jenis | Kode FCMB (inti hitam), FCMP (perlitik), FCMW (inti putih) |
Pada kode EN, angka pertama adalah kekuatan tarik minimum dalam MPa dan angka kedua perpanjangan minimum dalam persen. EN-GJMB-350-10, misalnya, berarti inti hitam dengan kekuatan tarik minimum 350 MPa dan perpanjangan minimum 10%.
Kegunaan Besi Tuang Mampu Tempa
- Sambungan pipa (fitting): siku, tee, sok, dan union berulir untuk pipa air dan gas, biasanya digalvanis. Ini pemakaian yang paling dikenal.
- Perlengkapan listrik dan jaringan: klem, braket, dan perangkat keras jaringan listrik.
- Komponen otomotif dan kendaraan berat: rumah diferensial, braket, tuas, dan komponen sistem rem pada kendaraan lama. Jenis perlitik dipakai untuk bagian yang lebih kuat seperti tuas dan rumah roda gigi kecil.
- Mesin pertanian dan rel kereta: mata rantai, kait, braket, dan bagian kecil yang menerima benturan.
- Perkakas tangan dan perangkat keras: kunci, engsel, penjepit, dan komponen ragum.
Banyak pemakaian ini sejak sekitar tahun 1950-an perlahan beralih ke besi cor nodular, yang tidak memerlukan anil panjang. Besi tuang mampu tempa bertahan terutama untuk komponen kecil berdinding tipis yang dibuat dalam jumlah besar, seperti fitting pipa.
Besi Tuang Mampu Tempa vs Besi Cor Nodular
| Aspek | Besi tuang mampu tempa | Besi cor nodular |
|---|---|---|
| Bentuk grafit | Gumpalan tak beraturan (karbon temper) | Bulat (nodul) |
| Cara grafit terbentuk | Anil sesudah pengecoran | Saat membeku, berkat magnesium |
| Perlakuan panas | Wajib, siklus panjang | Tidak wajib |
| Tebal coran | Tipis sampai sedang | Tipis sampai sangat tebal |
| Coran sangat tipis | Seragam dan bebas karbida | Rawan karbida keras |
| Biaya energi | Lebih tinggi karena anil | Lebih rendah |
| Kekuatan dan keuletan | Baik | Setara atau lebih tinggi |
Untuk komponen tebal atau besar, besi cor nodular hampir selalu lebih masuk akal. Untuk komponen kecil berdinding tipis yang harus ulet dan mudah dimesin, besi tuang mampu tempa masih kompetitif. Pertimbangan memilih antara besi cor, baja cor, dan paduan lain dibahas di artikel pemilihan material untuk pengecoran logam.
Masalah yang Sering Terjadi
- Mottling: grafit serpih sudah terbentuk saat pengecoran karena karbon atau silikon terlalu tinggi, atau bagian coran terlalu tebal. Anil tidak bisa memperbaikinya.
- Anil tidak tuntas: suhu terlalu rendah atau waktu terlalu singkat, sehingga sisa sementit membuat coran keras dan getas.
- Matriks tidak sesuai: pendinginan tahap kedua terlalu cepat pada jenis ferritik, sehingga perlit tertinggal dan keuletan turun.
- Getas setelah galvanis: pada kondisi tertentu, besi mampu tempa bisa menjadi getas setelah galvanis celup panas. Komposisi dan pendinginan sesudah anil dikendalikan untuk mencegahnya.
- Distorsi: coran tipis bisa melengkung saat ditahan lama pada suhu tinggi, sehingga perlu penyangga di tungku dan kadang pelurusan.
- Kerak dan dekarburisasi yang tidak diinginkan pada jenis inti hitam, jika atmosfer tungku tidak terkendali.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Apa beda besi tuang mampu tempa dan besi cor putih? Besi cor putih adalah bahan awalnya. Besi cor putih sangat keras dan getas karena karbonnya berupa sementit. Setelah dianil, sementit itu terurai menjadi gumpalan grafit dan materialnya menjadi ulet.
Apakah besi tuang mampu tempa sama dengan besi tempa? Tidak. Besi tempa (wrought iron) adalah besi berkarbon sangat rendah yang dibentuk dengan ditempa. Besi tuang mampu tempa adalah besi cor berkarbon tinggi yang dibentuk dengan dicor.
Mengapa fitting pipa galvanis banyak dibuat dari besi tuang mampu tempa? Fitting berdinding tipis, bentuknya rumit, harus tahan benturan saat dipasang dan dikencangkan, dan ulirnya harus mudah dibuat. Besi tuang mampu tempa memenuhi semuanya.
Berapa lama proses anil besi tuang mampu tempa? Pada tungku modern sekitar 20–40 jam untuk jenis inti hitam. Jenis inti putih biasanya lebih lama.
Kesimpulan
Besi tuang mampu tempa adalah besi cor putih yang dianil sampai sementitnya berubah menjadi gumpalan grafit. Ada tiga jenis: inti hitam yang paling ulet, perlitik yang lebih kuat, dan inti putih yang cocok untuk komponen tipis. Kebutuhan anil panjang dan batasan tebal coran membuat banyak pemakaiannya digantikan besi cor nodular, tetapi untuk komponen kecil berdinding tipis seperti fitting pipa, material ini masih menjadi pilihan yang andal.
Baca Juga
- Apa Itu Besi Cor (Besi Tuang)? Pengertian, Jenis, Sifat, dan Kegunaannya
- Besi Cor Nodular (Ductile Iron): Proses Nodularisasi dan Inokulasi
- Proses Annealing
- Mengenal Heat Treatment: Proses, Jenis, dan Pengaruhnya terhadap Sifat Logam
- Pemilihan Material untuk Pengecoran Logam: Besi Cor, Baja Cor, dan Paduan Aluminium
