Cakram rem mobil, blok mesin, alas mesin bubut, dan tutup manhole di jalan punya satu kesamaan: semuanya biasa dibuat dari besi cor kelabu. Besi cor kelabu adalah besi cor yang sebagian besar karbonnya berbentuk serpih grafit. Namanya berasal dari warna patahannya yang abu-abu kusam, karena retakan merambat di sepanjang serpih grafit itu. Besi cor kelabu adalah jenis besi cor yang paling banyak diproduksi di dunia: murah, mudah dicor, mudah dimesin, dan sangat baik meredam getaran. Kelemahannya juga berasal dari serpih grafit yang sama, yaitu getas dan lemah bila ditarik.
Artikel ini membahas struktur mikro, kelas dan standar, sifat, cara pengecoran, dan penggunaan besi cor kelabu. Gambaran umum kelima jenis besi cor ada di artikel apa itu besi cor.
Komposisi dan Karbon Ekuivalen
Besi tuang kelabu umumnya mengandung:
| Unsur | Kisaran umum | Peran |
|---|---|---|
| Karbon (C) | 2,5–4,0% | Sumber grafit |
| Silikon (Si) | 1,0–3,0% | Mendorong karbon membentuk grafit, bukan karbida |
| Mangan (Mn) | 0,2–1,0% | Mengikat belerang dan memperkuat perlit |
| Fosfor (P) | Maksimum sekitar 0,2% | Menaikkan mampu alir, tetapi menambah getas |
| Belerang (S) | Maksimum sekitar 0,15% | Diikat mangan agar tidak merusak |
Karbon dan silikon dibaca bersama sebagai karbon ekuivalen (CE):
CE = %C + (%Si + %P) / 3
Pada CE 4,3% besi berada di titik eutektik dan membeku pada satu suhu, sehingga paling mudah dicor. Kebanyakan besi cor kelabu dibuat sedikit di bawahnya. Makin tinggi CE, makin banyak grafit dan makin mudah dicor, tetapi kekuatannya turun. Makin rendah CE, makin kuat besinya, tetapi bagian tipis lebih mudah berubah menjadi besi cor putih yang keras dan getas.
Struktur Mikro Besi Cor Kelabu
Struktur mikro besi cor kelabu terdiri dari dua bagian: serpih grafit dan matriks logam di sekelilingnya.
Bentuk Serpih Grafit
Standar ASTM A247 membagi susunan serpih grafit menjadi lima tipe:
- Tipe A: serpih tersebar merata dengan arah acak. Inilah bentuk yang diinginkan untuk sebagian besar komponen.
- Tipe B: serpih bergerombol membentuk roset, biasanya karena pendinginan agak cepat.
- Tipe C: serpih besar dan kasar, muncul pada besi hipereutektik (CE di atas 4,3%).
- Tipe D: serpih halus di antara dendrit, akibat pendinginan cepat atau inokulasi yang kurang.
- Tipe E: serpih halus berjajar di antara dendrit, khas besi dengan CE rendah.
Tipe D dan E sering disertai ferit di sekitarnya, sehingga kekuatan dan ketahanan ausnya turun.
Matriks
Matriks di sekeliling grafit bisa berupa:
- Perlit: lebih kuat dan tahan aus. Dipakai untuk kelas FC250 ke atas, cakram rem, dan blok mesin.
- Ferit: lunak dan mudah dimesin, tetapi kekuatannya rendah.
- Campuran ferit dan perlit: paling umum pada kelas rendah sampai menengah.
Pengaruh Tebal Dinding
Struktur mikro besi cor kelabu sangat bergantung pada laju pendinginan. Bagian yang tipis mendingin cepat dan bisa membentuk karbida di tepinya (chill), yang terlalu keras untuk dimesin. Bagian yang tebal mendingin lambat, sehingga serpih grafitnya kasar, matriksnya lebih banyak ferit, dan kekuatannya turun. Akibatnya, satu coran yang tebal dindingnya beragam bisa punya kekuatan yang berbeda dari satu tempat ke tempat lain. Prinsip menjaga tebal dinding tetap merata dibahas di artikel design for castability.
Kelas dan Standar Besi Cor Kelabu
Kelas besi cor kelabu ditentukan oleh kekuatan tarik minimum, yang diuji pada batang uji yang dicor terpisah (biasanya berdiameter 30 mm). Tiga standar yang paling sering ditemui:
| ASTM A48 (Amerika) | JIS G5501 (Jepang) | EN 1561 (Eropa) | Kekuatan tarik minimum |
|---|---|---|---|
| Class 20 | FC150 | EN-GJL-150 | Sekitar 140–150 MPa |
| Class 30 | FC200 | EN-GJL-200 | Sekitar 200–210 MPa |
| Class 35 | FC250 | EN-GJL-250 | Sekitar 240–250 MPa |
| Class 40–45 | FC300 | EN-GJL-300 | Sekitar 280–300 MPa |
| Class 50 | FC350 | EN-GJL-350 | Sekitar 345–350 MPa |
Padanan di tabel ini bersifat perkiraan karena cara uji tiap standar berbeda. Angka pada kelas ASTM menunjukkan kekuatan tarik minimum dalam ribuan psi (Class 30 berarti 30.000 psi), sedangkan angka pada JIS dan EN menunjukkan MPa.
Di Indonesia, sebutan FC200 dan FC250 paling sering dipakai di gambar kerja dan penawaran pengecoran, karena banyak industri mengikuti standar Jepang. FC200 dipakai untuk komponen umum seperti rumah pompa dan pemberat, sedangkan FC250 untuk komponen yang lebih berat bebannya seperti blok mesin, roda gigi besar, dan cakram rem.
Sifat Besi Cor Kelabu
Kelebihan:
- Peredam getaran terbaik di antara logam teknik. Serpih grafit menyerap energi getaran, jauh lebih baik daripada baja. Karena itu alas mesin perkakas dibuat dari besi cor kelabu agar hasil pemotongan halus.
- Konduktivitas panas tinggi. Serpih grafit yang saling terhubung mengalirkan panas dengan baik, sehingga cakram dan tromol rem tidak cepat panas berlebih dan tidak mudah retak termal.
- Mudah dimesin. Grafit berfungsi sebagai pelumas dan memutus geram, sehingga pemotongan cepat dan pahat awet.
- Kuat tekan tinggi, sekitar tiga sampai empat kali kekuatan tariknya. Cocok untuk alas, rangka, dan penopang.
- Tahan aus, terutama yang bermatriks perlit, karena grafit menahan pelumas di permukaan geser. Inilah alasan besi cor kelabu dipakai untuk silinder liner.
- Murah dan mudah dicor. Titik leburnya rendah (sekitar 1.150–1.200 °C) dan mampu alirnya baik.
Kekurangan:
- Getas. Regangan sebelum patah kurang dari 1%. Ujung serpih grafit yang tajam memusatkan tegangan dan menjadi titik awal retak.
- Lemah dalam tarik dan tidak tahan beban kejut.
- Sulit dilas. Pemanasan dan pendinginan lokal mudah membentuk besi cor putih yang retak. Perbaikan tetap mungkin dengan pemanasan awal dan elektroda nikel, seperti dibahas di artikel pengelasan perbaikan hasil pengecoran.
- Sifatnya bergantung pada tebal dinding, seperti dijelaskan di bagian struktur mikro.
Proses Pengecoran Besi Cor Kelabu
Besi cor kelabu dilebur di tungku kupola atau tungku induksi. Kupola murah untuk volume besar, sedangkan tungku induksi lebih mudah dikendalikan komposisinya. Perbandingannya ada di artikel jenis tungku peleburan. Suhu tuangnya umumnya 1.350–1.450 °C, bergantung pada tebal dinding.
Tiga hal yang membedakan pengecoran besi cor kelabu dari logam lain:
- Inokulasi. Sesaat sebelum atau selama penuangan, ferosilikon yang mengandung sedikit kalsium, barium, atau stronsium ditambahkan (sekitar 0,1–0,4% dari berat logam). Inokulan memperbanyak titik tumbuh grafit, sehingga serpih tipe A terbentuk merata dan karbida di bagian tipis tidak muncul. Efeknya memudar dalam beberapa menit, jadi logam harus segera dituang.
- Penyusutan kecil. Grafit yang terbentuk saat pembekuan memuai dan mengimbangi penyusutan logam. Besi cor kelabu yang mendekati eutektik hanya butuh riser kecil, bahkan kadang tanpa riser, asalkan cetakannya cukup kaku. Dasar menghitung riser ada di artikel cara menghitung riser.
- Mampu alir tinggi. Besi cor kelabu mengisi dinding tipis dan detail halus dengan baik, seperti dijelaskan di artikel fluiditas logam cair.
Kebanyakan coran besi kelabu dibuat dengan cetakan pasir, terutama green sand untuk produksi massal.
Penggunaan Besi Cor Kelabu
| Bidang | Komponen | Alasan memakai besi cor kelabu |
|---|---|---|
| Otomotif | Cakram dan tromol rem, blok mesin, kepala silinder, silinder liner, rumah kopling | Konduktivitas panas, tahan aus, peredam getaran |
| Mesin perkakas | Alas mesin bubut dan frais, meja mesin, rangka | Peredam getaran, stabil ukurannya, kuat tekan |
| Pompa dan katup | Rumah pompa, badan katup tekanan rendah, impeler | Mudah dicor dalam bentuk rumit, murah |
| Infrastruktur | Tutup manhole, kisi saluran air, tiang lampu | Kuat tekan, murah, tahan cuaca |
| Rumah tangga | Wajan, panggangan, kompor tungku | Menyimpan dan meratakan panas |
| Lain-lain | Pemberat (counterweight), roda gila, puli | Murah, padat, mudah dimesin |
Contoh penerapannya di pabrik komponen kendaraan dibahas di artikel studi kasus pengecoran logam di industri otomotif.
Besi Cor Kelabu, Nodular, dan Mampu Tempa
Ketiga besi cor ini punya komposisi yang mirip. Perbedaan utamanya adalah bentuk grafit, dan bentuk grafit itulah yang menentukan apakah besi tersebut getas atau ulet.
| Sifat | Besi cor kelabu | Besi cor nodular | Besi tuang mampu tempa |
|---|---|---|---|
| Bentuk grafit | Serpih | Bulat (nodul) | Gumpalan karbon temper |
| Cara terbentuk | Langsung saat membeku | Perlakuan magnesium sebelum dituang | Anil dari besi cor putih |
| Kekuatan tarik | 100–350 MPa | 350–900 MPa | 300–800 MPa |
| Regangan | Kurang dari 1% | 2–22% | 1–18% |
| Peredam getaran | Sangat baik | Sedang | Sedang |
| Konduktivitas panas | Tinggi | Sedang | Sedang |
| Biaya | Paling murah | Sedang | Lebih mahal (anil panjang) |
Kalau komponen harus menahan beban tarik, kejut, atau tekukan, besi cor nodular hampir selalu menjadi pilihan. Pembahasannya ada di artikel besi cor nodular dan besi tuang mampu tempa. Perbandingan besi cor dengan baja cor dan paduan aluminium ada di artikel pemilihan material untuk pengecoran logam.
Perlakuan Panas Besi Cor Kelabu
Besi cor kelabu jarang dikeraskan secara menyeluruh, tetapi beberapa perlakuan panas umum dipakai:
- Pelepasan tegangan pada sekitar 500–600 °C, lalu didinginkan perlahan di tungku. Dipakai untuk alas mesin dan komponen presisi agar ukurannya tidak berubah setelah dimesin.
- Anil ferit pada sekitar 700–790 °C untuk mengubah perlit menjadi ferit, sehingga besi lebih lunak dan mudah dimesin. Kekuatannya ikut turun. Dasar prosesnya dibahas di artikel proses annealing.
- Pengerasan permukaan dengan induksi atau nyala api pada besi bermatriks perlit, untuk jalur luncur mesin dan permukaan geser lainnya.
Gambaran umum jenis perlakuan panas ada di artikel mengenal heat treatment.
FAQ
Apa itu besi cor kelabu? Besi cor kelabu adalah besi cor dengan kandungan karbon sekitar 2,5–4% yang sebagian besar karbonnya berbentuk serpih grafit. Patahannya berwarna abu-abu, sehingga disebut kelabu. Dalam bahasa Inggris disebut gray cast iron atau grey cast iron.
Apa beda besi cor kelabu dan besi cor putih? Pada besi cor kelabu, karbon membentuk grafit. Pada besi cor putih, karbon terikat sebagai karbida besi (sementit), sehingga besinya sangat keras, getas, dan patahannya berwarna putih terang. Besi cor putih terbentuk bila pendinginan terlalu cepat atau silikonnya terlalu rendah.
Apa beda FC200 dan FC250? Keduanya kelas besi cor kelabu menurut standar Jepang JIS G5501. Angkanya menunjukkan kekuatan tarik minimum dalam MPa: FC200 minimal sekitar 200 MPa dan FC250 minimal sekitar 250 MPa. FC250 biasanya bermatriks lebih banyak perlit dan dipakai untuk komponen yang lebih berat bebannya.
Mengapa cakram rem dibuat dari besi cor kelabu? Karena besi cor kelabu menghantarkan panas dengan baik, tahan aus, meredam getaran dan bunyi decit, serta murah. Cakram rem untuk kendaraan berperforma tinggi kadang memakai besi cor kelabu berkarbon tinggi atau material keramik.
Apakah besi cor kelabu bisa dilas? Bisa, tetapi sulit. Komponen perlu dipanaskan awal, dilas dengan elektroda berbasis nikel, lalu didinginkan perlahan untuk mencegah retak. Untuk komponen yang sering harus dilas, besi cor nodular atau baja cor lebih cocok.
Baca Juga
- Apa Itu Besi Cor (Besi Tuang)? Pengertian, Jenis, Sifat, dan Kegunaannya
- Besi Cor Nodular (Ductile Iron): Proses Nodularisasi dan Inokulasi
- Besi Tuang Mampu Tempa: Pengertian, Jenis, Sifat, dan Kegunaannya
- Jenis Tungku Peleburan untuk Pengecoran Logam: Induksi, Kupola, dan Busur Listrik
- Cetakan Pasir: Jenis Pasir, Bagian, dan Cara Pembuatannya
