Inokulasi Pada Besi Cor

R. Widodo

Dosen Jurusan Teknik Pengecoran Logam Politeknik Manufaktur Bandung.

Umum.

Inokulasi merupakan bagian penting pada proses pembuatan besi cor berkualitas tinggi. Secara umum proses ini bertujuan untuk meningkatkan jumlah inti pembekuan sehingga dengan demikian akan meningkatkan pula jumlah grafit eutektik, mengurangi “under cooling” serta menurunkan tendensi terbentuknya struktur pembekuan putih (ledeburit).

Proses inokulasi diperlukan baik pada pembuatan besi cor kelabu maupun besi cor nodular. Walaupun inokulasi memiliki efek yang sama terhadap kedua material tersebut, namun secara spesifik masing-masing memiliki penjelasan yang agak berbeda.

Bahan inikulasi atau inokulan merupakan partikel-partikel padat ataupun unsur-unsur yang segera bersenyawa dengan O₂ serta membentuk partikel padat yang dibubuhkan kedalam cairan. Partikel-partikel ini segera akan berfungsi sebagai inti pada pertumbuhan baik grafit lamelar ataupun grafit bulat. Unsur-unsur pembentuk partikel ini dicampurkan dalam bahan pembawanya yaitu grafit (graphite based inoculants), ferrosilicon (FeSi based inoculants) atau calcium silicide (CaSi based inoculants). Bahan inokulan yang popular saat ini adalah FeSi based inoculants dengan kandungan unsur antara lain Al, Ba, Ca, Sr dan Zr.

(a)

(b)

Gambar 1. Struktur grafit pada besi cor M 100x

(a) tanpa inokulasi (b) dengan inokulasi

(Foseco Ferrous Foundryman Handbook)

Kekurangan atau bahkan tanpa proses inokulasi akan menyebabkan besi cor cenderung  membeku secara metastabil sehingga memunculkan struktur putih (ledeburit). Struktur ini keras serta memiliki machinability yang sangat buruk sehingga selalu dihindari. Sebagian unsur C yang bersenyawa dengan Fe menjadi karbida sehingga membentuk struktur ledeburit, juga mengakibatkan struktur besi cor menjadi kekurangan grafit yang secara langsung akan mengurangi tingkat pemuaian grafit sehingga meningkatkan potensi shrinkage. Walaupun karbida ledeburit dapat diuraikan menjadi grafit melalui proses heat treatment, namun hal ini hanya akan meningkatkan biaya proses.

Inokulasi pada Besi Cor Kelabu (lamelar)

Besi cor kelabu hipoeutektik, khususnya untuk diaplikasikan sebagai komponen dengan tuntutan tinggi harus diinokulasi. Efek dari inokulasi pada material ini adalah meningkatkan jumlah sel-sel eutektik yang terbentuk pada saat solidifikasi eutektik. Padas el-sel inilah terdapat grafit. Hasilnya adalah struktur eutektik yang lebih halus serta meningkatkan sifat-sifat mekanik besi cor kelabu tanpa adanya peningkatan kekerasan yang berarti.

Banyaknya sel-sel eutektik yang terbentuk juga menyebabkan pertumbuhan grafit dan austenite pada eutektik lebih cepat dari pada pertumbuhan karbida dan autenit pada eutektik yang ditunjukkan dengan semakin menipisnya undercooling kebawah suhu eutektik. Pada praktiknya ini berarti tidak akan terjadi pembekuan putih (ledeburit).

Dari analisa pembekuan besi cor hipoeutektik dapat dijelaskan, bahwa pada awal pembekuan akan terbentuk butiran kristal austenit primer dengan kandungan C maksimumnya hanya 2.06%, mengakibatkan konsentrasi unsur C dalam sisa cairan naik serta akhirnya konsentrasi eutektik (CE = 4.3%) tercapai, dimana solidifikasi eutektik seharusnya terjadi secara stabil (grafit + austenite). Namun, akibat perbedaan komposisi, ketebalan, laju pendinginan, suhu cor dan lain hal, berbagai kondisi teknis pada proses pengecoran logam tersebut tidak mampu menjamin pembekuan stabil tersebut, sehingga besi cor akan mengalami pendinginan hingga dibawah suhu eutektik yang seharusnya (under cooling), sebelum membeku. Undercooling yang kecil akan membentuk grafit tipe A, yaitu grafit lamelar acak, secara uniform. Namun bila undercooling ini semakin besar, grafit akan terbentuk secara mengelompok hingga menjadi grafit tipe B, bahkan menjadi grafit tipe D dan E yang halus dan tersebar diantara lengan-lengan dendrite (interdendritik) atau tidak terbentuk sama sekali sehingga menghasilkan karbida yang keras yang disebut dengan struktur ledeburit.

Gambar 2. Tipe grafit vs Undercooling

(Elkem Foundry Products Division)

Peran inokulasi adalah untuk menghasilkan inti-inti pembekuan grafit yang akan menyegerakan solidifikasi eutektik sehingga terjadi undercooling yang kecil saja dan menghasilkan grafit tipe A, atau pada besi cor nodular berupa grafit bulat kecil-kecil dalam jumlah banyak. Selain itu, dengan inokulasi juga dapat dilakukan pengecoran produk dengan ketebalan berbeda-beda hanya dengan satu komposisi dasar cairan saja (base material) maupun membuat besi cor dengan CE rendah sehingga menghasilkan kekuatan tarik tinggi namun memiliki kekerasan relative rendah sehingga memiliki sifat ketermesinan (machinability) tinggi.

Pada proses peleburan dengan tanur kupola, efek inokulasi didapat dari terbentuknya senyawa MnS. Banyaknya kandungan S (biasanya dibatasi sampai maksimum 0.15%) yang berasal dari bahan bakar (kokas) hanya memerlukan penambahan unsur Mn untuk menghasilkan inti yang cukup banyak. Hubungan S dengan Mn adalah sebagai berikut:

%Mn = %S x 1.7 + 0.3%

Senyawa MnS ini akan terbentuk segera pada awal solidifikasi sehingga dapat berperan sebagai inti pembentukan grafit. Tanpa Mn, unsur S akan membentuk senyawa FeS dipenghujung solidifikasi, sehingga justru akan menghambat pembentukan grafit serta menaikkan undercooling sampai dengan terjadi pembekuan putih. Bila kandungan S kurang dari 0.03% (umumnya pada proses peleburan dengan tanur induksi), jumlah senyawa MnS menjadi terlalu sedikit untuk berperan sebagai inti. Tanpa proses inokulasi tambahan, pembekuan akan menghasilkan grafit tipe D atau bahkan tidak terbentuk. Kelebihan Mn (karena S kurang) akan membentuk senyawa MnSiO2 (Mangansilikat) yang berupa terak cair yang berpotensi menjadi cacat slag inclusion.

Tabel 1: Komposisi ferrosilicon inoculants untuk besi cor (ASM Metals Handbook vol 15)

Inokulasi pada Besi Cor Nodular

Pembubuhan FeSiMg (didalamnya terkadung unsur Cer) untuk menghasilkan grafit bulat memiliki efek karbidisasi, mengingat Mg dan Cer adalah unsur-unsur pembentuk karbida yang kuat. Oleh karenanya proses inokulasi pada pembuatan Besi Cor Nodular, untuk menghindari terbentuknya struktur ledeburit, menjadi suatu keharusan, walaupun komposisi bahan telah memiliki CE yang tinggi.

Sebagaimana pada besi cor lamelar, bahan inokulasi yang digunakan adalah paduan kaya silicon (ferrosilicon). Sebagian besar inokulan untuk besi cor juga dapat digunakan untuk besi cor nodular. Unsur-unsur minor seperti Al, Ca, Bad an Sr sebagai unsur pembentuk partikel oksida, merupakan kandungan penting untuk menghasilkan efek inokulasi. Namun demikian khususnya inokulan yang mengandung Sr (strontium) tidak disarankan untuk digunakan pada besi cor nodular yang mengandung Mg dan Cer sekaligus, namun justru sangat efektif bila  digunakan pada besi cor nodular hanya mengandung Mg saja.

Gambar 3. Jumlah grafit bulat vs inokulasi

(ASM Metals Hanbook vol 15)

Efek yang dihasilkan oleh inokulasi terhadap besi cor nodular antara lain:

1. Mengurangi (menghilangkan) efek chill (pembekuan putih) dan motlle (campuran ledeburit/perlit).
2. Meningkatkan keuletan (grafit bulat kecil-kecil namun banyak).
3. Mencapai kekuatan maksimum untuk struktur yang dikehendaki.
4. Mencegah retak ataupun patah saat pemotongan saluran (knocking)

Gambar 4 memperlihatkan struktur besi cor nodular dengan kondisi inokulasi baik dan buruk. Gambar paling kiri merupakan struktur dari besi cor nodular tipis dan tebal yang mendapat perlakuan inokulasi dengan baik sehingga bebas dari struktur ledeburit. Gambar tengah memperlihatkan struktur besi cor yang mengandung karbida intra sel (intercelular) sebagai akibat dari inokulasi yang kurang baik, pendinginan cepat dan segregasi unsur-unsur stabilisator karbida. Sedangkan gambar paling kanan memperlihatkan besi cor nodular yang mengalami efek chill (pembekuan putih) sehingga sebagian besar strukturnya adalah struktur karbida (ledeburit)

Gambar 4. Struktur besi cor nodular dan pengaruh inokulasi

(Elkem Foundry Products Division)

Metode Inokulasi.

Inokulasi merupakan bagian penting pada pembuatan besi cor berkualitas, khususnya besi cor kelabu dengan kekuatan tarik tinggi dan juga besi cor nodular. Pengendalian maupun kecermatan/ ketepatan proses menjadi suatu keharusan untuk mencapai hasil yang memuaskan. Prinsipnya adalah, bahan inokulasi (inokulan) harus dapat tercampur secara homogen dengan cairan. Sehingga dengan demikian inokulan harus dapat ikut bersama dengan curahan cairan kedalam ladel baik pada saat pada saat taping (furnace to ladle) atau pada saat pemindahan dari ladel utama keladel penuang (ladle to ladle). Bahkan pada perkembangan selanjutnya inokulasi dilakukan pada penghujung proses yaitu pada saat penuangan (ladle to mold).

Untuk kasus dimana inokulasi kedalam ladel tidak dapat dilakukan bersama dengan curahan, maka inokulasi lanjut (late ataupun post inoculation) menjadi pilihan. Inokulan ditaburkan kepermukaan cairan dan kemudian diaduk hingga merata kedalam cairan. Proses inokulasi cara ini menuntut permukaan cairan yang bersih (bebas) dari terak, suhu yang cukup untuk melarutkan bahan inokulan serta umumnya dilakukan sebagai inokulasi tambahan apabila efek yang dihasilkan dari inokulasi sebelumnya telah berkurang (fading effect). Gambar 5 merupakan bagan dari berbagai proses inokulasi menurut J.N. Harvey dan G.A. Noble pada presentasinya di 55^th Indian Foundry Congress 2007.

Gambar 5. Bagan Metode Inokulasi

(J.N. Harvey dan G.A. Noble)

Menurut Harvey dan Noble, inokulasi dapat dilakukan di atau kedalam transfer ladle, pouring ladle, bersama dengan curahan cairan saat pouring atau diletakkan didalam mold (inmold inoculation). Untuk inokulasi didalam ladel digunakan bahan inokulan dengan ukuran partikel 0.5-15 mm sebanyak 0.3-1% tergantung dari suhu tapping maupun holding time setelahnya. Sedangkan bila inokulasi dilakukan bersama curahan cairan dibutuhkan bahan inokulan berukuran partikel 0.2-0.7 mm sebanyak 0.05-0.2%. Untuk inmold inoculation biasanya digunakan bahan inokulan berbentuk briket yang ditanam dalam kantung inokulasi pada saluran terak (runner).

Penurunan efek inokulasi (fading of inoculation)

Inokulan memiliki efek maksimum segera sesaat setelah proses inokulasi berlangsung, kemudian efek tersebut akan menurun terus sampai akhirnya hilang sama sekali. Laju dari penurunan efek ini tergantung dari komposisi bahan inokulan yang digunakan maupun kondisi cairan yang diinokulasi (suhu dan komposisi).

Penurunan efek inokulasi akan mengakibatkan:

1. Undercooling membesar sehingga meningkatkan kecenderungan terjadinya pembekuan putih.
2. Mengurangi jumlah pertumbuhan sel eutektik sehingga mengakibatkan grafit terbentuk tidak unform serta menurunkan kekuatan mekanik.
3. Sedikitnya sel eutektik juga mengakibatkan sedikitnya jumlah grafit yang terjadi sehingga ukuran masing-masing grafit menjadi besar.

Mengingat masing-masing bahan inokulan maupun kondisi cairan mengakibatkan laju penurunan efek yang berbeda-beda, maka dianjurkan untuk melakukan pengujian awal tentang efek ini pada suatu proses peleburan dengan menggunakan bahan inokulan tertentu. Penurunan efek inokulasi juga dapat dikoreksi dengan melakukan inokulasi susulan (post inoculation) kedalam pouring ladle, pada saat sisa cairan dalam ladle masih banyak serta suhu cukup sementara efek dirasakan sudah berkurang terlalu banyak.

Gambar 6. Penurunan efek inokulasi pada Besi Cor Nodular

(ASM Metals Hanbook vol 15)

Cacat akibat inokulasi.

Pemberlakuan proses inokulasi pada pembuatan besi cor baik lamelar maupun nodular perlu dilakukan dengan berbagai pertimbangan dan perhitungan yang cermat, agar diperoleh hasil yang memuaskan tanpa diikuti dengan dampak negative berupa cacat coran.

Beberapa cacat yang mungkin muncul akibat dari proses inokulasi antara lain:

1. Penurunan grade.

Proses inokulasi, khususnya dengan menggunakan inokulan berbasis ferrosilicon (FeSi) akan memberikan kandunngan Si yang cukup besar. Kenaikan kandungan Si ini dapat mengakibatkan komposisi bahan tidak sesuai dengan tebal dinding produk, mengingat grade besi cor baik lamelar maupun nodular sangat ditentukan oleh kesesuaian komposisi (C dan Si) dengan ketebalan diding produk dimana grade tersebut harus tercapai.

1. Shrinkage.

Banyaknya jumlah sel eutektih hasil proses inokulasi mengakibatkan jumlah grafit yang terbentuk juga semakin banyak. Sebagaimana diketahui, pertumbuhan grafit pada pembekuan besi cor akan mengakibatkan terjadinya pemuaian. Banyaknya jumlah grafit yang tumbuh akan mengakibatkan pemuaian yang dapat lebih besar dari susut kristal logamnya sehingga justru mengakibatkan pemuaian yang memberikan tekanan yang besar kesemua arah. Cetakan greensand, khususnya bila memiliki pemadatan kurang baik akan terdesak dan mengakibatkan modul benda menjadi lebih besar serta menuntut feeding yang lebih banyak. Dengan demikian rancangan feeding system perlu untuk ditijau kembali.

1. Gas/slag inclusion.

Setiap pembubuhan bahan paduan kedalam cairan berisiko terbentuknya gas dan atau slag sebagai produk samping dari reaksinya dengan cairan. Jumlah gas/slag yang terbentuk tergantung dari kualitas bahan inokulan, sedangkan waktu pembentukannya tergantung dari suhu cairan, jenis bahan inokulan dan komposisi cairan. Pada prinsipnya, gas/slag terbentuk perlu mendapatkan waktu untuk menyelesaikan prosesnya serta naik kepermukaan cairan sehingga mudah untuk dikendalikan dan tidak terbawa aliran cairan masuk kedalam cavity saat penuangan.

Dari berbagai sumber.