PENCEGAHAN INKLUSI PENGOKSIDAAN SEMULA PADA PERMUKAAN BESI TUANG

PENCEGAHAN INKLUSI PENGOKSIDAAN SEMULA PADA PERMUKAAN BESI TUANG

Muhammad Nuruddin Bashah

Bc Hons Eng(Material) UM

Ramai di kalangan masyarakat awam tidak menyedari bahawa kemalangan dan kerosakan jentera, struktur besar bangunan dan sebagainya disebabkan oleh inklusi bahan asing dalam keluli tuang yang digunakan sebagai komponen sesuatu struktur.

Inklusi adalah masalah terbesar dan menyumbang kepada kerugian major dalam industri penuangan keluli dan besi. Membuang inklusi dan mengisi ruang kosong inklusi dengan pengisi kimpalan menghasilkan peningkatan kos sebanyak 20 peratus daripada keseluruhan kos pengeluaran sesuatu produk besi/keluli tuang. Besi bermaksud logam ferum yang dimasukkan unsur karbon melebihi 2 peratus manakala keluli adalah logam ferum yang hanya memiliki kandungan karbon tidak melebihi 2 peratus.

Inklusi yang mencacatkan keluli/besi tuang perlu dibuang. Kemudian, bahagian rongga kosong yang telah dibuang perlu ditampal dengan kimpalan. Kimpalan yang terlalu kerap dilakukan disebabkan terlalu banyak kecacatan inklusi boleh menyebabkan keretakan tertangguh (delay crack) selepas produk keluli digunakan. Hal inilah yang menyumbang kepada kemalangan yang cukup dahsyat walaupun produk tersebut masih berkeadan elok semasa disahkan oleh pihak kawalan kualiti (QC) pengeluar.

Terdapat banyak faktor yang menyumbang kepada kehadiran inklusi seperti hakisan dalam refrektori dalaman ladle (baldi untuk menuang besi), kandungan sanga yang terlampau banyak dalam ladle dan sebagainya, namun inklusi yang disebabkan oleh sanga pengoksidaan semula adalah bentuk inklusi yang paling kerap berlaku pada permukaan besi tuang. Selalunya inklusi ini tidak akan wujud di bahagian tengah dalam besi tuang sebaliknya muncul pada permukaan sahaja.

Inklusi pengoksidaan semula timbul dan melekat pada permukaan atas besi tuang

Hasil pengoksidaan semula adalah ringan berbanding besi cair, ia akan terapung dan melekap pada permukaan atas besi tuang sahaja selepas acuan pasir dibuka.

Kaji selidik ke atas beberapa kilang fondri mendapati bahawa hampir 83 peratus masalah inklusi ini berlaku pada keluli tuang rendah karbon atau keluli tuang rendah aloi, manakala hampir 48 peratus pula berlaku pada keluli aloi tinggi dan keluli tahan karat. Pengoksidaan semula ditakrifkan sebagai tindakbalas unsur dalam keluli atau besi dengan oksigen semasa proses penuangan daripada ladle ke dalam acuan pasir. Keluli yang dituang telah dinyah oksigen terlebih dahulu. Oksigen boleh hadir daripada atmosfera, bahan refrektori ladle, sanga daripada relau atau ladle ataupun oksigen daripada ruang kosong (cavity) acuan pasir. Disebabkan iklim Malaysia yang menerima hujan sepanjang tahun, kadar kelembapan juga tinggi dan menyebabkan udara lembap beserta oksigen mampu terperangkap dicelahan ruang acuan pasir. Atmosfera adalah punca utama kehadiran oksigen yang terperangkap dalam keluli lebur semasa penuangan, oleh itu menghadkan pendedahan keluli tuang terhadap udara luar semasa penuangan adalah suatu yang amat penting.

Liang Wang dan Prof. Christoph Beckermanndaripada Jabatan Mekanikal, University of Iowa menyatakan dalam tulisan mereka, majoriti masalah inklusi akibat pengoksidaan semula mudah dikesan melalui mata kasar kerana ia boleh didapati pada permukaan atas besi tuang terutama sekitar penaik (riser). Kebanyakan inklusi berdiameter sekitar 2 mm dan mengandungi kandungan 34 peratus aluminum oksida, 46 peratus silikon oksida dan 20 peratus mangan oksida serta lain-lain oksida yag wujud. Bentuk iklusi adalah bundar dan menunjukkan ia adalah berbentuk cecair semasa pembentukan inklusi berlaku. Tambah buruk kehadiran inklusi ini juga disertakan dengan kemunculan rongga-rongga gas seperti rongga oksigen dan nitrogen yang merosakkan permukaan atas besi tuang.

Jika inklusi yang berkepekatan tinggi ia akan menjadi seperti sanga yang rapuh dan ia muncul dalam mikrostruktur besi (dalaman besi tuang). Tetapi jika inklusi ini berkepekatan rendah, ia tidak menyerupai sanga (walaupun komposisi sanga dan inklusi pengoksidaan adalah sama) dan akan muncul hanya pada permukaan besi tuang. Namun begitu jika terjadi gelora (turbulence) semasa penuangan besi lebur (disebabkan tatacara/setting yang tidak baik) inklusi berkepekatan renah mampu muncul pada mikrostruktur atau dalaman besi tuang. Kadangkala berlaku sedikit tindakbalas endotermik menyebabkan kandungan grafit (karbon) dalam keluli bertindak balas dengan logam oksida inklusi yang menghasilkan pula lubang udara karbon monoksida CO. Disebabkan itulah inklusi pengoksidaan semula disertakan dengan kemunculan rongga udara.

Jika anda menggunakan analisa SEM, kawasan yang mengalami kecacatan inklusi pengoksidaan semula akan memiliki kandungan unsur-unsur Karbon, Oksigen, Magnesium, Aluminum, Silikon, Kalsium(daripada bahan fluks yang teroksida), Kromium, Mangan, Ferum dan Zirkonium. Kandungan zirkonium oksida muncul apabila pengoksidaan (eksotermik) berlaku semula selepas bahan zirkonium dimasukkan ke dalam ladle untuk menghapuskan oksigen.

Rajah dibawah menunjukkan peratusan unsur oksida berdasarkan kawasan.

	A	B	C
FeO	57.03%	100%	52.22%
MnO	2.49%		2.01%
SiO2	40.48%		45.77%

Berdasarkan laporan World Foundry Organization pada tahun 2005, inklusi boleh dikenalpasti kandungannya berdasarkan teknik SEM (Scanning Electron Microscope). Berdasarkan analisa pada 500 kes inklusi, masalah pengoksidaan semula dikenalpasti sebagai punca kepada 83 peratus masalah inklusi.

Jika anda perhatikan graf di bawah, bahan-bahan acuan pasir menyumbang kepada 14 peratus kepada kehadiran inklusi kepada besi lebur. Lembapan pada permukaan dalaman acuan yang dicat dengan cat tahan haba mungkin menyebabkan tindakbalas yang menghasilkan inklusi, sanga dan kecacatan. Kandungan alkohol isopropana (IPA) dalam cat yang berlebihan mampu menceraikan pasir yang diikat dengan bahan fenol alkali dan mengakibatkan inklusi pasir pada permukaan besi tuang. Jika kita mengecat permukaan dalam acuan tanpa membakarnya dengan cepat, IPA dalam cat mampu menyerap jauh ke dalam acuan pasir dan menghasilkan acuan yang poros dan bermasalah. Dalam graf juga menunjukkan hanya 1 peratus sahaja inklusi disebabkan oleh bahan refrektori dalam ladle yang mungkin terhakis semasa penuangan besi ke dalam acuan.

Peratusan faktor-faktor yang boleh menyebabkan masalah inklusi

Bagaimana tindakbalas pengoksidaan berlaku? Semasa proses perleburan dan penuangan logam akan bertindak balas dengan oksigen. Dengan adanya proses suntikan oksigen untuk penurunan karbon dalam leburan besi, kandungan oksigen bebas yang meningkat dalam besi lebur yang akan bertindak balas dengan unsur dalam besi bila-bila masa sahaja selepas itu.

Pengoksidaan (Oxidation) adalah satu proses eksotermik. Maksud eksotermik adalah haba akan dilepaskan sepanjang proses tersebut. Ia adalah proses spontan yang berlaku dalam keadaan beroksigen dan mudah berlaku semasa proses penurunan suhu berlaku.

Oksigen yang menjadi oksida logam akan bercampur dengan sanga dan akan terapung dalam ladle yang boleh dielakkan daripada memasuki acuan pasir.

Akan tetapi masih terdapat banyak oksigen bebas dalam leburan besi yang boleh menghasilkan pengoksidaan semula semasa proses penuangan atau penyejukan besi dalam acuan selepas itu. Hal inilah yang menyumbang kepada gejala inklusi tersebut.

Semasa proses penuangan (tapping process), para pelebur akan memasukkan aloi Ferum Silikon Zirkonium (FeSiZr), logam aluminum hampir tulen (Al) dan aloi Fero silikon (FeSi) sebagai penindak penghapusan gas (degasifier). Aluminum juga bertindak selaku penghalus taburan butir (grain refiner) yang menghasilkan mikrostruktur besi yang lebih baik. Proses menambah aloi ini dikenali sebagai proses penurunan yang hanya berlaku dalam kondisi endotermik dalam keadaan haba dan suhu meningkat.

Selepas proses penurunan, besi lebur wajib dituang ke dalam acuan secepat mungkin untuk mengelakkan tindakbalas eksotermik pula (suhu menurun, haba dibebaskan). Keadaan eksotermik akan mengakibatkan pengoksidaan semula.

Proses penuangan terlalu perlahan juga akan mengundang masalah ini kerana lebih masa sepanjang aliran besi lebur bersentuhan dengan oksigen atmosfera. Suhu besi juga akan menurun dan menyebabkan tindak balas eksotermik pula berlaku dan terhasillah logam oksida sebagai inklusi.

Perlu juga diingatkan, jarak antara muncung ladle dengan bukaan acuan pasir yang besar boleh menambah kecenderungan oksigen untuk bersentuhan dengan besi lebur seterusnya turut sama masuk ke dalam acuan pasir. Lantaran itu, para penuang besi kerap diingatkan untuk merendahkan kren dan ladle sehingga berjarak 1 kaki dengan acuan pasir untuk mengurangkan masalah oksigen ini.

Kadar lembapan dalam udara atau proses tuangan yang dilakukan dalam iklim hujan lebat boleh menyumbang kepada kehadiran lembapan melampau yang semestinya turut membawa masalah oksigen berlebihan dalam besi leburan. Para pengusaha kilang fondri perlu memikirkan kaedah menjadikan premis mereka terhalang daripada pengaruh cuaca luaran kilang.

Kini secara umumnya semua fondri menggunakan bahan eksotermik untuk menyediakan bahagian penaik. Fungsi penaik adalah sebagai kawasan besi leburan simpanan yang akan menolak besi lebur mampat ke dalam ruang acuan pasir berdasarkan hukum tarikan graviti. Jika bahan eksotermik tidak digunakan, besi yang menyejuk akan menyebabkan proses eksotermik berlaku pada besi dan pengoksidaan semula semestinya akan berlaku. Jika bahan eksotermik digunakan di sekeliling diameter penaik, bahan itu akan menyalurkan haba serta mengelakkan besi mengalami eksotermik lebih cepat. Bahan eksotermik membantu besi lebur mengekalkan kondisi endotermik sekaligus mengurangkan kecenderungan pengoksidaan semula berlaku.

Contoh bahan eksotermik yang dijadikan bahagian ‘penaik’ pada acuan pasir.

Di kawasan penaik (riser) ini akan dipasang bahan eksotermik

Kebanyakan fondri juga menggunakan pasir kromit untuk dijadikan lapisan permukaan acuan pasir untuk menghasilkan graf penurunan suhu besi yang lebih landai dan sekata. Hal ini mengurangkan penurunan suhu mendadak yang menyebabkan proses pengoksidaan semula berlaku secara pantas.

Muhammad Nuruddin Bashah