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

Apakah rahsia pembuatan keluli pada pedang Damsyik?

Disiar dalam Dewan Kosmik April 2011

Apakah rahsia pembuatan keluli pada pedang Damsyik?

Muhammad Nuruddin Bashah

Bc Hons Eng UM

Sebenarnya kekuatan tentera Mamluk pimpinan Salahuddin tidak terletak kepada kepimpinan Salahuddin semata-mata, tetapi ia melibatkan kekuatan teknologi ketenteraan pada waktu itu yang melebihi kekuatan teknologi dunia Barat.

Daripada banyak teknologi ketenteraan yang dirintis oleh dunia Islam pada waktu itu, terdapat satu teknologi yang sehingga sekarang tidak dapat dirungkai dengan terperinci oleh saintis dari Barat iaitu teknologi pembuatan Pedang Damsyik!

Kota Damsyik yang kini ibu negara Syria (negara Sham) turut terkenal dengan peralatan pedang hinggakan Suyuf ad Damasy atau pedang Damsyik pernah disebut dalam kitab Al-Kindi.

Di Barat, keluli Damsyik (damascus steel) menjadi lambang mutu peralatan pisau dan pedang yang terbaik pembuatannya di dunia sehingga hari ini, malah senapang lama dua laras buatan tangan masih kekal dengan gelaran laras damascus.

Warisan seni pertukangan logam di Damsyik melalui proses evolusi yang panjang sebelum tiba ke kemuncak kegemilangannya. Al Kindi ada menyatakan hasil gabungan dua jenis keluli yang mulur dan keras menjadikan struktur keluli Damsyik kuat. Huraian teknik kimpalan hentaman yang diceritakan oleh Al Kindi akan dibahaskan di bawah.

Ketajaman mata Pedang Damsyik tidak boleh disangkal lagi. Seorang sejarahwan pernah berkata, jika kain sutera jatuh ke mata Pedang Damsyik, maka akan terputus dualah kain tersebut kerana ketajaman Pedang tersebut.

Contoh corak keluli Damsyik

Ketajaman Pedang Damsyik ini turut digeruni oleh tentera-tentera salib pimpinan Richard the Lionheart. Ini kerana pedang ini mampu menembusi perisai dan baju besi milik mereka. Bahkan, pedang ini mampu mematahkan pedang mereka dengan sekali hayunan. Ketajaman Pedang Damsyik merupakan salah satu sebab kemenangan besar Islam dalam siri-siri peperangan Salib itu.

Dalam satu peristiwa, Salahuddin telah memenggal kepada Raynald de Chatillon akibat perbuatan kejinya yang membunuh ratusan orang Islam dan Yahudi yang tidak bersalah. Salahuddin yang terkenal adilnya telah mencantas kepala Raynald de Chatillon dengan pedang miliknya yang diperbuat daripada besi Damsyik itu ibarat memotong roti.

Di sebalik ketajaman mata Pedang Damsyik tersembunyi 1001 rahsia. Cara pembuatan Pedang Damsyik yang sebenar telah lupus ditelan zaman. Ramai mempercayai bahawa cara pembuatan tersebut lupus disebabkan sikap tukang besi yang enggan mewariskan cara pembuatannya kepada umum tetapi hanya kepada saudara terdekatnya sahaja. Sebenarnya, tukang besi terpaksa bersikap demikian bagi menjaga ketulenan pembuatannya dan menjaga teknologinya daripada tersebar kepada pihak musuh terutamanya golongan Kristian di Eropah.

Dikatakan bahawa cara pembuatan beransur-ansur lupus selepas serangan besar-besaran puak Mongul ke atas kerajaan Islam di Baghdad pada 1258M. Selepas itu, ia beransur-ansur hilang sehinggalah pada abad ke-18, ia lupus dari dunia Islam. Umat Islam sekarang hanya dapat mengetahui kehebatan Pedang Damsyik melalui buku-buku tulisan ahli bijak pandai Islam zaman silam sahaja.

Menurut sarjana terkenal Islam, Al-Qalqashandi, beliau menyatakan dalam bukunya, Subh al-A’sha (Fajar yang Buta) bahawa Damsyik merupakan pusat pembuatan besi dan peralatan perang yang termashyur terutama dalam pembuatan pedang Damsyik pada abad ke-12. Ketika itu Damsyik di bawah pengaruh Dinasti Ayubbiyah.

Seorang lagi sarjana Islam iaitu Ibnu Asakir dalam buku berjudul Al-tarikh Madinahtul Damsyik (Sejarah Kota Damsyik) turut sama menyatakan bahawa Damsyik merupakan kota pembuatan pedang yang tersohor di Timur Tengah.

Ahmad Y al-Hassan dan Donald R Hill dalam bukunya bertajuk Islamic Technology: An Illustrated History menyatakan salah satu faktor penting yang membuat pasukan tentera Muslim begitu kuat dan hebat adalah disebabkan persenjataan yang lengkap dan canggih pada zamannya seperti pedang, tombak, panah, perisai dan tongkat kebesaran. Salah satu jenis pedang yang ternama digelar Scimitar lengkung. Pedang ini kerap kali disebut sebagai senjata khas umat Muslim yang pertama kali dipakai pada abad ke-8 H atau ke-14 M. Selain itu, pedang lurus Abbasiyah, yang pada bilahnya tertulis abad ke-9 M, juga merupakan jenis pedang yang paling banyak digunakan di negeri-negeri Islam pada abad pertengahan.

Selain pedang, senjata utama pasukan tentera Muslim adalah tombak. Menurut al-Hassan, tombak merupakan alat perang yang sangat banyak digunakan di dunia Islam. Salah satu tombak dengan kepala yang berukir dari Parsi ditemui sekitar abad ke-8 M. Tombak itu, kini berada di Museum Victoria dan Albert, London. Tombang yang diberi nama Qanat ini adalah tombang yang menggunakan keluli Damsyik.

Namun sayangnya, seni membuat pisau mahupun senjata-senjata hebat ini semakin pupus semenjak tahun 1800-an. Bahkan di negara asalnya (Syiria) juga sukar ditemui ahli pandai besi yang asli. Hal ini menjadikan orang Barat semakin berusaha meneliti rahsia membuatnya serta sebab musabab kaum Syria kian melupakan tradisi hebat nenek moyang mereka.

Awal tahun 1824, Jean Robert Breant dari Perancis, dan kemudiannya, Pavel Anosoff dari Rusia mengumumkan kejayaan mereka dalam menguak tabir pandai besi orang Islam. Malah mereka berdua menghebahkan mampu membuat replika pedang atau pisau Damsyik yang asli. Dalam abad ini, kajian lain juga diketengahkan oleh Jeffrey Wadsworth dan Oleg D. Sherby. Akan tetapi setelah diteliti secara mendalam, hasilnya tidak terlalu menjengah hakikat sebenar. Kini kajian terbaru dikemukakan oleh John D. Verhoeven, Profesor Emeritus Sains Bahan di Iowa State University, Amerika Syarikat, yang dibantu oleh metalurgis Florida, Alfred H. Pendray.

Menurut Oleg D Sherby dan Jeffery Wardsworth dalam tulisan mereka yang diterbitkan Journal of Material Processing (USA), sebenarnya pedang hebat ini bukan berasal daripada bumi Syria sebaliknya dari Parsi. Menurut mereka, kesilapan ahli sejarah yang hanya menjumpai pedang ini di pasar-pasar Syria menyebabkan mereka tidak menyedari bahawa Parsi terlebih awal mencipta teknologi ini hasil hubungan erat dengan kerajaan-kerajaan di India. Sarjana Islam ramai mengakui bahan mentah untuk membuat pedang istimewa diimpot dari Sarandib yang kini berada dalam wilayah Sri Langka.

Struktur ultra halus bundar di sebelah kiri dan struktur ultra halus berlapisan (lamellar)

Sumber untuk melakukan keluli damsyik adalah daripada bahan mentah yang dikenali sebagai keluli bilet wootz yang berasal dari benua India. Keluli ini dikenalpasti hanya melalui mikrostruktur lapisan jaluran karbida di celahan matriks struktur martensit dan pearlit. Ia dibangunkan di India sejak 300 sebelum Masihi. Istilah ‘wootz’ dikatakan berasal daripada istilah urukku dalam bahasa tamil dan Malayalam, manakala istilah ukku untuk bahasa telegu. Kaum Barat yang menjajah India menyebutnya sebagai wook kemudian digelar pula wootz.

Keluli wootz klasik dibuat melalui teknik perleburan cawan (crucible furnace). Perleburan ini menggabungkan campuran dari besi tempa (wrough iron iaitu hasil separa siap besi) atau bijih besi, arang sebagai agen pengkarbonan dan kaca sebagai agen fluks, yang dipanaskan dalam cawan besi. Hasilnya adalah campuran dari kotoran dicampur dengan kaca sebagai sanga dipisah daripada keluli. Keluli yang berkandungan 1.5% karbon akan terbentuk dalam bentuk bebutang besar yang dipisahkan daripada sanga dan ditempa menjadi jongkong. Jongkong atau bilet inilah yang kemudiannya dieksport untuk dijadikan pedang oleh kerajaan-kerajaan luar India.

Bentuk bilet atau bebutang yang terhasil selepas perleburan keluli wootz.

Bijih besi yang digunakan tadi perlu dipukul dengan batu palu menjadi bentuk bar, kemudian dipotong-potong kecil dan dimasukkan ke dalam cawan lebur. Dipercayai India memasukkan daun Calotropis gigantean dan kayu kering jenis Cassia auriculata ke dalam cawan lebur untuk menghasilkan spesifikasi keluli yang berbeza.

Kini para metalurgis moden telah menemui kaedah mencipta keluli Damsyik dengan melipat (menyusun lapisan keluli wootz) dan dikimpal besi tersebut dalam pembakaran berkarbon. Hasilnya, keluli mampu dikeraskan serta boleh digunakan bagi menghasilkan peralatan unggul dan senjata. Hampir setiap tamadun bangsa memiliki teknologi keluli laminasi. Sebagai contoh, kaum Viking (Norman), Nusantara Malaysia dan Jepun. Akan tetapi kualiti dan ketahanan keluli bergantung kepada kebijaksanaan teknik memilih lapisan besi yang disusun, suhu pembakaran, kaedah hentaman (forging) dan kuantiti karbon yang ditambah.

Kaedah utama membuat keluli damsyik (keluli laminasi) ini adalah melalui kaedah kimpalan hentaman (forge welding). Kaedah ini adalah teknik ikatan dalam fasa pepejal yang menggunakan haba dan tekanan hentaman untuk membuat kimpalan. Untuk membuat keluli Damsyik, beberapa lapisan besi dalam bentuk bilet berlainan komposisi disusun berselang seli (pastikan setiap lapisan bersebelahan dengan besi berkomposisi berlainan). Seterusnya bilet itu dipanaskan sehingga merah terang dan dihentam berulang kali membentuk pedang atau apa sahaja yang diingini.

Kini para jurutera metalurgis cuba meniru ciptaan keluli Damsyik dengan memilih tiga belas lapisan bilet yang terdiri daripada tujuh bilet jenis keluli 1084, enam bilet jenis 15N20 disusun seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah. Bilet jenis 1084 adalah keluli karbon tinggi sementara jenis 15N20 memiliki kandungan nikel yang tinggi membolehkan kita meneliti hasil mikrostruktur yang jelas terbentuk apabila dua jenis keluli digabungkan secara fizikal. Keluli 1084 adalah keluli karbon biasa yang mengandungi sedikit unsur mangan. Ia kerap digunakan untuk pengeluaran pisau-pisau biasa pada hari ini. Manakala keluli 15N20 adalah jenis 1075 yang mengandungi 1.5% nikel.

Sebenarnya ia sama sahaja seperti kaedah perleburan besi dan keluli iaitu mencampurkan beberapa jenis keluli berelemen atau fero aloi dalam bahan leburan tetapi dalam tenik kimpalan hentaman ini ia dilakukan di bawah titik lebur logam dan hanya sesuai untuk penghasilan alatan yang nipis, kecil dan bukannya hasil acuan (mould) yang besar dan komplikated.

Salah satu bilet 1084 yang bersaiz lebih panjang daripada yang lain dipilih agar boleh dijadikan hulu pedang.

Setelah bilet disiapkan, gas dipanaskan untuk menempa pada suhu 1400 C dan bilet dipanaskan secara menyeluruh. Fluks (serbuk kalsium) ditambah ke bilet untuk menghilangkan bahan sanga yang terhasil dalam lapisan dan untuk mengelakkan pengoksidaan permukaan keluli. Pada suhu 1400 C ke atas, potongan-potongan bilet akan terkimpal antara satu sama lain di bawah tekanan akibat paluan (hammering) dengan tangan dan inilah yang digelar kimpalan hentaman. Setelah potongan bilet dikimpal, ia akan menghasilkan satu potongan keluli padat.

Ciri-ciri penting pada keluli wootz adalah struktur karbida kerasnya yang cukup banyak dalam matriks keluli. Pembuatan keluli wootz memaparkan jaluran-jaluran yang jelas pada permukaannya.

Perkara paling aneh yang berlaku dalam aspek metalurgi keluli ini ialah bagaimana struktur jalur besi karbidanya (Fe2C3) tidak menjadi struktur rapuh sebaliknya bertukar menjadi wayar halus berstruktur nano! Disebabkan inilah teknologi pedang damsyik dikenali sebagai kemunculan teknologi nano.

Struktur tiub nano pada keluli damsyik.

Struktur Fe3C besi karbida ini menjadi cantik kerana bergabung dengan struktur cecacing pearlit, yang dikenal dengan nama sementit. Partikel ini umumnya berdiameter antara 6-9 mikrometer, bundar sempurna, dan mengelompok rapat dalam kelompok berjarak antara 30-70 mikrometer, berderet-deret sejajar dengan permukaan bilah. Ianya mirip dengan urat pada kayu papan.

Jika permukaan keluli dituang dengan asid, jalur besi karbida ini akan terlihat seperti garis putih pada permukaan bilah keluli yang hitam. Partikel karbida ini sangat keras dan pembentukan jalur tiub nano memberi kesan fleksibel yang liat dan tidak mudah rapuh.

Sebenarnya kumpulan partikel karbida ini hanyalah struktur biasa dan ia hanya menjadi istimewa, cantik dan kuat selepas dilakukan pemanasan (pada suhu tepat) dan penyejukan keluli yang mengandung 1.5% karbon ini secara berulang-ulang, lima atau enam kali. Partikel karbida inilah yang menghasilkan karakteristik pada permukaan selama penempaan.

Fenomena mikrosegrasi berlaku sepanjang pemanasan dan penyejukan berulang kali sehingga membentuk struktur karbida berbentuk tiub nano. Bagaimana mikrosegrasi itu terjadi dalam keluli?

Setelah batang keluli panas menyejuk dan membeku, bahagian hadapan keluli yang padat mengembang masuk ke dalam cairan, menghasilkan bentuk seperti bayangan pokok pain, yang dikenali sebagai dendrit (lihat gambarajah). Dalam keluli 1.5% karbon, jenis besi yang mengeras dari besi cair disebut austenit. Dalam celahan antara dendrit ini (disebut daerah interdendrit), logam cair terperangkap.

Bahan sisa bukan logam terpisah ke hujung dendrit dan terpisah ke bentuk corak halus

austenit

Besi yang telah memejal mengandungi lebih sedikit atom karbon dan unsur lain berbanding besi cair. Oleh sebab itu, setelah logam mengeras di dalam dendrit besi yang menghablur, karbon dan unsur sisa seperti vanadium dan silikon cenderung untuk memisah. Akibatnya unsur terpisah tadi (karbon, silikon dan vanadium) akan bertambah kepekatannya di sekitar interdendrit terakhir.

Kemudian ketika bilet wootz menerima pemanasan dan penyejukan, unsur-unsur sisa / impurities) inilah yang mendorong tumbuhnya untaian partikel sementit keras yang bercorak.

Jika ditinjau ke alam Melayu pula, pembuatan keris juga amat mirip kepada pembuatan Pedang Damsyik terutama dalam pencampuran bahan-bahan lain untuk menambahkan kekuatan strukturnya. Jika dilihat alur-alur keris yang timbul di permukaan keris tersebut, ia amat menyerupai alur-alur yang terdapat pada Pedang Damsyik. Namun kawalan suhu bakar dan kaedah hentaman menjadi resepi mengapa keluli Damsyik amat keras dan kuat.

Jabir Ibn Haiyan (750-803 Masihi), si Bapa Ilmu Kimia Dunia adalah antara individu terkenal yang mengebangkan keilmuan metalurgi di Baghdad dan Syria. Beliau yang nama penuhnya Abu Musa Jabir Ibn Hayyan, telah berhasil menempatkan dirinya sebagai ilmuwan terkemuka sejak dia mengamalkan bidang perubatan dan alkimia di Kufah (sekarang Iraq) di sekitar tahun 776 Masihi yang silam.

Pada peringkat awal kerjaya Abu Musa Jabir Ibn Hayyan, beliau pernah berguru pada Barmaki Vizier iaitu semasa zaman Khalifah Abbasiah pimpinan Harun Ar-Rasyid. Jabir merupakan seorang pelopor dalam beberapa bidang pengembangan ilmu kimia gunaan. Sumbangan beliau termasuk juga dalam pembangunan keluli, penyediaan bahan-bahan logam, bahan antikarat, tinta emas dan penggunaan bijih mangan dioksida untuk pembuatan kaca. Tidak hairanlah jika dikatakan teknologi asal keluli Damsyik berasal dari Parsi kerana kerajaan Abbasiyyah adalah kerajaan yang cukup terpengaruh dengan tamadun Parsi malah ramai para menteri Khalifah dilantik dari kalangan orang Parsi. Jika tentera salib menerima tentangan kuat akibat tentera Salahuddin Al Ayubi menggunakan keluli keras ini, ia tidak perlu dihairankan kerana teknologi Damsyik pada era Perang Salib disadur oleh Empayar Seljuk Turki yang menguasai istana Baghdad (Abbasiyyah) dan telah menyebar luas ke jajahan Seljuk iaitu antaranya adalah Damsyik sendiri. Kemahiran berperang kaum Nomad Turki Seljuk dan kekuatan peralatan keluli dipercayai antara faktor kemenangan Salahuddin Al Ayubi terhadap tentera Frank.

Jenis-jenis pasir yang digunakan dalam teknologi faundri

Disiar dalam Dewan Kosmik Mac 2011

Jenis-jenis pasir yang digunakan dalam teknologi faundri

Muhammad Nuruddin Bashah

Bc Hons Eng UM

Bila anda menyebut dunia kejuruteraan logam, ia terlalu luas untuk ditakrifkan. Antara ilmu teknologi logam tertua di dunia ialah ilmu faundri. Kaedah penghasilan aacuan yang paling kukuh, fleksibel dan mampu dikeluarkan dala bentuk yang besar adalah acuan pasir. Acuan jenis ini dipercayai pernah digunakan oleh Samiri iaitu pengikut Nabi Musa A.S membuat patung lembu emas semasa Bani Isreal cuba menolak dakwah Nabi Musa A.S.

Pasir Faundri terdiri hampir keseluruhannya daripada pasir silika (SiO2) dalam bentuk kuartza. Terdapat juga sedikit sisa kotoran (bahantidak tulen), seperti ilmenit (Feo-TiO2), magnetit (Fe3O4), atau pepasir olivin, yang terdiri daripada magnesium dan ferosortosilikat [(Mg, Fe) SiO4]. Pasir silika digunakan kerana mudah didapati dan murah.

Sebelum mengaitkan dunia kejuruteraan fondri dengan ilmu bahan pasir, mari kita kenali apa itu faundri. Faundri adalah sebuah kilang yang menghasilkan logam tuang. Logam dihasilkan dalam pelbagai bentuk melalui perleburan logam tertentu ke dalam bentuk cecair, kemudian dituang ke dalam acuan. Acuan akan dimusnahkan untuk dikeluarkan logam teracu tersebut. Logam-logam yang paling umum diproses adalah aluminium dan besi. Namun, logam lain, seperti gangsa, keluli, magnesium, tembaga, timah, dan zink, juga digunakan untuk menghasilkan besi tuang di faundri.

Pasir dibentuk menjadi acuan berongga

Pasir Silika

Kebanyakan acuan pasir dibuat daripada pasir silika yang diikat dengan campuran Bentonit, Natrium Silikat dan air. Komposisi, saiz,, ketulenan, dan bentuk pasir adalah penting bagi kejayaan operasi pembuatan acuan pasir. Dahulu tenologi acuan pasir menggunakan kaedah acuan pasir hijau (green sand mould).

Kini kebanyakan foundri menggunakan teknologi acuan alfa set. Alfa set adalah resin fenolik alkali yang digunakan sebagai ejen pengikat pasir untuk membentuk pasir menjadi acuan yang kukuh. Pemangkin atau bahan pengeras yang digunakan adalah ester. Teknologi ini lebih bersih, tidak berbau, tidak memerlukan karbon dioksida, tidak memerlukan haba untuk mengeraskan acuan. Sebaliknya sistem ini dinakan sistem pengerasan sendiri (self cure) yang menyebabkan resin termoset berbentuk cecair (iaitu ejen pengikat) menjadi keras dan kuat selepas bertindakbalas dengan ester sebagai pemangkin. Kaedah pengikat lain adalah kaedah Beta Set, kaedah Sistem Uretena Fenolik, Sistem Furan dan lain-lain kaedah.

Butiran pasir silika

Silika akan mengalami siri peralihan kristalografi selepas dipanaskan (akibat menerima tuangan besi lebur). Pada suhu 573 ° C, pasir silika akan mengembang serta menyebabkan acuan pasir mulai merekah. Di atas suhu 870 ° C, silika menukar bentuk kepada tridimit, dan pasir mungkin akan mengucup pula semasa pemanasan. Pada suhu masih lebih tinggi (> 1470 ° C), tridimit menukar ke kristobalit.

Silika yang berbentuk bersegi dan mempunyai luas permukaan besar memerlukan ejen pengikat yang tinggi. Silika tidak sesuai degunakan untuk membuat acuan teras (core) kerana bentuknya memerlukan ajen pengikat yang lebih. Penambahan segi-segi pada pasir adalah diakibatkan oleh kejutan terma, pengunaan kitar semula beberapa kali dan sebab mekanikal. Namun ada juga pasir silika berbentuk bulat dan sesuai dijadikan acuan teras.

Silika ada kelemahannya seperti mudah bertindakbalas dengan besi lebur yang dituang menyebabkan terjadi tindakbalas eksotermik yang merosakkan permukaan hasil tuangan. Jika besi lebur mengandungi banyak unsur mangan, ia akan menghasilkan sebatian silikat rendah takat lebur yang menjadikan masalah pembakaran permukaan (burn on).

Takat pengembangan termanya juga tinggi dan boleh menyebabkan masalah penghausan permukaan besi tuang (scabbing).

Silika memiliki tahap kerefrektoran yang rendah berbanding pasir lain. Ini menyebabkan ia mudah dihakis oleh besi lebur dan menyebabkan penetrasi dinding acuan serta masalah pembakaran permukaan.

Keporosan pasir acuan juga ada kepentingannya iaitu ia membolehkan gas atau haba yang timbul semasa tuangan besi dibebaskan melalui liang poros tersebut. Gas dan lembapan yang terperangkap dalam rongga acuan semasa penuangan besi amat berbahaya kerana boleh mengakibatkan letupan kecil atau kecacatan permukaan besi tunag akibat tindak balas redok yang berlaku.

Namun, jika keporosan acuan pasir terlalu besar, logam dapat menembusi butiran pasir dan menyebabkan burn-in cacat. Disebabkan itulah taburan saiz pasir perlu sekata dan mesin pra campuran ejen pengikat dan pemangkin perlu ditentukur (calibration) untuk memastikan nisbah ejen pengikat seimbang dengan nisbah berat pasir.

Kebanyakan faundri di serata dunia termasuk di Malaysia menggunakan nombor American Foundrymens 'Society (AFS) butir kehalusan sebagai penunjuk umum kehalusan pasir.

Jenis-jenis bentuk pasir.

Pasir Zirkon

Pasir Zirkon terdiri majoriti daripada kandungan zirkonium silikat (ZrSiO4). Pasir ini sangat tahan haba dan mempunyai ciri-ciri tuangan yang sangat baik. Ia memiliki pengembangan terma yang sangat rendah, konduktiviti panas yang tinggi dan ketumpatan yang besar serta kurang bertindakbalas dengan logam cair. Zirkon memerlukan ejen pengikat yang kurang kerana butirannya bulat. Bentuknya stabil walaupun menerima suhu panas dan ia menjadi pilihan untuk dicampurkan dengan silika untuk penambahbaikan ciri silika. Zirkon yang berbentuk bulat mudah dimampat dan sesuai dijadikan bahan acuan teras (core).

Spesifikasi pasir ini adalah kandungan Zirkon hampir 97.00% minima. Titanium oksida TiO2 sebanyak 0.3 5 % maksima. Bijih besi Fe203 sebanyak 0.40% maksimum serta silika bebas SiO2 1% maksimum.

Butiran pasir zirkon

Pasir Olivin

Mineral Olivin adalah campuran larutan pepejal forsterit (Mg2SiO4) fayalit (Fe2SiO4). Sifat fizikalnya berbeza berbanding komposisi kimianya, sehingga komposisi digunakan harus ditetapkan untuk mengawal kebolehhasilan semula campuran pasir. Pengawalan semasa proses kalsin (pemanggangan pasir) adalah perlu untuk menghuraikan kandungan serpentin yang mengandungi lembapan.

Butiran pasir olivin

Ciri khusus pasir olivin adalah serupa dengan silika, tetapi pengembangan terma adalah jauh lebih sedikit. Oleh kerana itu, olivin hanya digunakan untuk mengawal dimensi acuan. Olivin agak kurang tahan lama daripada silika. Butiran olivin juga berbentuk sekata tetapi bersegi-segi seperti Silika.

Specifikasi pasir olivin adalah;

Magnesium oksida MgO 42-47 %, Silika SiO2 35-42%, Bijih besi Fe2O3 10-13%, Kalsium Oksida CaO 2-2.5 %.

Pasir Aluminum Silikat

Aluminium silikat (Al2SiO5) wujud dalam tiga bentuk umum iaitu kyanit, sillimanit, dan andalusit. Namun Ini semua mempunyai komposisi kimia yang sama tetapi bersifat polymorfik, mempunyai struktur kristal yang berbeza. Ketiga-tiga polimorfik ini jarang ditemui di yang sama, kerana setiap jenis terhasil di bawah tekanan dan suhu berbeza. Hanya kyanit dan sillimanit digunakan dalam dunia industri.

Pasir ini mempunyai tahap kerefraktoran tinggi (ketahanan mengekalkan kekuatan pada suhu tinggi), pengembangan terma rendah, dan pertahanan yang tinggi terhadap kejutan haba. Pasir ini selalunya digunakan dengan campuran pasir zirkon.

Pasir kromit

Pasir yang terbaik dan termahal sekali dalam industri faundri adalah pasir kromit. Hari ini harga pasir ini adalah RM2.10 sekilogram berbanding pasir silika yang hanya RM 1.44 sekilogram. Kromit adalah pasir yang tidak berbau tidak larut air an pelarut organik. Disebabkan ia mahal, kegunaannya terbatas kepada lapisan permukaan acuan yang menyentuh besi lebur semasa tuang. Ia memiliki tahap penyejukan yang tinggi, amat sesuai untuk pembuatan acuan pasir yang besar. Jika kita ingin menghasilkan barangan besi yang besar serta memiliki ketebalan berbeza, selalunya bahagian ketebalan yang nipis akan menyejuk lebih cepat berbanding bahagian yang lebih tebal. Hal ini menyebabkan penyejukan tidak sekata. Maka kesan penyejukan pada pasir kromit mampu menyeimbangkan penyejukan bahagian tebal dan nipis. Ia tidak mudah pecah dan sekaligus mengelakkan pembakaran permukaan besi tuang (burn on).

Pasir ini berbentuk bersegi seperti Silika dan memerlukan ajen pengikat yang lebih.

Spesifikasi pasir kromit adalah seperti di bawah;

Kromium Cr2O3 = 45% minimum.

Besi oksida Fe2O3 = 25% maksima

Aluminum oksida Al2O3 = 12% oksida

Silika SiO2 <>

Magnesium oksida MgO = 10% - 12%

Titanium oksida TiO2 = 0.60%

Nisbah kromium kepada besi adalah Cr : Fe Ratio : 1:55:1.

Butiran pasir kromit

Pasir Kromit terdiri daripada kandungan FeCr2O4, ia adalah oksida semulajadi dari bijih besi dan kromium, biasanya dengan kehadiran sisa magnesium dan aluminium. Kandungan kromit yang biasanya terjadi pada magnesium dan batuan beku kaya dengan unsur Ferum. Pasir ini mudah didapati di Kazakhstan, Afrika Selatan, Zimbabwe, Cuba, Turki, dan Finland. Ketika Khromit dan karbon dipanaskan, kromium akan berkurangan (kerana teroksida).

Secara idealnya untuk digunakan acuan pasir berkandungan pasir kromit, kandungan kromium (Cr2O3) boleh melebihi 45% dan besi (Fe2O3) tidak lebih dari 33% dari peratusan kromium untuk membuat peleburan. Ini adalah bahan yang umum digunakan dalam tuangan Besi dan keluli.

Kadar pengaliran haba pasir kromit adalah lebih tinggi daripada pasir yang lain. Hal ini menyebabkan terhasilnya lapisan besi luar (kulit) yang tebal serta mengelakkan kecacatan pada permukaan besi tuang. Kromit juga menggalakkan proses pembekuan terarah (directional solidification) yang menyebabkan pembekuan lebih sekata dan seragam sekaligus mengelakkan kerapuhan.

Jika acuan pasir kita memerlukan perletakan besi penyejuk (chill), pasir kromit akan ditampal pada sekeliling besi penyejuk untuk mengelakkan keretakan pada permukaan besi tuang yang bersentuhan dengan besi penyejuk.

Pasir kromit juga perlu untuk pembuatan acuan barangan besar kerana ia mengelakkan masalah keterhakisan dinding dalam acuan (erosion/wash out) akibat penuangan besi lebur dengan kuantiti dan halaju yang besar.

Good quality Chromite Sand has a higher melting point than Silica Sand which reduces the likelihood of burn-on sand and similar defects.

Pasir kromit yang berkualiti baik memiliki takat lebur yang tinggi daripada takat lebur pasir silika. Kriteria ini amat penting untuk mengelak masalah pembakaran permukaan (burn on).

Kemampuan sesebuah faundri menyeimbangkan penggunaan pasir di atas dengan jenis bahan ejen pengikat akan mampu menghasilkan acuan terbaik untuk penghasilan hasil tuangan yang baik.

Muhammad Nuruddin Bashah

Jurutera Moulding