JF302 -Bab 2c

CHAPTER 2c

FERROUS MATERIAL STRUCTURE   

BINARY ALLOY SYSTEM (SISTEM ALOI PERDUAAN)- alloy steel

2.4 Describe the alloy steel (Huraian Tentang Keluli Aloi)

Tahukah anda keluli aloi merupakan keluli yang mengandungi lebih daripada 1.0% elemen-elemen lain selain daripada karbon dan besi . Tujuan utama ialah untuk mempertingkatkan mutu dan sifat-sifat keluli supaya ianya mudah diubahsuai dengan diberi rawatan haba dengan lebih sempurna.

2.4.1 Define term and purpose of alloy steel (Takrifan Istilah dan tujuan Keluli Aloi)

Penambahan elemen-elemen pancalogam (aloi) ini seperti kromium, mangenese, molydebnum, nikel, plumbum, kobalt, phosphoros, silikon, sulfur, kuprum, aluminium, tungsten dan vanadium boleh menghasilkan sifat-sifat seperti berikut:-

                                    i.          Menambahkan kekuatan tegangan.

                                   ii.          Menambahkan kekerasan dan keliatan bahan.

                                 iii.          Pengubahsuaian suhu kritikal bagi keluli tersebut. Suhu kritikal adalah suhu maksima dan minima bagi keluli untuk dilindap kejutkan di dalam proses pengerasan.

                                 iv.          Menambahkan rintangan terhadap kehausan lelasan.

                                  v.          Mengekalkan kekerasan keluli sewaktu ianya merah (red hardness).

                                 vi.          Meninggalkan rintangan terhadap kakisan.

                               vii.          Membolehkan pembajaan dilakukan pada suhu yang lebih tinggi di samping mengekalkan sifat kekuatan dan kemuluran.

 2.4.2 Explain elements in the alloy which influence steel properties. (Huraian Elemen pengaloi yang mempengaruhi sifat keluli)

2.4.3      Identify the characteristic of alloy steel ( Mengenalpasti ciri-ciri Keluli aloi)

Pengkelasan keluli aloi boleh dilakukan dengan mengikut penggunaan dan membentuk kumpulan yang yang lebih kecil berdasarkan unsur-unsur mengaloian yang utama.

Keluli Aloi Tinggi (High Aloi Steels)

 Struktur yang diberikan adalah berlainan dari keluli karbon. Keluli ini terbahagi kepada 5 jenis iaitu

i)                                             Keluli Perintang Haba

ii)                                           Keluli Alat dan Acuan

iii)                                          Keluli Pembinaan

iv)                                         Keluli Tahan Karat

v)                                           Keluli Magnet

a. Structure steel (Keluli Pembinaan)

Kandungan elemen - Nikel, Mn, Cr, Mo. Ianya bersifat liat dan kuat serta digunakan pada peralatan mesin yang bertegasan tinggi.

b. Corrosion resistant steel, Stainless Steel (Keluli Tahan Karat)

Elemen pancalogam utama ialah kromium. Ianya wujud dalam kadar yang tertentu bagi membolehkan keluli mempunyai sifat tahan kakisan. Bagi rintangan kakisan lengkap kandungan Cr mesti lebih dari 11%. Sifat menahan kakisan adalah disebabkan satu lapisan nipis Cr oksida atau Nikel Oksida yang melindungi keluli dari media-media kakisan.

c. Heat resistant steel (Keluli Perintang Haba)

Keluli ini mempunyai kekerasan yang sangat tinggi dan digunakan untuk kerja-kerja memotong pada suhu yang tinggi. Dalam proses memotong, tatal bersentuh dengan alat pemotong dan mengakibatkan kehausan dan haba. Bahan alat pemotong sukar menghaus di suhu tinggi dan liat untuk menahan beban hentakan. Kandungan keluli halaju tinggi ialah 14% W(Tungsten) -22% W, 4% Cr dan kekerasannya dikekalkan hingga suhu 660°C . Lain-lain unsur adalah Mn, W, Cr, V dan Mo. Mempunyai kandungan tungsten, chromium yang tinggi. Bahan ini membentuk karbida yang keras dan stabil dan boleh meninggikan suhu kritikal. Kandungannya adalah 18% tungsten + 4% Chromium + 1% Vanadium + 0.88% Karbon.

d. Tool and mould steel (Keluli Alat dan Acuan)

Keluli ini digunakan untuk memotong, mericih, membentuk, menggolek dan menempa dimana setiap satunya memerlukan kekerasan, kekuatan, rintangan haus dan haba. Keluli alat biasanya mengandungi 0.6 - 1.5% C. Unsur-unsur pancalogm dicampurkan dengan tujuan:

 i.                    Menambahkan kekuatan dan rintangan dari kehausan dengan terbentuknya karbaid.  Karbaid ini lebih keras dari Fe₃C  (cementite).

ii.                    Mengekalkan kekerasan keluli di suhu-suhu tinggi. Unsur-unsur pembentukan karbaid yang stabil ialah Cr, W, Mo dan V.

 

e. Magnetic steel (Keluli Magnet)

Keluli ini dibentuk dalam dua keadaan samada bermegnet keras yang digunakan untuk menghasilkan megnet kekal atau bermegnet lembut yang digunakan untuk menghasilkan megnet sementara. 

 

2.5 Describe the cast iron (Huraian tentang Besi tuang)

BESI TUANG (CAST IRONS)

Besi tuang merupakan grid besi jongkong terpilih, yang dileburkan semula dan dituang dalam acuan pasir. Kandungan karbon besi tuang secara umumnya adalah di antara 2 hingga 4 peratus. Walaubagaimanapun gred nomal besi tuang tidak begitu kuat dan agak rapuh, namun besi tuang digunakan dengan meluas sebagai bahan kejuruteraan kerana murah, mudah dilebur dan dituang, kebolehmesinan yang sangat baik dan dengan muatan rendaman yang tinggi. Untuk memahami struktur  bagi besi tuang kita terlebih dahulu perlu memahami gambarajah keseimbangan fasa besi-karbon

.

Sifat Besi Tuang

Besi tuang dihasilkan dari besi jongkong yang telah dicairkan semula di relau kupola dan dicampurkan dengan besi sekerap atau keluli. Mempunyai takat lebur di antara 1150°C -1250°C dan jongkong lebur ini lebih cair dan menghasilkan tuangan yang baik. Besi tuang mempunyai rintangan kehausan dan keupayaan kelembapan yang baik. Harganya murah dan senang di mesin. Terdapat 5 elemen asas yang penting dalam besi tuang dan merupakan elemen yang berupaya mempengaruhi sesuatu sifat besi tuang di antaranya silikon, mangenese, sulphur, phosphorus dan karbon. Kandungan karbon  lebih banyak jika dibandingkan dengan keluli. 

Kebiasaan dalam besi tuang mengandungi

                                                                       i.      Karbon (c )                     = 2.8 - 3.6%

                                                                     ii.      Silikon (Si)                      = 1.0 - 3.0%

                                                                    iii.      Mangenese (Mn)       = 0.4 - 1.0%

                                                                   iv.      Sulphur (S)                    = 0.1 - 0.35%

Kandungan karbon di dalam besi tuang boleh terbentuk di dalam 2 keadaan.

i.   Dalam bentuk Cemetite  (Fe₃C)

ii.  Dalam bentuk Graphit (Fe + C ) Iaitu karbon bebas yang terhasil  apabila cementite diuraikan.

2.5.1 Explain position of cast iron in iron-carbon phase diagram

 (Huraian tentang kedudukan Besi Tuang di dalam rajah keseimbangan fasa, Fe-C)

 

Berdasarkan gambarajah fasa besi-karbon, fasa yang sepatutnya hadir pada suhu biasa dalam besi tuang ialah ferrit (µ), simentit (Fe₃C) dan pearlit (µ + Fe₃C).  Walaubagaimanapun kebanyakan dalam besi tuangan mempunyai struktur grafit. Sebenarnya rajah ini lebih menunjukkan sistem besi-karbaid, tetapi hubungan fasa yang wujud dapat dijelaskan melalui peratus kandungan karbon. Rajah ini dibahagikan kepada beberapa bidang fasa. Setiap satunya diisi samada oleh bahan satu fasa atau bahan campuran dua fasa.

2.5.2      Explain of cast iron properties effect

(Faktor-faktor @ Sifat yang mempengaruhi pembentukan besi tuang)

i.                     Kadar penyejukan

ii.                   Kandungan unsur / elemen di dalamnya.

iii.                  Rawatan haba.

a. Cooling rate (Kadar penyejukan)

Kadar penyejukan yang tinggi akan menjadi cementit stabil, dan akan menghasilkan besi tuang putih yang keras. Tetapi sekiranya kadar penyejukan rendah atau perlahan, ia menolong pembentukan graphite, oleh itu menghasilkan besi tuang kelabu. Kadar penyejukan bergantung kepada ketebalan dan jenis acuan yang digunakan.

Contoh:

Sekiranya tuangan mempunyai acuan dengan ketebalan yang berbeza, bahagian yang nipis akan menghasikan besi tuang putih dan keras manakala bahagian yang tebal akan lebih menghasikan besi tuang kelabu. Kadar penyejukan adalah lebih perlahan pada acuan pasir berbanding dengan acuan logam.

b. Element content (Kandungan Elemen)

Karbon	menurunkan takat lebur (rujuk rajah keseimbangan besi/karbon) dan menambahkan kandungan graphit di dalam besi tuang.
Silikon	membantu pembentukan graphit, lebih menghasilkan besi tuang kelabu.
Sulphur	menstabilkan cementit, menghasilkan manganese sulphide
Manganese	Berpadu dengan sulphur dan menghasilkan manganese sulphide

 

Phosphorus

menurunkan takat lebur keluli dan menambahkan kecairan keluli  tersebut.

                          

 

 

c.                  Heat Treatment (Kesan  Rawatan Haba)

Besi tuang putih apabila dipanaskan dengan lama akan menyebabkan pembentukan grafit. Fenomena ini digunakan untuk membentuk besi tuang boleh tempa. Grafit adalah kurang tumpat berbanding dengan simentit. Sekiranya sementit berurai kepada ferrit dan grafit semasa operasi, perubahan ini disertai dengan pengurangan dalam ketumpatan besi dan seterusnya bertambah dalam segi ukuran.  Fenomena ini dinamakan pertumbuhan  besi tuang dan besi untuk operasi suhu tinggi yang mesti dalam keadaan grafit sepenuhnya sebelum digunakan. Kesan kandungan silicon dan karbon pada struktur besi tuang  dengan menggunakan acuan pasir

2.5.3 Explain the characteristics and applications of the cast iron (Huraian tentant Ciri-ciri dan Kegunaan Besi Tuang)

Besi tuang boleh dikelaskan kepada beberapa jenis mengikut  kegunaanya, bentuk grafit dan jenis  matriks struktur  yang terkandung di dalamnya. Struktur  logam,  komposisi dan  keratan sesuatu besi tuangan adalah penting di dalam  menentukan sifat-sifat kejuruteraan. Terdapat 4 jenis utama bagi besi tuang iaitu.

i.                     Grey cast Iron (Besi Tuang Kelabu)

ii.                   White Cast Iron (Besi Tuang Putih)

iii.                  Nodular Cast Iron (Besi Tuang Bernod)

iv.                 Malleable Cast Iron, MCI (Besi Tuang Boleh Tempa)

a.       Black  MCI           b. White MCI

 a. Grey cast iron( Besi Tuang Kelabu)

Semasa  penyejukkan  sesuatu besi tuangan  hypoeutektoid  dari Rajah Keseimbangan Besi-Karbon, kecuali dengan penyejukkan cepat, grafit  akan  mendak  dari  sementite yang  tidak  stabil  yang disebabkan oleh kesan bendasing terkandung di dalamnya. Kelupas grafit  yang besar/kasar akan terbentuk semasa  proses  pemejalan sedangkan  kelupas grafit yang halus akan terbentuk dari  luluhan simentit dan mendakan dari  austenite selepas pemejalan.

                  Fe₃C   ------------>  3Fe  +   C (grafit)

Maka pada suhu bilik, besi tuangan ferritik dan pearlitik yang masing-masing mengandungi karbon bebas (grafit) dinamakan sebagai Besi  Tuangan Kelabu sebab permukaan pecahan  kelihatan  berwarna kelabu (grafit).

Kandungan karbon di dalam besi tuang ini adalah karbon bebas atau graphit, oleh itu besi tuang adalah lembut, mudah di mesin dan permukaan yang patah akan menjadi berwarna kelabu. Pembentukan graphit disebabkan oleh luluhan cementite. Kandungan karbonnya antara 2.1 – 4.0% .  Besi tuang ini bersifat rapuh dan kekuatan tegangan agak kurang tetapi mempunyai sifat pelinciran yang sangat baik.  Antara kegunaan umum besi tuang kelabu seperti untuk membuat Kotak gear, tapak mesin, head stock dan bearing bracket. Gambarajah menunjukkan struktur mikro bagi besi tuang kelabu.

b. White cast iron (Besi Tuang Putih)

Proses pembentukan besi tuang putih sama sahaja dengan pembentukan besi tuang kelabu cuma perbezaan dari segi proses pendinginan yang dilakukan di mana penyejukkan  cepat (kuence).  Hasil pendinginan pantas itu struktur   austenite dan simentite  akan  menjadi besi tuang ‘Pearlitik’.  Jenis besi tuang ini dinamakan Besi Tuang Putih, ini disebabkan permukaan pecahannya berwarna terang seperti perak,oleh itu ia dipanggil besi tuang putih seperti yang ditunjukkan dalam Gambarajah

Disebabkan karbonnya membentuk cementit (karbon bergabung dengan besi), maka sifat besi tuang ini adalah keras, rapuh , sukar untuk di mesin dan mempunyai sifat tahan kehausan yang baik.

Di antara kegunaan umun besi tuang putih untuk die penarikan, bebola penghancur, bahagian tuangan dalam pengeluaran besi boleh tempa.

c.                                                               Nodular cast iron( Besi Tuang Bernod)

Ini  juga  dikenali juga sebagai Nodular Iron,  Ductile  Iron, High Duty Iron, besi grafit sferoidal dan besi sferulitik. Apabila sedikit unsur-unsur magne­sium  atau Cerium di campur dalam besi tuangan kelabu biasa,  kelupas  grafit berbentuk  spheroids (bebola) akan bertabur semula dalam  matriks logam  itu. Karbon bebola ini tidak mewujudkan  keronggang  (void) seperti  apa  yang dilakukan oleh kelupas grafit dan  juga  tidak menjadi  titik punca ketumpuan ketegasan  (stress  concentration) yang  menyebabkan retak-retak. Maka kejadian pembulatan  spheroid menambah  kekuatan  dan mengecilkan kegagalan  kelesuan  (fatigue failure), ini boeh dilihat dalam Gambarajah 5.11. Dari segi sifat besi tuangan bernod lebih kuat dan lebih liat berbanding besi tuang kelabu. Manakala kegunaan umum banyak dalan industri automotif seperti untuk membuat piston, kepala selinder, kotak suis, aci engkol.

d.  Black malleable cast iron (Besi tuang boleh tempa hitam)

Proses sama dengan besi tuang boleh tempa putih, tetapi pasir atau slag digunakan untuk mengantikan bijih besi. Karbon berbentuk rossetes. seperti Gambarajah

e. White malleable cast iron (Besi tuang boleh tempa putih)

             Besi tuang putih dibungkus didalam satu bekas dengan bijih besi. Ia dipanaskan perlahan-lahan ke    
                suhu antara 950 -1000°C dan dibiarkan selama 4–5 hari sebelum disejukkan perlahan-lahan. Karbon 
                akan bertukar menjadi bentuk nodular/sfera seperti Gambarajah