Rabu, 26 April 2017

BASIC FOUNDATION METALS, DASAR-DASAR PENGECORAN LOGAM

DASAR-DASAR PENGECORAN LOGAM
                                        
Definisi :
Pengecoran (casting) adalah proses penuangan logam cair dengan gaya gravitasi atau gaya lain ke dalam suatu cetakan, kemudian dibiarkan membeku, sehingga terbentuk logam padat sesuai dengan bentuk cetakannya.

Keuntungan pembentukan dengan pengecoran :
(1)   Dapat mencetak bentuk kompleks, baik bentuk bagian luar maupun bentuk bagian dalam;
(2)  Beberapa proses dapat membuat bagian (part) dalam bentuk jaringan;
(3)  Dapat mencetak produk yang sangat besar, lebih berat dari 100 ton;
(4)  Dapat digunakan untuk berbagai macam logam;
(5)  Beberapa metode pencetakan sangat sesuai untuk keperluan produksi massal. 

Kerugian :
Setiap metode pengecoran memiliki kelemahan sendiri-sendiri, tetapi secara umum dapat disebutkan sebagai berikut :
(1)   Keterbatasan sifat mekanik;
(2)  Sering terjadi porositas;
(3)  Dimensi benda cetak kurang akurat;
(4)  Permukaan benda cetak kurang halus;
(5)  Bahaya pada saat penuangan logam panas;
(6)  Masalah lingkungan.

Beberapa contoh produk cor :
-    perhiasan,                            -    penggorengan,
-    patung,                                 -    pipa,
-    blok mesin,                           -    roda kereta,
-    rangka mesin,                       -    pompa, dan lain-lainnya.

Proses pengecoran :
(1)   Pembuatan cetakan;
(2)  Persiapan dan peleburan logam;
(3)  Penuangan logam cair ke dalam cetakan :
a)  untuk cetakan terbuka (lihat gambar 2.1.a) logam cair hanya dituang hingga memenuhi rongga yang terbuka,
b)           untuk cetakan tertutup (lihat gambar 2.1.b) logam cair dituang hingga memenuhi sistem saluran masuk;

(1)  Setelah dingin benda cor dilepaskan dari cetakannya;
(2)  Untuk beberapa metode pengecoran diperlukan proses pengerjaan lanjut :
·           memotong logam yang berlebihan,
·           membersihkan permukaan,
·           memeriksa produk cor,
·           memperbaiki sifat mekanik dengan perlakuan panas (heat treatment),
·           menyesuaikan ukuran dengan proses pemesinan.

Bahan cetakan :
-    pasir,                                   -    keramik, dan
-    plaster,                                -    logam.

Hal-hal penting yang perlu diperhatikan dalam pembuatan suatu cetakan :
-    Rongga cetakan harus dirancang lebih besar daripada produk cor yang akan dibuat, untuk mengimbangi penyusutan logam;
-    Setiap logam memiliki koefisien susut yang berbeda-beda (dalam merancang suatu cetakan biasanya digunakan mistar susut).

Jenis cetakan :
(1) Cetakan tidak permanen (expendable mold); hanya dapat digunakan satu kali saja.
Contoh :  - cetakan pasir (sand casting),
      -  cetakan kulit (shell mold casting),
     - cetakan presisi (precisian casting).
(2) Cetakan permanen (permanent mold); dapat digunakan berulang-ulang (biasanya dibuat dari logam).
Contoh :  - gravity permanent mold casting,
      -  pressure die casting,
               - centrifugal die casting.

Cetakan pasir :
Bagian-bagian cetakan pasir dapat dilihat dalam gambar 2.1.b, yaitu :
-    bagian atas cetakan (cope),
-    bagian bawah cetakan (drag),
-    kotak cetakan (flask),
-    sistem saluran masuk (gating system), terdiri dari : cawan tuang (pouring cup), saluran turun (down sprue), dan saluran masuk/pengalir (runner),     
-    penambah (riser),
-    inti (core).

Pemanasan dan Penuangan (Heating and Pouring) :
Dalam operasi pengecoran, logam harus dipanaskan sampai temperatur tertentu di atas titik leburnya dan kemudian dituangkan ke dalam rongga cetakan hingga menjadi beku.

Pemanasan logam :
Logam dipanaskan di dalam tungku peleburan hingga mencapai temperatur lebur yang cukup untuk penuangan.
Energi panas yang dibutuhkan adalah jumlah dari :
(1)   panas untuk mencapai titik lebur (logam masih dalam keadaan padat),
(2)  panas untuk merubah dari padat menjadi cair,
(3)  panas untuk mencapai temperatur penuangan yang diinginkan.
Energi panas dapat ditunjukkan dengan persamaan berikut ini :

H = rV {Cs (Tm – To) + Hf + Cl (Tp – Tm)}

dimana :       H   =  jumlah panas yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur penuangan; Btu (J)
                   Cs   =  weight specific heat untuk logam padat; Btu/lbm – OF (J/g - OC)
                   Tm  =  temperatur lebur logam; OF (OC)
                   To  =  temperatur awal, biasanya temperatur ruang; OF (OC)
                   Hf  =  panas fusi/lebur; Btu/lbm (J/g)
                   Cl   =  weight specific heat untuk logam cair; Btu/lbm – OF (J/g - OC)
                   Tp  =  temperatur penuangan; OF (OC)
                   V    =  volume logam yang dipanaskan; in3 (cm3)
                   r    =  densitas logam; lbm/in3 (g/cm3)

Contoh soal :
1 ft3 paduan eutektik akan dipanaskan dalam krusibel dari temperatur kamar hingga 200 OF di atas titik leburnya. Paduan tersebut memiliki densitas = 0,15 lbm/in3, temperatur lebur = 1300 OF, specific heat logam padat = 0,082 Btu/lbm – OF, specific heat logam cair = 0,071 Btu/lbm– OF, dan panas lebur = 72 Btu/lbm. Berapa jumlah energi panas yang ditambahkan untuk mencapai pemanasan tersebut, anggap tidak ada panas yang hilang.

Jawab :
Anggap temperatur dalam ruang foundary = 80 OF dan densitas logam dalam keadaan padat dan cair sama, dan sebagai catatan 1 ft3= 1728 in3.

                   H   =  (0,15)(1728){0,082 (1300 – 80) + 72 + 0,071 (1500 – 1300)}
                         =  48.273,4 Btu.

Penuangan logam cair
Setelah pemanasan, logam siap untuk dituangkan melalui sistem saluran masuk ke dalam rongga cetakan. Hal ini merupakan suatu tahapan yang keritis dalam proses penuangan. Agar tahapan ini berhasil, logam cair harus mengalir ke semua bagian dari rongga cetakan.
Beberapa faktor yang berpengaruh dalam operasi penuangan adalah :
(1)  Temperatur penuangan (pouring temperatur) adalah temperatur logam cair pada saat dituangkan ke dalam cetakan. Hal penting yang perlu diperhatikan disini adalah perbedaan temperatur antara temperatur penuangan dengan temperatur pada saat logam cair mulai membeku (titik lebur untuk logam murni dan temperatur liquidus untuk logam paduan/alloy). Perbedaan temperatur tersebut dikenal dengan istilah superheat. Istilah superheat juga digunakan untuk menyatakan jumlah panas yang harus dihilangkan dari logam cair antara penuangan hingga pembekuan mulai terjadi.
(2)  Laju penuangan (pouring rate) adalah volume logam yang dituangkan ke dalam cetakan dalam waktu tertentu.
Bila laju penuangan terlalu rendah maka logam akan menjadi dingin dan membeku sebelum pengisian seluruh rongga cetak selesai; dan sebaliknya bila laju penuangan terlalu tinggi maka akan terjadi turbulensi.
(3) Turbulensi dalam aliran cairan adalah kecepatan aliran cairan yang tidak menentu arah dan besar (magnitude)-nya
      Turbukensi harus dihindarkan karena :
      -  dapat mempercepat pembentukan oksida logam, yang dapat mengganggu proses pembekuan sehingga kualitas coran kurang baik;
      -  dapat menyebabkan terjadinya pengikisan pada cetakan karena adanya benturan aliran logam cair, sehingga hasil coran kurang baik.

Analisa dalam Proses Penuangan ; untuk menganalisa logam cair yang mengalir melalui sistem saluran masuk menuju cetakan digunakan teori Bernoilli.

Teori Bernoulli menyatakan bahwa jumlah energi pada dua titik dalam cairan adalah sama.



dimana :       h    =  ketinggian, cm (in)

                                P    =  tekanan pada cairan, N/cm2 (lb/in2)

                   r    =  berat jenis, g/cm3 (lbm/in3)

                   v    =  kecepatan aliran, cm/sec (in/sec)
                   g    =  konstante percepatan gravitasi = 981 cm/sec2 (386 in/sec2)
                   F    =  kehilangan ketinggian akibat gesekan, cm (in).

Bila kehilangan ketinggian akibat gesekan diabaikan dan tekanan dianggap tetap, maka persamaan dapat disederhanakan menjadi :



Bila titik 1 adalah ujung atas saluran turun (sprue) dan titik 2 adalah dasar cetakan digunakan sebagai titik referensi maka h2 = 0 dan v1 = 0, sehingga persamaan dapat disederhanakan menjadi :
   atau    

Hubungan lain yang penting selama penuangan adalah hukum kuntinuitas, yang menyatakan bahwa volume rate of flow dalam proses penuangan logam cair ke dalam cetakan adalah konstan :


                                        Q  =  v1 A1  =  v2 A2

dimana :       Q   =  volumetric flow rate, cm3/sec (in3/s)

                   v    =  kecepatan aliran, cm/sec (in/s)

                   A   =  luas penampang cairan cm2 (in2)

Estimasi waktu pengisian rongga cetak :




dimana :   MFT  =  waktu pengisian cetakan, sec.

                   V    =  volume rongga cetakan, cm3 (in3)

Contoh soal :
Sebuah cetakan memiliki saluran turun dengan panjang (h) 8,0 in dan luas penampang pada dasar saluran (A) adalah 0,4 in.2. Saluran tersebut dihubungkan dengan saluran masuk horisontal menuju rongga cetak yang volumenya (V) adalah 100 in.3.
Tentukan :   a)   kecepatan alir logam cair pada dasar saluran (v),
b)    laju alir volumetrik (Q),
c)     waktu pengisian cetakan (MFT).

Jawab :
a)      Kecepatan alir logam cair pada dasar saluran :

 in/sec.

b)     Laju alir volumetrik :
 in3/sec.

c)      Waktu yang dibutuhkan untuk pengisian rongga cetak :

 sec.

Fluiditas :
Fluiditas adalah kemampuan suatu logam cair untuk mengalir masuk ke dalam cetakan, sebelum membeku.
Fluiditas merupakan kebalikan dari viskositas, bila viskositas naik, maka fluiditas turun, dan sebaliknya.

Faktor-faktor yang mempengaruhi fluiditas :

-    temperatur penuangan,
-    komposisi logam (mempengaruhi panas lebur/heat of fusion dari logam) ,
-   
viskositas logam cair,
-    panas yang diserap oleh lingkungan disekitarnya.

Catatan : yang dimaksud dengan heat of fusion adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah logam cair menjadi padat.

Untuk mengukur fluiditas digunakan cetakan spiral seperti ditunjukkan dalam gambar 2.2, dimana fluiditas ditentukan dengan mengukur panjang logam padat dalam saluran spiral. 

Karakteristik Pembekuan :

Pembekuan (solidifikasi) adalah transformasi logam cair kembali ke bentuk padatnya.


Solidifikasi logam murni; logam murni membeku pada temperatur konstan yaitu sama dengan temperatur pembekuannya/temperatur leburnya, seperti ditunjukkan dalam gambar 2.3.
 Beberapa istilah waktu dalam proses solidifikasi logam murni :
-    Waktu solidifikasi lokal adalah waktu pembekuan sebenarnya;
-    Waktu solidifikasi total adalah waktu antara penuangan sampai proses pembekuan berakhir. Setelah pembekuan berakhir temperatur turun hingga temperatur kamar.

Solidifikasi logam paduan (alloy); logam paduan umumnya membeku pada daerah temperatur tertentu, seperti ditunjukkan dalam gambar 2.4

Garis awal terjadinya pembekuan disebut garis liquidus, dan garis akhir pembekuan disebut garis solidus.
Suatu paduan dengan komposisi tertentu bila didinginkan dalam waktu yang sangat lambat, maka pembekuan akan mulai terjadi pada saat temperatur mencapai garis liquidus, dan pembekuan berakhir bila telah mencapai garis solidus. Setelah itu pendinginan akan berjalan terus hingga mencapai temperatur kamar.

Solidifikasi logam paduan eutektik; suatu paduan yang memiliki komposisi tertentu (komposisi eutektik) bila mengalami pendinginan sangat lambat, maka pembekuan akan berlangsung pada temperatur konstan (sama seperti logam murni).

Beberapa istilah penting dalam proses solidifikasi :

-   Shrinkage adalah penyusutan pada daerah tertentu yang dapat menimbulkan cacat coran berupa rongga-rongga atau retak.

      Tahapan terjadinya rongga-rongga akibat penyusutan (shrinkage cavity) ditunjukkan dalam gambar 2.5 berikut ini.

(0) Level awal logam cair sesaat setelah dituangkan;
      (1)  Penyusutan yang terjadi selama pendinginan fase cair (sebelum terjadi solidifikasi);
      (2) Penyusutan yang terjadi pada saat perubahan fase cair ke fase padat;
      (3) Penyusutan yang terjadi selama pendinginan fase padat sampai temperatur kamar.

-   Solidifikasi terarah :

Untuk mengurangi pengaruh shrinkage dapat dilakukan dengan mengarahkan proses solidifikasi pada daerah tertentu, dengan cara :
(a)  Memasang riser (lihat gambar 2.1.b)
           Riser (penambah) merupakan cadangan logam cair pada cetakan yang berfungsi untuk mengimbangi penyusutan (shrinkage)  dalam pembekuan coran.  Dengan memasang riser, maka daerah yang mengalami solidifikasi awal berada jauh dari sumber logam cair, sehingga shrinkage yang mungkin terjadi berada pada riser itu sendiri.
     Menurut hokum Chvorinov, riser harus diletakkan pada bagian/daerah yang memiliki rasio volume terhadap luas rendah, karena pada daerah tersebut akan mengalami solidifikasi paling cepat. Dengan menambahkan riser pada daerah tersebut, maka solidifikasi dapat diperlambat sehingga cacat coran akibat terjadinya shrinkage pada benda cor dapat dihindarkan.
(b) Memasang cil (chill)
           Cil adalah benda (terutama logam) yang diletakkan pada bagian cetakan untuk mencegah shrinkage dengan mempercepat pendinginan dan pembekuan dari bagian yang mendapatkan panas paling tinggi sehingga bagian tersebut akan membeku pada waktu yang sama dengan bagian lainnya. Panas tertinggi dapat terjadi pada bagian tebal atau pada bagian-bagian yang mengalami konsentrasi aliran panas yang paling tinggi.

           Dalam gambar 2.6.a ditunjukkan contoh pemasangan cil pada daerah yang mengalami konsentrasi panas tertinggi, sehingga terjadinya cacat akibat shrinkage dapat dihindarkan, sedang dalam gambar 2.6.b dapat dilihat adanya cacat (rongga) akibat pengecoran dilakukan tanpa pemasangan cil.

CETAKAN KRAMIK

Proses pembuatan pengecoran cetakan keramik seperti proses pengecoran plester cetakan tapi dapat melemparkan bahan pada temperatur yang lebih tinggi. Alih-alih menggunakan plester untuk membuat cetakan untuk metalcasting tersebut, casting keramik menggunakan keramik tahan api untuk bahan cetakan. Di bagian industri seperti mesin pemotong, mati untuk Metalworking, cetakan logam, dan impeler dapat diproduksi oleh proses ini.
Proses tersebut
Langkah pertama dalam pembuatan oleh pengecoran cetakan keramik adalah untuk menggabungkan bahan untuk cetakan. Campuran zirkon butir halus (ZrSiO 4), aluminium oksida, leburan silika, agen ikatan, dan air menciptakan bubur keramik. Bubur ini dituangkan di atas pola pengecoran dan biarkan ditetapkan. Pola ini kemudian dihapus dan cetakan dibiarkan mengering. Cetakan tersebut kemudian dipecat.
Penembakan akan membakar bahan yang tidak diinginkan dan membuat cetakan mengeras dan kaku. Cetakan juga mungkin perlu dipanggang dalam tungku juga. Penembakan cetakan menghasilkan jaringan retakan mikroskopis dalam bahan cetakan. Retakan ini memberikan cetakan keramik baik permeabilitas yang baik dan collapsibility untuk proses pengecoran.
Setelah siap, kedua bagian cetakan dirakit untuk menuangkan casting. Dua bagian, (mengatasi dan tarik bagian), dapat didukung dengan bahan fireclay untuk kekuatan cetakan tambahan. Seringkali dalam industri manufaktur cetakan keramik akan dipanaskan sebelum penuangan logam cair. Pengecoran logam dituangkan, dan biarkan memperkuat. Dalam pengecoran cetakan keramik, seperti dalam cetakan dibuang lainnya memproses cetakan keramik hancur dalam penghapusan metalcasting tersebut.
Properties dan Pertimbangan Manufaktur oleh Casting Mold Keramik
·         Manufaktur dengan pengecoran cetakan keramik mirip dengan cetakan plester karena dapat menghasilkan bagian dengan bagian tipis, permukaan akhir yang sangat baik, dan akurasi dimensi yang tinggi. Toleransi manufaktur antara inci .002 dan .010 yang mungkin dengan proses ini.
·         Untuk dapat melemparkan bagian dengan akurasi dimensi tinggi menghilangkan kebutuhan untuk mesin, dan memo yang akan diproduksi oleh mesin. Oleh karena presisi proses pengecoran logam seperti ini efisien untuk membuang logam mulia, atau materi yang akan sulit untuk mesin.
·         Berbeda dengan bahan cetakan dalam logam pengecoran plester proses, bahan cetakan refraktori dalam casting keramik dapat menahan suhu yang sangat tinggi. Karena ini toleransi panas proses pengecoran keramik dapat digunakan untuk memproduksi besi dan bahan titik lebur metalcasting tinggi. Baja stainless dan baja perkakas dapat dibuang dengan proses ini.
·         Pengecoran cetakan keramik relatif mahal.
·         Waktu persiapan yang lama cetakan membuat manufaktur tingkat produksi untuk proses yang lambat.

·         Tidak seperti di pengecoran cetakan plester, cetakan keramik memiliki permeabilitas sangat baik karena microcrazing, (produksi retak mikroskopis), yang terjadi dalam penembakan cetakan keramik.
Ceramic-mold casting
Proses casting-cetakan keramik (juga disebut menghadapi-dan-tarik investasi casting) mirip dengan proses plester-cetakan, dengan pengecualian bahwa ia menggunakan bahan-bahan cetakan tahan api yang cocok untuk aplikasi temperatur tinggi. bagian umum dibuat adalah impeler, pemotong untuk pengoperasian mesin, mati untuk Metalworking, dan cetakan untuk membuat komponen plastik dan karet. Bagian beratnya sebanyak 700 kg telah dilemparkan oleh proses ini.
Lumpur adalah campuran zirkon halus (ZrSiO4), aluminium oksida, dan leburan silika, yang dicampur dengan agen bonding dan menuangkan atas pola (Gambar 11,10), yang telah ditempatkan dalam termos.
Pola dapat dibuat dari kayu atau logam. Setelah pengaturan, cetakan (Seram face ic) dihapus, dikeringkan, dibakar untuk menghilangkan zat terbang, dan dipanggang. Cetakan yang dijepit tegas dan digunakan sebagai semua keramik cetakan. Dalam proses Shaw, face keramik yang didukung oleh fireclay (yang menolak suhu tinggi) untuk memberikan kekuatan untuk cetakan. The face kemudian dirakit ke dalam cetakan lengkap, siap untuk dituangkan.

Perlawanan tinggi suhu bahan cetakan refraktori memungkinkan cetakan ini akan digunakan untuk pengecoran paduan tinggi suhu besi dan lainnya, noda kurang baja, dan baja perkakas. Meskipun proses ini agak mahal, tuang memiliki akurasi dimensi baik dan menyelesaikan permukaan melalui berbagai ukuran dan bentuk yang rumit.

Tidak ada komentar: