PENDAHULUAN
BAB II
DASAR-DASAR PENGECORAN LOGAM
Tinjauan Instruksional Khusus:
Mahasiswa diharapkan mampu memahami pengertian, istilah dan
prinsip-prinsip dasar proses pengecoran logam, jenis-jenis dari
cetakan dalam pengecoran logam, analisa perhitungan pada proses
penuangan logam cair ke dalam cetakan, laju fluiditas dari logam
cair, serta dapat mengkarakterisasi proses pembekuan 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;
Gambar 2.1 Dua macam bentuk cetakan (a) cetakan terbuka, (b)
cetakan tertutup
(4) Setelah dingin benda cor dilepaskan dari cetakannya;
(5) 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 = (V {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)
(=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
Turbulensi 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 Bernoulli.
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)
(=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 A2dimana :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 (Mold Filling Time),
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.
Gambar 2.2 Cetakan spiral untuk pengujian fluiditas logam
cair
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.
Gambar 2.3 Solidifikasi logam murni
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.
Gambar 2.4 Solidifikasi logam paduanGaris 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.
Gambar 2.5 Tahapan terjadinya shrinkage
(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.
Gambar 2.6 (a) Pemasangan cil luar, (b) tanpa cil menyebabkan
adanya cacat
PAGE 14Dasar-Dasar Pengecoran Logam
_1190973102.unknown
_1221270893.unknown
_1221271398.unknown
_1221271411.unknown
_1221271054.unknown
_1221270585.unknown
_1190949845.unknown
_1190973078.unknown