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. D!inisi : Pengecoran (casting (casting ) adalah proses penuangan logam cair dengan gaya gravitasi gravitasi atau gaya lain ke dalam suatu cetakan, kemudian dibiarkan membeku, sehingga terbentuk logam padat sesuai dengan bentuk cetakannya. Kuntun"an #$%ntukan &n"an #n"'oran : () !apat mencetak mencetak bentuk bentuk kompleks, kompleks, baik bentuk bentuk bagian bagian luar maupun maupun bentuk bentuk bagian dalam" dalam" (#) $ebera $eberapa pa proses proses dapat dapat membua membuatt bagian bagian ( part part ) dalam bentuk jaringan" (%) !apat mencetak mencetak produk produk yang yang sangat besar, besar, lebih lebih berat berat dari && ton" ton" (') !apat digunakan digunakan untuk untuk berbagai berbagai macam macam logam" logam" () $eberapa $eberapa metode metode pencetakan pencetakan sangat sesuai untuk untuk keperluan keperluan produksi produksi massal. massal. Kru"ian : etiap etiap metode metode pengec pengecora oran n memilik memilikii kelema kelemahan han sendirisendiri-sen sendir diri, i, tetapi tetapi secara secara umum umum dapat dapat disebutkan sebagai berikut * () +eterbatasan sifat mekanik" (#) ering terjadi porositas" (%) !imensi benda cetak kurang akurat" (') Permukaan benda cetak kurang halus" () $ahaya pada saat penuangan logam panas" () Masalah lingkungan. B%ra#a 'ontoh #ro&uk 'or : perhiasan, patung, blok mesin, rangka mesin,
-
penggorengan, pipa, roda kereta, pompa, dan lain-lainnya.
Pross #n"'oran : () () Pemb Pembua uata tan n cetak cetakan an"" (#) Persiap Persiapan an dan dan pelebu peleburan ran loga logam" m" (%) Penuan Penuangan gan loga logam m cair cair ke dalam dalam cetaka cetakan n* a) untuk cetakan cetakan terbuka (lihat (lihat gambar #..a) logam cair hanya hanya dituang hingga hingga memenuhi rongga yang terbuka, b) untuk cetakan tertutup (lihat gambar #..b) logam cair dituang hingga memenuhi sistem saluran masuk"
Dasar-Dasar Pengecoran Logam
&
Ga$%ar ()* Dua $a'a$ %ntuk 'takan +a, 'takan tr%uka +%, 'takan trtutu#
(') etelah dingin benda cor dilepaskan dari cetakannya" () ntuk 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 'takan : pasir, plaster,
-
keramik, dan logam.
.al-hal #ntin" /an" #rlu &i#rhatikan &ala$ #$%uatan suatu 'takan : ongga cetakan harus dirancang lebih besar daripada produk cor yang akan dibuat, untuk mengimbangi penyusutan logam" etiap logam memiliki koefisien susut yang berbeda-beda (dalam merancang suatu cetakan biasanya digunakan mistar susut). 0nis 'takan : () Ctakan ti&ak #r$ann (expendable mold )" hanya dapat digunakan satu kali saja. Contoh : - cetakan pasir ( sand casting ) - cetakan kulit ( shell mold casting ), - cetakan presisi ( precisian casting ). (#) Ctakan #r$ann + permanent mold ,1 dapat digunakan berulang-ulang (biasanya dibuat dari logam). Contoh : - gravity permanent mold casting - pressure die casting , - centrifugal die casting . Ctakan #asir : $agian-bagian cetakan pasir dapat dilihat dalam gambar #..b, yaitu * bagian atas cetakan (cope), bagian bawah cetakan (drag ), kotak cetakan ( flask ), sistem saluran masuk ( gating system), terdiri dari * cawan tuang ( pouring cup), saluran turun (down sprue), dan saluran masuk/pengalir (runner ), penambah (riser ), inti (core). Dasar-Dasar Pengecoran Logam
P$anasan &an Pnuan"an (Heating and Pouring) : !alam operasi pengecoran, logam harus dipanaskan sampai temperatur tertentu di atas titik leburnya dan kemudian dituangkan ke dalam rongga cetakan hingga menjadi beku. P$anasan lo"a$ : 0ogam dipanaskan di dalam tungku peleburan hingga mencapai temperatur lebur yang cukup untuk penuangan. 1nergi panas yang dibutuhkan adalah jumlah dari * () panas untuk mencapai titik lebur (logam masih dalam keadaan padat), (#) panas untuk merubah dari padat menjadi cair, (%) panas untuk mencapai temperatur penuangan yang diinginkan. 1nergi panas dapat ditunjukkan dengan persamaan berikut ini *
H 2 ρ V {C s ( m ! o " 3 H f 3 C l ( p ! m "# dimana *
H 2 jumlah panas yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur penuangan" $tu (4) C s 2 weight specific heat untuk logam padat" $tu/lbm 5 67 (4/g - 68) m 2 temperatur lebur logam" 67 (68) o 2 temperatur awal, biasanya temperatur ruang" 67 (68) H f 2 panas fusi/lebur" $tu/lbm (4/g) C l 2 weight specific heat untuk logam cair" $tu/lbm 5 67 (4/g - 68) p 2 temperatur penuangan" 67 (68) V 2 volume logam yang dipanaskan" in % (cm%) % % ρ 2 densitas logam" lbm/in (g/cm )
Contoh soal : ft% paduan eutektik akan dipanaskan dalam krusibel dari temperatur kamar hingga #&& 67 di atas titik leburnya. Paduan tersebut memiliki densitas 2 &, lbm/in%, temperatur lebur 2 %&& 6 7, specific heat logam padat 2 &,&9# $tu/lbm 5 67, specific heat logam cair 2 &,&: $tu/lbm5 6 7, dan panas lebur 2 :# $tu/lbm. $erapa jumlah energi panas yang ditambahkan untuk mencapai pemanasan tersebut, anggap tidak ada panas yang hilang. 0a2a% : ;nggap temperatur dalam ruang foundary 2 9& 67 dan densitas logam dalam keadaan padat dan cair sama, dan sebagai catatan ft%2 :#9 in%.
H 2 (&,)(:#9)<&,&9# (%&& 5 9&) 3 :# 3 &,&: (&& 5 %&&)= 2 '9.#:%,' $tu. Pnuan"an lo"a$ 'air etelah pemanasan, logam siap untuk dituangkan melalui sistem saluran masuk ke dalam rongga cetakan. >al ini merupakan suatu tahapan yang keritis dalam proses penuangan. ;gar tahapan ini berhasil, logam cair harus mengalir ke semua bagian dari rongga cetakan. $eberapa faktor yang berpengaruh dalam operasi penuangan adalah * () ?emperatur penuangan ( pouring temperatur ) adalah temperatur logam cair pada saat dituangkan ke dalam cetakan. >al 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 li@uidus untuk logam Dasar-Dasar Pengecoran Logam
#
paduan/alloy). Perbedaan temperatur tersebut dikenal dengan istilah superheat . Astilah superheat juga digunakan untuk menyatakan jumlah panas yang harus dihilangkan dari logam cair antara penuangan hingga pembekuan mulai terjadi. (#) 0aju penuangan ( pouring rate) adalah volume logam yang dituangkan ke dalam cetakan dalam waktu tertentu. $ila laju penuangan terlalu rendah maka logam akan menjadi dingin dan membeku sebelum pengisian seluruh rongga cetak selesai" dan sebaliknya bila laju penuangan terlalu tinggi maka akan terjadi turbulensi. (%) ?urbulensi dalam aliran cairan adalah kecepatan aliran cairan yang tidak menentu arah dan besar (magnitude)-nya ?urbulensi harus dihindarkan karena * - dapat mempercepat pembentukan oksida logam, yang dapat mengganggu proses pembekuan sehingga kualitas coran kurang baik" - dapat menyebabkan terjadinya pengikisan pada cetakan karena adanya benturan aliran logam cair, sehingga hasil coran kurang baik. Analisa &ala$ Pross Pnuan"an 1 untuk menganalisa logam cair yang mengalir melalui sistem saluran masuk menuju cetakan digunakan teori $ernoulli. ?eori $ernoulli menyatakan bahwa jumlah energi pada dua titik dalam cairan adalah sama.
P 1 v 12 h 1 + + + F 1 ρ 2g dimana *
P 2 v 22 = h + + F 2 2 + ρ 2g
h 2 ketinggian, cm (in) P 2 tekanan pada cairan, B/cm# (lb/in#) % % ρ 2 berat jenis, g/cm (lbm/in ) v 2 kecepatan aliran, cm/sec (in/sec) g 2 konstante percepatan gravitasi 2 C9 cm/sec# (%9 in/sec #) $ 2 kehilangan ketinggian akibat gesekan, cm (in).
$ila kehilangan ketinggian akibat gesekan diabaikan dan tekanan dianggap tetap, maka persamaan dapat disederhanakan menjadi *
v 12 v 22 h 1 + = h 2 + 2 g 2 g $ila titik adalah ujung atas saluran turun ( sprue) dan titik # adalah dasar cetakan digunakan sebagai titik referensi maka h% 2 & dan v& 2 & ' sehingga persamaan dapat disederhanakan menjadi
h 1
=
v 22 atau 2 g
v
=
2 gh
>ubungan lain yang penting selama penuangan adalah hukum kuntinuitas, yang menyatakan bahwa volume rate of flow dalam proses penuangan logam cair ke dalam cetakan adalah konstan * ) 2 v * 2 v# *#
Dasar-Dasar Pengecoran Logam
%
dimana *
)
2 volumetric flow rate, cm%/sec (in%/s)
v
2 kecepatan aliran, cm/sec (in/s)
*
2 luas penampang cairan cm# (in#)
1stimasi waktu pengisian rongga cetak * MFT =
dimana *
V Q
+$ 2 waktu pengisian cetakan (+old $illing ime", sec. V 2 volume rongga cetakan, cm% (in%)
Contoh soal : ebuah cetakan memiliki saluran turun dengan panjang ( h) 9,& in dan luas penampang pada dasar saluran ( *) adalah &,' in. #. aluran tersebut dihubungkan dengan saluran masuk horisontal menuju rongga cetak yang volumenya ( V ) adalah && in. %. ?entukan * a) kecepatan alir logam cair pada dasar saluran (v), b) laju alir volumetrik ()), c) waktu pengisian cetakan ( +$ ). 0a2a% : a) +ecepatan alir logam cair pada dasar saluran * v
b)
=
2. g.h
=
2.(386).(8 ,0)
78,59 in/sec.
0aju alir volumetrik * Q = v.A
c)
=
=
(79,59).(0,4)
=
31,4 in%/sec.
Daktu yang dibutuhkan untuk pengisian rongga cetak *
MFT =
V 100 = Q 31,4
=
3,2 sec)
3lui&itas : 7luiditas adalah kemampuan suatu logam cair untuk mengalir masuk ke dalam cetakan, sebelum membeku. 7luiditas merupakan kebalikan dari viskositas, bila viskositas naik, maka fluiditas turun, dan sebaliknya. 3aktor-!aktor /an" $$#n"aruhi !lui&itas : temperatur penuangan, komposisi logam (mempengaruhi panas lebur/heat of fusion dari logam) , viskositas logam cair, panas yang diserap oleh lingkungan disekitarnya.
Dasar-Dasar Pengecoran Logam
'
Catatan : yang dimaksud dengan heat of fusion adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah logam cair menjadi padat.
ntuk mengukur fluiditas digunakan cetakan spiral seperti ditunjukkan dalam gambar #.#, dimana fluiditas ditentukan dengan mengukur panjang logam padat dalam saluran spiral.
Ga$%ar ()( 8etakan spiral untuk pengujian fluiditas logam cair
Karaktristik P$%kuan : Pembekuan (solidifikasi) adalah transformasi logam cair kembali ke bentuk padatnya.
Soli&i!ikasi lo"a$ $urni1 logam murni membeku pada temperatur konstan yaitu sama dengan temperatur pembekuannya/temperatur leburnya, seperti ditunjukkan dalam gambar #.%.
Ga$%ar ()4 olidifikasi logam murni
B%ra#a istilah 2aktu &ala$ #ross soli&i!ikasi lo"a$ $urni : 5aktu soli&i!ikasi lokal adalah waktu pembekuan sebenarnya" 5aktu soli&i!ikasi total adalah waktu antara penuangan sampai proses pembekuan berakhir. etelah pembekuan berakhir temperatur turun hingga temperatur kamar. Soli&i!ikasi lo"a$ #a&uan +alloy,1 logam paduan umumnya membeku pada daerah temperatur tertentu, seperti ditunjukkan dalam gambar #.'.
Dasar-Dasar Pengecoran Logam
Ga$%ar ()6 olidifikasi logam paduan
Earis awal terjadinya pembekuan disebut garis li@uidus, dan garis akhir pembekuan disebut garis solidus. uatu paduan dengan komposisi tertentu bila didinginkan dalam waktu yang sangat lambat, maka pembekuan akan mulai terjadi pada saat temperatur mencapai garis li@uidus, dan pembekuan berakhir bila telah mencapai garis solidus. etelah itu pendinginan akan berjalan terus hingga mencapai temperatur kamar. Soli&i!ikasi lo"a$ #a&uan utktik 1 suatu paduan yang memiliki komposisi tertentu (komposisi eutektik) bila mengalami pendinginan sangat lambat, maka pembekuan akan berlangsung pada temperatur konstan (sama seperti logam murni). B%ra#a istilah #ntin" &ala$ #ross soli&i!ikasi : - Shrinkage adalah penyusutan pada daerah tertentu yang dapat menimbulkan cacat coran berupa rongga-rongga atau retak. ?ahapan terjadinya rongga-rongga akibat penyusutan ( shrinkage cavity) ditunjukkan dalam gambar #. berikut ini. (&) 0evel awal logam cair sesaat setelah dituangkan" () Penyusutan yang terjadi selama pendinginan fase cair (sebelum terjadi solidifikasi)" (#) Penyusutan yang terjadi pada saat perubahan fase cair ke fase padat" (%) Penyusutan yang terjadi selama pendinginan fase padat sampai temperatur kamar. -
Soli&i!ikasi trarah : ntuk mengurangi pengaruh shrinkage dapat dilakukan dengan mengarahkan proses solidifikasi pada daerah tertentu, dengan cara * (a) M$asan" risr (lihat gambar #..b) iser (penambah) merupakan cadangan logam cair pada cetakan yang berfungsi untuk mengimbangi penyusutan ( shrinkage) dalam pembekuan coran. !engan memasang riser, maka daerah yang mengalami solidifikasi awal berada jauh dari sumber logam cair, sehingga shrinkage yang mungkin terjadi berada pada riser itu sendiri. Menurut hoku$ Ch7orino7, riser harus diletakkan pada bagian/daerah yang memiliki rasio volume terhadap luas rendah, karena pada daerah tersebut akan mengalami solidifikasi paling cepat. !engan menambahkan riser pada daerah tersebut, maka solidifikasi dapat diperlambat sehingga cacat coran akibat terjadinya shrinkage pada benda cor dapat dihindarkan.
Dasar-Dasar Pengecoran Logam
Ga$%ar ()8 ?ahapan terjadinya shrinkage
(b) M$asan" 'il +chill , 8il 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. !alam gambar #..a ditunjukkan contoh pemasangan cil pada daerah yang mengalami konsentrasi panas tertinggi, sehingga terjadinya cacat akibat shrinkage dapat dihindarkan, sedang dalam gambar #..b dapat dilihat adanya cacat (rongga) akibat pengecoran dilakukan tanpa pemasangan cil.
Ga$%ar ()9 (a) Pemasangan cil luar, (b) tanpa cil menyebabkan adanya cacat
Dasar-Dasar Pengecoran Logam
:
