4.2.4 Solidifikasi Solidifikasi atau Pembekuan logammerupakan suatu proses pengecoran yang mana logam dicairkan, dimasukkan dalam cetakan dan dikeluarkan. Kemudian dibiarkan membeku menjadi produk akhir atau semi akhir. Tahap pembekuan logam yaitu pada umumnya pembekuan logam dapat dibagi menjadi beberapa tahap seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 4.24 Proses Solidifikasi Sumber : Solidification dan Crystalline Imperfections Keterangan gambar : a) Pembekuan inti stabil b) Pertumbuhan inti menjadi butir c) Pembentukan struktur sebuah butir 1.
Pembentukan Inti Stabil dalam Logam Cair Terdapat dua mekanisme pengintian dari partikel padat dalam logam cair a) Pengintian Homogen Pengintian terjadi ketika atom-atom mulai mengatas dan mengikuti suatu pola geometris. Kemudian setelah itu terbentuk inti yang stabil dalam logam yang mulai membeku. Berikut adalah table nilai dari suhu pembekuan/suhu cair, panas fusi,energi permukaan dan undercooling maksimum untuk beberapa logam terpilih.
Table 4.1 Nilai dari suhu pembekuan/suhu cair, panas fusi, energi permukaan dan undercooling maksimum untuk beberapa logam terpilih.
Sumber : B. Chalmers, “Solidification of Metals,” Wiley, 1964 b) Pengintian Heterogen Proses pengintian yang sama dengan proses pengintian homogen. Hanya saja pengintian terjadi dalam logam cair yang berada pada
permukaan cetakan atau logam cair yang tidak murni seperti logam paduan. Pengintian heterogen ini banyak terjadi pada proses pengecoran industri yang mana tidak ada undercooling yang besar dan biasanya berkisar antara 0.1 hingga 10°C terhadap titik cair.
Gambar 4.25 Pengintian Heterogen Sumber : Solidification dan Crystalline Imperfections 2. Pertumbuhan Kristal dalam Logam Cair dan Pembentukan Struktur Butir. Berikut adalah urutan proses pertumbuhan Kristal dalam logam cair dan pembentukan struktur butir. a) Setelah inti yang stabil terbentuk pada logam yang sedang memadat b) Inti tumbuh menjadi kristal c) Pada setiap kristal atom berjajar beraturan sedangkan arah barisan berbeda antara satu kristal dengan yang lainnya. d) Saat pembekuan total terjadi , antar kristal saling bertemu membentuk batas butir (grain boundaries) dan butiran (grains) Macam- macam solidifikasi antara lain : 1. Solidifikasi logam murni Logam murni membeku pada temperatur konstan yaitu sama dengan temperatur pembekuannya/temperatur leburnya, seperti dalam gambar dibawah ini.
Gambar 2.26 Solidifikasi logam murni Sumber : http://frepository.binus.ac.id Urutan prosesnya yaitu :
1. Temperature logam cair murni pada titik leburnya 2. Seiring penuangan logam cair ke cetakan, cairan logam sudah mengalami penurunan suhu 3. Pendinginan awal dimulai, dimana suhu pendinginan awal dan suhu pendinginan selesai sama atau disebut “local solidification time”. 4. Setelah pendinginan selesai, mulailah cairan logam mengalami pengerasan struktur, kemudian proses solidifikasi mendekati suhu kamar. Beberapa istilah waktu dalam proses solidifikasi logam murni : a) Waktu solidifikasi lokal adalah waktu pembekuan sebenarnya; b) Waktu solidifikasi total adalah waktu antara penuangan sampai proses pembekuan berakhir. Setelah pembekuan berakhir temperatur turun hingga temperatur kamar. 2. Solidifikasi logam paduan (alloy) Logam paduan umumnya membeku pada daerah temperatur tertentu, seperti seperti dalam gambar berikut :
Gambar 2.27 Solidifikasi logam paduan Sumber : http://frepository.binus.ac.id Urutan prosesnya yaitu : 1. Logam paduan dicairkan sampai temperatur lebur. 2. Seiring penuangan cairan logam paduan, cairan tersebut sudah mengalami penurunan temperature. 3. Temperature terus menurun sampai terjadi pendinginan awal cairan logam paduan. Karena cairan logam paduan mempunyai material logam yang berbedabeda, contoh paduan Al-Mg. maka pendinginan awal sampai pendinginan selesai mempunyai temperature yang berbeda 4. Cairan logam paduan mengalami pengerasan struktur. Dimana temperature terus menurun samapai mendekati temperature kamar. 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. Macam-macam daerah pembekuan yaitu : a) Chill Zone Selama proses penuangan logam cair ke dalam cetakan,logam cair yang berkontak langsung dengan dinding cetakan akan mengalami pendinginan yang cepat dibawah temperatur liquiditas-nya. Akibat pada dinding cetakan tersebut timbul banyak inti padat dan selanjutnya tumbuh ke arah cairan logam. Bila temperatur penuangannya rendah,seluruh logam. Bila temperatur penuangannya rendah,seluruh logam cair akan membeku dibawah temperatur penuangannya tinggi. Cairan logam yang berada ditengah-tengah ingot akan tetap berada diatas temperatur liquiditas untuk jangka waktu lama.
Gambar 2.28 Chill Zone Sumber : http://www.dasar-dasar pengecoran.blogspot.com b) Columnar Zone Sesaat setelah penuangan, gradien temperatur pada dinding cetakan menurun dan kristal pada daerah chill tumbuh memanjang berlawanan arah dengan arah perpindahan panas/panas bergerak dari cairan logam ke arah dinding cetakan yang bertemperatur lebih rendah . Yang disebut dengan dendrit. Setiap kristal dendrit banyak mengandung lengan-lengan dendrit (primary dendrit). Jika fraksi volume padatan (dendrit) meningkat panjang dendrit dan struktur yang berbentuk dasa tunggal, maka lengan-lengan dendrit sekunder dan tersier. Daerah yang terbentuk antara dendrit dan titik dimana sisa ciran terakhir akan membeku disebut sebagai mushyzone atau pasty zone.
Gambar 2.29 Columnar Zone Sumber : http://www.dasar-dasar pengecoran.blogspot.com c) Equiaxed Zone
Daerah ini terdiri dari butir-butir equiaxial yang secara acak ditengah tengah ingot. Pada daerah ini perbedaan temperatur yang ada menyebabkan terjadinya pertumbuhan butir memanjang
Gambar 2.30 Equiaxed Zone Sumber : http://www.dasar-dasar pengecoran.blogspot.com
