Dasar pengecoran logam Kelompok 2 Wanda Saputra Yoes Firman
Sejarah pengecoran Mencairkan logam coran dibuat dari logam yang di cairkan, di tuang kedalam cetakan, kemudian dibiarkan mendingin dan membeku. sejarah pengecoran dimulai ketika orang mengetahui bagaimana mencairkan logam dan bagaimana membuat cetakan. Hal itu terjadi kira – kira tahun 4.000 sebelum masehi, sedangkan tahun yang lebih tepat tidak diketahui orang. Awal penggunaan logam oleh orang ialah ketika orang membuat perhiasan dari emas dan perak tempaan, dan kemudian membuat senjata atau mata bajak dengan menempa, hal itu dimungkinkan karena logam terdapat di alam dalam keadaan murni, sehingga dengan mudah orang menempanya.
Pengecoran perunggu di lakukan pertama di Mesopotamia kira – kira 3.000 tahun sebelum masehi, teknik ini diteruskan ke asia tengah, India dan cina. Penerusan ke cina kira – kira 2.000 tahun sebelum masehi, dan dalam zaman cina kuno semasa yin, yaitu kira – kira tahun 1.500 – 1.000 tahun sebelum masehi. Pada masa itu tangki – tangki besar yang halus buatannya dibuat dengan jalan pegecoran.
Teknik pengecoran perunggu di india dan cina diteruskan ke jepang dan asia tenggara, sehingga di jepang banyak arca – arca Budha dibuat antara tahun 600 dan 800. penggunaan besi dimulai dengan penempaan, sama halnya dengan tembaga. orang – orang Asria dan Mesir Mempergunakan perkakas besi dalam tahun 2.800 – 2.700 sebelum masehi. Kemudian, di cina dalam tahun 800 – 700 sebelum masehi, ditemukan cara membuat coran dari besi kasar yang mempunyai titik cair rendah dan mengandung fosfor tinggi dengan mempergunakan tanur beralas datar.
Sementara itu teknik pengecoran Mesopotamia diteruskan juga ke eropa, dan dalam tahun 1.500 – 1.000 tahun sebelum masehi, barang – barang seperti mata bajak, pedang, mata tombak, perhiasan, tangki, dan perhiasan makam dibuat di spanyol, swis, jerman, ustria, norwegia, Denmark, swedia, inggris dan prancis. Teknik produksi ini kemudian diteruskan ke Negara – Negara disekitar laut tengah. Di yunani, 600 tahun sebelum masehi, arca – arca raksasa Epaminodas atau Hercules, berbagai senjata, dan perkakas dibuat dengan jalan pengecoran.
Di india di zaman itu, pengecoran besi kasar dilakukan dan diekspor ke mesir dan eropa. Walaupun demikian baru abad ke 14 saja pegecoran besi kasar dilakukan secara besar – besaran, yaitu ketika jerman dan itali meningkatkan tanur yang bealas datar yang primitip itu menjadi tanur tiup yang berbentuk silinder, dimana pencairan dilakukan dengan jalan meletakkan bijih besi dan arang batu berselan seling. Produk – produk yang dihasilkan pada waktu itu ialah: meriam, tungku, pipa dan lain – lain.
Cara pengecoran pada zaman itu ialah menuangkan secara langsung logam cair yang didapat dari bijih besi, kedalam cetakan, jadi tidak dengan jalan mencairkan kembali besi kasar seperti kita sekarang. Walaupun sejak masa kuno baja dipakai dalam bentuk tempaan, namun hanyalah sejak H. Bessemer atau W. Siemens sajalah telah diusahakan untuk membuat baja dari besi kasar, dan coran baja produksi pada akhir pertengahan abad 19. Coran paduan aluminium dibuat pada akhir abad 19 setelah cara pemurnian dengan elektrolisa ditemukan.
Cetakan Telah dikatakan bahwa ketika pengecoran tembaga pertama kali ditemukan di mesopotamia, logam cair dituang ke dalam pasir, kemudian seperti halnya cara baru, di cara akal untuk menuang logam cair ke dalam rongga kedalam batu. Bahan batu tersebut adalah pasir, batu gamping atau serpetin yang mau diolah, kadang dipergunakan tanah liat untuk menguatkan. Dan selanjutnya dicari cara agar mebuat coran berongga dengan mempergunakan inti dibuat dari tanah lempung, bubuk arang batu.
Selain mengukir batu atau membuat cetakan dari tanah, di kembangkan juga cara – cara membuat cetakan dengan pola lilin dan kayu . pola lilin ditutup oleh campuran tanah pasir dan tanah liat yang kemudian dipanaskan agar lilin mencair dan terbuang, maka terbentuklah rongga cetakan. Cara tersebut merupakan dasar dari pengecoran pasir dan lilin seperti cara yang kita sekarang, dan dikatakan bahwa cara itu dikembangkan lama sekali, kira – kira 2.000 tahun sebelum masehi atau lebih. Walaupun demikian teknik yang dipakai sekarang untuk membuat cetakan pasir dengan pola kayu telah disempurnakan di eropa setelah abad ke 18, demikian juga halnya dengan teknik pencairan besi.
Definisi Pengecoran Proses pengecoran logam (casting) adalah salah satu teknik pembuatan produk dimana logam dicairkan dalam tungku peleburan kemudian dituangkan ke dalam rongga cetakan yang serupa dengan bentuk asli dari produk cor yang akan dibuat. Sebagai suatu proses manufaktur yang menggunakan logam cair dan cetakan, pengecoran digunakan untuk menghasilkan bentuk asli produk jadi. Dalam proses pengecoran, ada empat faktor yang berpengaruh atau merupakan ciri dari proses pengecoran, yaitu : 1. Adanya aliran logam cair ke dalam rongga cetak. 2. Terjadi perpindahan panas selama pembekuan dan pendinginan dari logam dalam cetakan. 3. Pengaruh material cetakan. 4. Pembekuan logam dari kondisi cair.
Keuntungan penggunaan coran 1. 2. 3. 4. 5.
Dapat mencetak bentuk kompleks, baik bentuk bagian luar maupun bentuk bagian dalam; Beberapa proses dapat membuat bagian (part) dalam bentuk jaringan; Dapat mencetak produk yang sangat besar, lebih berat dari 100 ton; Dapat digunakan untuk berbagai macam logam; Beberapa metode pencetakan sangat sesuai untuk keperluan produksi massal.
Pembekuan (solidification) Pembekuan (solidifikasi) adalah transformasi logam cair kembali ke bentuk padatnya. Bagi mayoritas bahan-bahan logam, pembekuan adalah langkah awal dalam manufaktur dan pembekuan juga merupakan sebuah proses dasar dalam beberapa teknik penyambungan. a. Logam murni Kita dapat mengamati pembekuan logam murni dengan memasukkan sebuah termokopel ke dalam larutan cair atau leburan yang diisikan ke dalam sebuah krus (crucible) dan merekam perubahan suhu dari waktu ke waktu. Jika tidak ada panas yang diberikan, larutan cair lambat laun akan mendingin dengan melepaskan kalor sensible atau energy internal hingga pada suhu Tm bodi Kristal terkecil, inti (nuclei), terbentuk pada beberapa titik dalam larutan cair.
Dalam kondisi cair, dengan jarak acak, atom-atom yang terganggu akan menempati banyak ruang, akibatnya volume spesifik (volume per satuan massa) menjadi besar. Selama pendinginan larutan cair, rangsangan termal mejadi melemah, dan volume spesifik berangsur turun sampai titik cair tercapai. Atom-atom menempati lokasi kisi-kisi yang jaraknya lebih dekat dan volume spesifik turun secara substansial; penyusutan selama pembekuan (solidification shrinkage) umumnya 2,5-6,5%. Ini berarti jika suatu coran akan dihasilkan bebas dari cacat-cacat rongga, maka harus ada tambahan larutan cair yang mengganti penyusutan selama pembekuan. Biasanya logam menyusut sekitar 1% setiap ada penurunan suhu sebesar 10000C.
Solidifikasi logam paduan (alloy); logam paduan umumnya membeku pada daerah temperatur tertentu, seperti ditunjukkan dalam gambar dibawh ini:
b. Larutan Padat Secara teknis logam yang paling penting bukanlah logam murni, melainkan terdiri atas sejumlah unsur logam dan non logam lainnya yang ditambahkan dengan sengaja (unsur-unsur) paduan. Dalam kondisi yang baik, unsur paduan dapat terdistribusi secara seragam dalam logam dasar, membentuk sebuah larutan padat. c. Sistem Euteknik 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 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) 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 hukum 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 (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.
HEAT TRANSFER (Pemindahan panas) Apabila material dipanaskan dengan laju pemanasan tetap,terjadi perubahan kimia, seperti oksidasi dan degradasi, dan/ atau perubahan fisika. 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 : panas untuk mencapai titik lebur (logam masih dalam keadaan padat), panas untuk merubah dari padat menjadi cair, 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
=
Hf Cl
= =
Tp V
= = =
temperatur awal, biasanya temperatur ruang; OF (OC) panas fusi/lebur; Btu/lbm (J/g) weight specific heat untuk logam cair; Btu/lbm – OF (J/g - OC) temperatur penuangan; OF (OC) volume logam yang dipanaskan; in3 (cm3) densitas logam; lbm/in3 (g/cm3)
Pouring (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. Pada tahap penuangan suhu perlu diatur yang terakhir kalinya. Unsur-unsur paduan yang sangat mudah menguap karena tekanannya uapnya yang tinggi akan hilang selama peleburan, sehingga perlu dikenali. Unsur-unsur untuk deoksidasi juga dapat ditambahkan. Pada umumnya, tujuannya adalah untuk mempertahankan aliran logam bebas dari turbulensi yang menyebabkan oksida dan terak.
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 : 1. Dapat mempercepat pembentukan oksida logam, yang dapat mengganggu proses pembekuan sehingga kualitas coran kurang baik; 2. Dapat menyebabkan terjadinya pengikisan pada cetakan karena adanya benturan aliran logam cair, sehingga hasil coran kurang baik.
Fluid flow ( zat alir) 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.
P1 v P2 v h1 F1 h2 F2 ρ 2g ρ 2g 2 1
2 2
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).
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.
