9. Material Cetakan. 9.1 Persyaratan Fungsional Material Cetakan

Transkripsi

1 9. Material Cetakan Pengecoran dapat dibuat dengan cetakan permanen logam atau cetakan dengan bahan refractory (misalkan, pasir silika). Akan tetapi, penggunaan cetakan permanen logam memiliki keterbatasan dimana biayanya dapat tertutupi bila produksi corannya secara massal. Selain itu cetakan logam hanya tepat untuk logam dengan suhu cair rendah yang mana lebih rendah dari suhu cair logam cetakan permanen. Oleh karena itu, cetakan pasir masih menjadi metode yang cukup luas penggunaannya selain dapat dibuat kembali, mampu digunakan untuk pengecoran logam dengan suhu cair tinggi. Sehingga persiapan material untuk cetakan pasir dan inti cetakan, sifatsifatnya dan pengujiannya perlu diketahui agar dapat melakukan pengecoran logam dengan cetakan pasir dengan baik. 9.1 Persyaratan Fungsional Material Cetakan Sebuah pencampuran cetakan pengecoran melalui empat tahap produksi utama yaitu: persiapan dan distribusi, produksi cetakan dan inti, pengecoran serta pembersihan dan reklamasi/daur ulang.

2 Sifat-sifat utama yang dibutuhkan pada tahap pembuatan cetakan adalah flowability dan green strength dari cetakan. Flowability adalah kemampuan material untuk dibuat padat dengan densitas yang uniform/seragam. Flowability yang tinggi dapat dibuat dengan ramming action dari mesin cetakan yang mana energi pemadatan harus ditransmisikan ke seluruh massa pasir. Kebutuhan akan green strength dari cetakan pasir muncul saat pola ditarik dari cetakan, maka cetakan harus mampu menahan bentuknya secara independen tanpa adanya distorsi atau runtuh. Tegangan yang dialami cetakan tergantung pada tingkat penompang dari cetakan, pengangkatan pola, dan inti besi dan bentuk serta dimensi dari compact. Dalam banyak kasus, stabilitas dimensi dan akurasi yang tinggi dapat dicapai tanpa green strength yang memadai, selama cetakan atau inti diperkeras saat kontak dengan permukaan pola dan biasanya menggunakan sistem pengikatan (bonding system). Dalam proses penuangan, banyak cetakan dituang dalam kondisi green state. Namun untuk pengecoran berat seperti baja, cetakan diperkeras untuk mendapatkan kekakuan yang tinggi saat mendapatkan tekanan dan gaya erosif dari logam cair.

3 Pengerasan cetakan dapat dilakukan dengan pengeringan temperatur tinggi pada pasir yang diperkuat oleh lempung atau membakar inti cetakan yang mana semuanya dapat pula diperkeras secara kimiawi. Dengan kata lain, pada tahap penuangan, dry strength (kekuatan cetakan yang diperkeras atau dalam kondisi kering) adalah signifikan. Selain itu, cetakan perlu dikeringkan sebelum penuangan agar cetakan tidak luruh menjadi serbuk kembali (friability). Persyaratan lain adalah refractoriness atau kemampuan material cetakan untuk tahan terhadap suhu tinggi tanpa mengalami pembakaran atau perubahan fisik lainnya. Sifat ini sangat penting untuk proses manufaktur paduan dengan suhu cair tinggi seperti baja. Sedangkan untuk paduan dengan suhu cair rendah, refractoriness dapat diganti dengan persyaratan lain yang lebih penting seperti kehalusan pasir dlsb. Kondisi lain dari pengecoran adalah adanya gas yang terlibat atau tergantikan oleh logam cair dalam cetakan. Kebanyakan gas dapat dilakukan melalui saluran udara dan ventilasi tetapi untuk coran dengan volume besar, udara harus dapat dilakukan oleh pori-pori cetakan. Masalah ini sangat serius terjadi untuk cetakan greensands dan coresands. Setiap penguapan dari 1% kelembaban green moulding sand dapat menghasilkan 30 kali volume dari uap, hal ini paralel untuk tipe pasir lain.

4 Oleh karena itu, sifat permeability (kemampuan untuk menyediakan jalur keluarnya gas dari cetakan) merupakan sifat yang sangat diperlukan untuk melindungi coran dari cacat blows dan cacat-cacat yang sejenis. Fineness diperlukan untuk mencegah adanya penetrasi logam dan menghasilkan permukaan cetakan yang halus. Mengingat, permeability dan fineness adalah fungsi dari ukuran butir dan distribusinya, dua sifat ini biasa terjadi konflik dan harus ada kompromi dalam membuat cetakan pasir. Fineness dapat dicapai dengan menggunakan pasir cetak yang halus dengan melakukan pengayakan secara kontinyu. Namun, hal itu akan mengurani permeabilitas. Sebuah alternatif pendekatan untuk menggunakan material dengan permeabilitas tinggi dan mendapatkan permukaan yang halus adalah dengan menggunakan pelapisan cetakan. Material cetakan juga memerlukan kualitas lanjut yang tidak perlu terukur oleh uji standar. Seperti, bench life, kemampuan untuk mempertahankan kualitas pasir saat disimpan atau dibiarkan saja. Kemudian, durability, yang menunjukkan kapasitas sistem cetakan untuk tetap bertahan dalam kondisi siklus pemanasan dan pendinginan berulang dalam sistem pasir yang terintegrasi.

5 9.2 Pembuatan Cetakan dan Persyaratan Khusus untuk Coresands Praktek pembuatan cetakan pasir: 1. Pengikat lempung melibatkan biaya material yang rendah dan menghindari biaya pengerasan cetakan baik dengan secara kimiawi atau secara termal. 2. Perputaran kotak cetakan dan cetakan yang halus serta siklus pengecoran yang cepat adalah hal yang menguntungkan dalam sistem mekanisasi. 3. Pasir dapat direkondisi karena dehidrasi yang kecil dari ikatan lempung. 4. Greensands memiliki kekuatan tekan yang lebih rendah, yang mana menawarkan ketahanan yang kurang terhadap kontraksi daripada cetakan diperkeras sehingga resiko adanya hot tearing dapat dikurangi. 5. Cetakan dapat tersambung dengan tertutup, sehingga meninggalkan flash yang kecil untuk pembersihan dengan pemotongan. 6. Prosesnya ramah lingkungan.

6 9.2 Pembuatan Cetakan dan Persyaratan Khusus untuk Coresands Praktek pembuatan cetakan diperkeras atau drysand: 1. Cetakan diperkeras (hardened moulds) menawarkan ketahanan yang maksimum terhadap distorsi akibat tekanan metallostatic dan terhadap erosi cetakan selama penuangan yang lebih lama. Oleh karena itu, cetakan ini cocok untuk pengecoran dengan dimensi sangat besar dan memberikan akurasi dengan standar tinggi. Dalam produksi besi tuang secara khusus, kekakuan cetakan berkontribusi pada akurasi dimensional. 2. Masalah ventilasi dapat dikurangi karena ketidakadaan uap yang dihasilkan oleh kelembaban cetakan. 3. Permukaan cetakan yang tidak dapat ditembus dapat dibuat karena pasir dengan permeabilitas rendah dapat digunakan, kalau perlu dengan coating. 4. Permukaan dengan struktur chilled dapat dikurangi banyak, karena cetakan dapat memfasilitasi aliran logam cair dalam bagian yang tipis. 5. Masalah pengeringan lanjut selama penundaan dalam pengecoran yang bisa membuat permukaan rontok menjadi serbuk dapat dihindari.

7 Pengerasan Cetakan Pengerasan secara kimia dapat dilakukan baik dengan reagent liquid atau gas. Liquid reagents secara umum diterapkan pada kondisi dingin dan dicampurkan ke dalam pasir saat tahap pencampuran. Pada beberapa kasus dicampurkan lubang cetakan, sehingga tidak pada operasi pengerasan terpisah. Pengerasan dengan gas atau uap dilakukan setelah pemadatan dan biasanya dilakukan pada inti atau komponen yang lebih kecil. Untuk cetakan yang dikeringkan penuh, digunakan kompor atau open untuk mengeringkannya dengan temperatur C. Pengeringan permukaan dapat juga dibawa keluar menggunakan burner gas atau pengeringan dengan udara panas. Pengerasan permukaan dapat ditingkatkan dengan perlakuan mula menggunakan penyemprotan campuran zat pengeras atau pelapisan cetakan dengan zat yang tidak terbakar seperti grafit dlsb.

8 Persyaratan untuk intipasir (core sand) Meskipun teknik pembuatan inti cetakan secara prinsip mirip dengan cara pembuatan cetakan, kondisi inti dan cetakan berbeda selama penutupan cetakan dan pengecoran. Praktek pembuatan cetakan dengan greensand atau drysand diterapkan untuk membuat cetakan. Untuk, inti cetakan biasanya menggunakan teknik pengeringan atau pengerasan agar dapat dihasilkan kekuatan inti yang tinggi sesuai dengan situasinya. Inti sering memiliki struktur yang kompleks, dan harus ditangani dengan proses tersendiri tanpa dukungan dari kotak cetakan. Kekuatan kering yang tinggi juga diperlukan dalam pengecoran untuk mampu menahan tegangan pada inti dan sering dikelilingi oleh logam cair. Inti greensands diperlukan pada beberapa kasus khusus namun penanganannya saat penutupan cetakan lebih sulit. Inti cetakan harus memiliki sifat tahanan yang minimum untuk kontraksi.

9 9.3 Pengujian Pasir Cetak Pengujian pasir cetak perlu dilakukan untuk menjaga kualitas dari pasir cetak sehingga didapatkan cetakan yang menghasilkan coran yang maksimal. Pengujian pasir cetak sudah lama dibuat dan diawali oleh H.W. Dietert dari American Foundrymen s Society, BCIRA dan individuindividu peneliti dan organisasi yang tertulisa dalam publikasi laporan, handbook dan papers serta masih banyak yang relevan. Sifat-sifat pejal dari agregat sensitif terhadap variasi kecil dalam kondisi pencampuran dan persiapan spesimen sehingga standarisasi yang kaku diperlukan pada semua tahap. a. Spesimen untuk Bulk Testing (pengujian bentuk pejal pasir cetak) Sifat-sifat mekanis dan karakteristik tertentu ditentukan oleh spesimen yang dipadatkan menjadi bulk density yang mirip dengan hasil penekanan dalam sumur cetakan rammed.

10 Banyak cetakan menggunakan 2 in x 2 in silinder AFS specimen atau 50 mm x 50 mm DIN ekuivalen yang disiapkan dengan memberikan beban pada pasir dengan pemukulan beberapa kali oleh standar rammer dan disalurkan pada piston menumbuk pasir cetak dalam cetakan silinder. Gambar rammer dapat dilihat pada gambar di samping ini. Sand rammer untuk persiapan spesimen

11 Berat pasir disesuaikan dengan kebutuhan untuk membuat spesimen untuk pengujian permeabilitas, atau pengujian kekuatan kering seperti kekuatan tarik, tekan dan geser. Dari proses penumbukan dengan rammer ini dapat diketahui sifat kompatibility atau flowability dari pasir untuk mengisi cetakan yang ada. b. Pengujian kekuatan green dan dry Pada prinsipnya adalah untuk mengukur tegangan yang mengakibatkan kerusakan pada pasir cetak dalam kondisi kecepatan pembebanan yang konstan. Biasanya pengujian dilakukan dengan peralatan sederhana dan dioperasikan secara manual, dengan pembebanan pegas. Namun banyak yang menggunakan mesin pengujian universal (universal testing machine) seperti pada gambar berikut.

12 Universal sand strength testing machine

13 Universal sand strength testing machine untuk pasir cetak dengan kekuatan yang lebih tinggi

14 Kondisi pembebanan dalam pengujian kekuatan untuk material cetakan a) compression, b) shear, c) tension, d) transverse

15 c. Pengujian green strength lainnya untuk kualitas cetakan Compactability and Flowability Tes compactability diterima luas sebagai metode sederhana yang langsung berhubungan dengan perilaku pasir di dalam mesin khususnya saat dilakukan squeeze compaction. Dengan volume yang tetap ditekan dengan kondisi standard kemudian diukur reduksi volumenya yang mana reduksi volume ini sebagai parameter compactability. Semakin tinggi reduksinya semakin tinggi sifat compactability-nya nya. Pengujian dapat menggunakan standard sand rammer: tabung spesimen silindris diisi oleh pasir hingga penuh kemudian diberi pukulan ram tiga kali. Volume reduksi biasanya antara 33 55%, meskipun reduksi ini dipengaruhi oleh kandungan lempung dan air. Dengan informasi ini, maka dapat dijadikan dasar untuk memperkirakan jumlah pasir yang dibutuhkan untuk produksi cetakan yang memuaskan.

16 c. Pengujian green strength lainnya untuk kualitas cetakan Compactability and Flowability Flowability diuji dengan menggunakan standar rammer tetapi berdasarkan pergerakan reduksi antara pukulan ke empat dan ke lima dalam pembuatan spesimen uji tekan. Pasir yang memiliki flowability yang tinggi dapat dipadatkan penuh pada awal pemukulan. Hasil pengukuran flowability ini dipengaruhi oleh bentuk butiran dan distribusi pasir dasar, serta kandungan lempung dan air. Perbedaan sifat alir pasir dapat dilihat dari pengukuran densitas pejal, yang mana berdensitas x 10 3 kg/m 3 untuk pasir tidak tertekan. Sedangkan untuk pasir yang telah ditekan lama dengan rammer memiliki densitas kg/m 3.

17 Pengujian Permeabilitas Pasir Cetak Permeability ditentukan dengan mengukur kecepatan aliran udara melalui spesimen yang dipadatkan dengan kondisi standar. Standar yang diikuti adalah AFS dengan bentuk silinder yang didapatkan dari tabung rammer. Alat permeabilitas meter memiliki tabung udara 2 liter di atas air. Kemudian, dengan pembebanan udara mengalir melalui O-seal dimana di atasnya terdapat spesimen pasir cetak. Waktu yang diperlukan untuk menghabiskan 2 liter udara diukur. Permeability Number, P adalah volume udara cm 3 /menit yang melewati spesimen sepanjang 1 cm dan penampang 1 cm 2 dibawah beda tekanan 1 cm water gauge. Permeability meter (Ridsdale & Co. Ltd.)

18 Alat permeabilitas meter lainnya yang mengukur permeabilitas secara langsung dengan skala. Atau bisa juga dengan alat dan teknik standar, permeabilitas dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini, yang mana t adalah waktu dalam detik. Compact direct reading permeability meter (Ridsdale-Dietert electric Permmeter, Ridsdale & Co. Ltd.)

19 Hubungan antara kekuatan dan curing time/pemulihan untuk sebuah jenis cetakan pasit yang terikat resin yang disetting dingin. Titik A menunjukkan bench life, B adalah setting time dan C adalah waktu untuk berkembang menjadi kekuatan maksimum (Institute of British Foundrymen)

20 Pengujian Impact Penetration Pasir Cetak Impact penetration tester dengan internal spring loaded hammer (Ridsdale & Co. Ltd.)

21 Pengujian Hot Distortion Skema pengujian hot distortion (dari Morgan and Fashamm, American Foundrymens s Society)

22 Contoh kurva tegangan waktu hasil pengujian hot distortion. Tahap: O-A: berekspansi ke atas melawan beban; A-B: thermoplastic softening; B-C: thermosetting; C-D: breakdown and collapse (dari Morgan and Fashamm, American Foundrymens s Society)

23 Komposisi kimia beberapa Pasir Cetak Hasil analisa kimia beberapa jenis pasir cetak untuk pengecoran

24 Distribusi Pasir Cetak Kurva grade kumulatif untuk pasir kasar (coarse) dan halus (fine)

25 Pengaruh ukuran butir terhadap kekuatan pasir cetak Efek ukuran butir terhadap kekuatan pasir cetak yang diikat oleh lempung (Davies, British Steel Corporation)

26 Pengaruh ukuran butir terhadap densitas pasir cetak Efek bentuk butiran terhadap densitas pejal dari pasir cetak diikat oleh minyak (Davies, British Steel Corporation)

27 Pengaruh kandungan binder terdapat kekuatan pasir cetak Pengaruh kandungan binder terhadap kekuatan pasir cetak (pasir silika diikat oleh Wyoming bentonite/lempung. Sifat kelembaban optimum; rasio lempungair ) (Grim dan Cuthbert)

28 Pengaruh kandungan air terdapat kekuatan pasir cetak Pengaruh kandungan air pada green strength dan dry strength pasir cetak (bentonite-bonded silica sand)

29 Pengaruh kandungan air dan lempung terdapat kekuatan pasir cetak Pengaruh kandungan air pada lempung terhadap green strength pasir cetak (Grim dan Cuthbert, American Ceramic Society)

30 Pengaruh aliran CO 2 terhadap kekuatan pasir cetak Pengaruh aliran karbon dioksida pada kekuatan tekan, ilustrasi pengurangan kekuatan akibat overgassing. Pasir cetak memiliki mesh bervariasi dengan kandungan binder 4% (Haley dan Leach) (American Ceramic Society)

31 Perilaku kekuatan pasir cetak pada suhu tinggi Kekuatan pada temperatur tinggi untuk pasir cetak yang diikat dengan sodium silicate (Taylor) (American Foundrymen s Society)

32 Penambahan pada pasir cetak untuk peningkatan kualitas pasir cetak Tabel Tambahan Khusus untuk Campuran Pasir Cetak

33 Macam-macam Pasir Cetak yang tanpa kandungan Silika Pasir refraktori tanpa kandungan silika

34 Sifat ekspansi termal beberapa pasir cetak pada berbagai suhu Ekspansi termal untuk cetakan refraktori (Middleton, Institute of British Foundrymen)

35 Beberapa material yang bisa dibuat untuk pelapisan pasir cetak terutama di dinding cavity Tabel Cetakan yang dilapisi refraktori

36 Terima kasih kepada Penulis Buku yang menjadi acuan mata kuliah ini: Peter Beeley, Foundry Technology 2 nd Edition, Butterworth Heinemann

37 Terima kasih atas perhatian Anda dan Selamat Mencatat dan Belajar dengan Baik