2. Logam Cair & Saluran dalam Pengecoran

Transkripsi

1 2. Logam Cair & Saluran dalam Pengecoran Penuangan logam cair ke dalam cetakan adalah satu dari langkah- langkah kritis dalam pengecoran karena perilaku cairan dan pembekuannya serta pendinginan menentukan apakah coran dapat terbentuk dengan baik dan bebas cacat. Campbell (1993) menyatakan bahwa skrap coran sebagian besar disebabkan oleh beberapa detik saat penuangan logam cair. Keberhasilan penuangan tergantung pada kualitas logam cair (e.g. komposisi dan temperatur) yang mempengaruhi aliran logam cair dan sebagian tergantung pada sifat-sifat dan desain cetakan (seperti sifat cetakan dan teknik saluran yang mengalirkan logam ke mould cavity/cetakan kosong). Ahli pengecoran logam (foundryman) juga mempertimbangkan gayagaya yang bekerja pada cetakan dan kontraksi/penyusutan volume yang terjadi saat suhu pendinginan hingga pembekuan. Akan tetapi, semua diawali dengan sifat aliran logam cair dalam kondisi pengecoran. 1 Champbell, J. Castings, 2 nd Ed. Butterworth-Heiemann Oxford

2 2.1 Fluiditas Logam Cair Fluidity/fluiditas juga dikenal dengan castability yang telah digunakan untuk menjelaskan perilaku aliran logam cair. Namun, istilah Fluidity lebih banyak dikenal. Secara umum, fluiditas adalah kualitas logam cair yang mampu membuat logam cair mengalir melalui jalur cetakan dan mengisi semua celah-celah cetakan. Sifat fluiditas ini menyediakan gambaran tajam dan keyakinan akan reproduksi dari desain detail pengecoran. Fluiditas yang rendah mengarah pada cacat dan kegagalan pengecoran produk. Fluiditas bukanlah sebuah sifat fisik tunggal seperti densitas atau viskositas tetapi sebuah karakteristik komplek yang berhubungan dengan perilaku dibawah kondisi khusus dalam sebuah cetakan. Faktor yang mempengaruhi fluiditas: VISCOSITY yang didefinisikan sebagai gaya yang diperlukan untuk memindahkan sebuah permukaan dari unit luasan pada unit kecepatan yang melalui sebuah permukaan paralel pada unit jarak. Viskositas adalah sebuah ukuran kapasitas sebuah cairan untuk mentransmisikan sebuah tegangan geser dinamis. 2

3 Apa yang terjadi saat logam cair mengalir? Saat logam cair mengalir dalam sebuah saluran tertutup, viskositasnya akan menentukan alirannya yang mana drag/hambatan yang ditimbulkan oleh dinding saluran tertransmisi ke logam cair sehingga mempengaruhi kecepatan aliran logam dalam cetakan. Salah satu karakteristik dasar zat cair adalah kemampuan cairan apapun untuk berpacu dengan waktu dalam mengisi cetakan/wadah yang dilaluinya. Ini akan terjadi dengan cepat untuk logam cair yang berada dalam temperatur yang konstan karena viskositasnya yang tinggi. Dalam kondisi pengecoran, kegagalan mengisi cetakan bukan dikarenakan oleh tingginya viskositas tetapi karena pembekuan yang prematur (belum saatnya). Jadi, kondisi termal (thermal condition) dan mode pembekuan (mode of solidification) menjadi faktor kritis terhadap berhentinya aliran logam cair. 3

4 Pengukuran Fluiditas Logam Cair Fluiditas tidak dapat diukur dari sifat fisik individual, sehingga pengujian empiris dilakukan untuk mengukur semua karakteritik dari fluiditas logam cair. Pengujian ini didasarkan pada kondisi analog pada pengecoran logam dalam pengecoran dan pengukuran fluiditas dilakukan sebagai jarak yang telah dilalui oleh logam cair dalam sistem saluran tertutup terstrandarisasi sebelum aliran tersebut berhenti. Parameter ini disebut dengan flow time atau fluid life. Salah satu jenis pengukuran fluiditas logam cair adalah dengan pengujian fluiditas spiral seperti pada gambar slide berikutnya. Berbagai model dirancang untuk mendapatkan kondisi yang standar dan salah satu usahanya dengan merancang sistem reservoir untuk mengatur pressure head dan membuat peralatan penuang dengan kecepatan konstan untuk menjamin pengaliran logam ke dalam sistem dengan kecepatan yang sama. Untuk memperkecil pengaruh sifat termal cetakan, cetakan grafit dan logam digunakan oleh beberapa peneliti untuk meminimalisasi pengaruh cetakan. 4

5 Pengukuran Fluiditas Logam Cair 5 Pengecoran untuk Uji Fluiditas Spiral Spiral Fluiditas Standard (atas kebaikan American Foundrymen s Society)

6 Pengukuran Fluiditas Logam Cair Pengecoran untuk Uji Fluiditas Spiral Susunan saluran turun dan dasar penuangan untuk spiral fluiditas standard (atas kebaikan American Foundrymen s Society) 6

7 Pengukuran Fluiditas Logam Cair Pengujian fluiditas logam cair dalam kondisi vakum Pengujian ini merupakan pendekatan paling mendekati uji standar lengkap dengan menggunakan Vacuum Fluidity Test yang diusulkan oleh Ragone, Adams dan Taylor. Dengan menggunakan alat ini, logam cair mengalir melalui tabung gelas halus di bawah pengaruh hisapan dari kondisi vacuum sebagian. Pressure head diketahui dengan akuran dan faktor manusia dalam penuangan dapat dihilangkan. 7

8 Parameter yang Mempengaruhi Fluiditas Temperatur Faktor paling dominan adalah temperatur awal dari logam cair. Banyak peneliti menunjukkan bahwa fluiditas dari logam paduan berhubungan dengan superheat (pemanasan di atas temperatur cair namun tetap dalam fasa cair). Ini menunjukkan bahwa superheat menentukan kuantitas panas untuk diserap sebelum pembekuan terjadi. Ilustrasi hubungan antara fluiditas dan superheat dapat dilihat pada gambar berikut. 8

9 Pengaruh superheat pada fluiditas logam murni dan paduan (Sb:stibium/antimonium, Sn: Stannum/tin) 9

10 Parameter yang Mempengaruhi Fluiditas Komposisi Selain temperatur, komposisi kimia logam merupakan faktor besar yang mempengaruhi fluiditas. Perbandingan valid dari fluiditas berbagai macam paduan dapat dibuat pada suhu superheat konstan tetapi dibawah kondisi ini hubungan tertentu muncul diantara paduan dan fluiditas. Fluiditas yang tinggi umumnya terdapat pada logam cair murni atau dengan komposisi eutectic. Paduan yang membentuk solusi solid biasanya memiliki rentang pembekuan yang panjang sehingga cenderung memiliki fluiditas yang rendah. Portevin dan Bastein menunjukkan hubungan terbalik antara fluiditas dan solidification range/rentang pembekuan. Ini juga dikonfirmasi oleh peneliti lain seperti Floreen dan Ragone untuk sistem paduan Aluminium. Contohnya dapat dilihat pada slide berikutnya. 10

11 Hubungan antara komposisi logam dan fluiditas Paduan Timbal-Timah (Pb-Sn Alloys) Fluiditas berbanding terbalik dengan solidification range. Liquidus Do you know why? Eutectic composition 11

12 Parameter yang Mempengaruhi Fluiditas Komposisi Perbedaan perilaku dari berbagai paduan dapat disebabkan oleh karakteristik mode pembekuannya (characteristic modes of freezing). Untuk paduan yang mana pembekuan terjadi dengan kemajuan bidang interfase secara progresif terhadap dinding cetakan, aliran dapat terus mengalir hingga semua saluran akhirnya terpenuhi. Ini terjadi di dekat titik masuk. Sedangkan logam murni membeku dengan mode seperti logam paduan dan menunjukkan fluiditas yang baik meskipun dituang pada suhu liquidus (fasa cair), aliran terus mengalir selama evolusi panas laten dari rekristalisasi. Untuk paduan, aliran dapat terhenti karena adanya kristal bebas dalam logam cair pada ujung dari arus aliran logam cair. Hal ini dapat terjadi karena adanya pendinginan cepat atau fenomena lain yang menghasilkan kristalisasi independen dalam massa utama logam cair. Gambar slide berikutnya menunjukkan berbagai macam mode pembekuan yang mana juga terdapat situasi pembentukan interface dendrit. 12

13 Mode pembekuan logam cair dalam saluran aliran Plane Interface Mode 13

14 Mode pembekuan logam cair dalam saluran aliran Jagged Interface Mode Jagged interface 14

15 Mode pembekuan logam cair dalam saluran aliran Independent Crystallization Mode 15

16 Parameter yang Mempengaruhi Fluiditas Meskipun paduan dan mode pembekuan adalah faktor besar yang mempengaruhi fluiditas. Fluiditas juga dipengaruhi oleh faktor lain. Meksipun paduan menunjukkan hubungan antara mode pembekuan yang mirip, tetapi hubungan antara fluiditas dan superheat tidak identik. Waktu yang dibutuhkan untuk pendinginan hingga suhu pembekuan tergantung pada kandungan panas dan sifat-sifat termal daripada suhu itu sendiri. Sehingga jarak dari aliran (fluiditas) dipengaruhi oleh volume specific heat, latent heat of fusion dan thermal conductivity dari paduan. Contoh, pada sistem Aluminium Silicon, fluiditas maksimum tidak terjadi pada komposisi eutectic seperti banyak terjadi pada sistem paduan lain. Namun pada paduan hypereutectic menunjukkan fluiditas lebih tinggi karena tingginya panas fusi dari Silicon. (meski, sebagian dari peningkatan ini karena pergeseran komposisi ke komposisi yang tidak stabil dengan kandungan Silikon yang lebih besar dari ukuran normalnya. Selain itu, keberadaan gas dalam logam cair dan inklusi unsur non logam juga mempengaruhi fluiditas logam. 16

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

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