Penyaringan (Filtration)

Transkripsi

1 Penyaringan (Filtration) Kemajuan terbesar dalam menghadapi masalah inklusi adalah perkembangan filter modern untuk logam cair. Pada paduan ringan (massa jenis ringan), terdapat penggunaan teknik penyaringan lama untuk menyaring sebagian besar inklusi. Teknik ini juga beberapa digunakan untuk logam cair dengan massa jenis lebih berat. Teknik itu adalah strainer core (inti saringan). Saringan ini berupa piringan berongga yang terbuat dari pasir atau logam refraktori (logam dengan suhu cair tinggi) yang ditempatkan pada runner bush atau di sepanjang gate (seperti tampak pada gambar di slide (a) berikutnya). Tujuannya adalah untuk menahan/menyaring inklusi besar dan mengurangi turbulensi dalam sistem. Untuk pengecoran paduan ringan, saringan logam berongga digunakan dalam sistem saluran yang mana dikembangkan oleh Flemings dan Poirier untuk paduan magnesium. (ditunjukkan pada gambar (b) di slide berikutnya) Berbagai macam saringan berupa saringan kawat baja silindris, ayakan kawat atau filter serat juga luas digunakan. 1

2 Contoh metode penyaringan dengan inti strainer(saringan) Dan penggunaan saringan logam 2

3 Filter keramik Kemajuan cepat dari prinsip penyaringan diikuti dengan pengenalan filter keramik yang dikontrol dengan karakteristik pori-porinya. Tipe yang banyak diadopsi adalah yang dibuat dengan memasukkan busa plastik dengan densitas rendah ke dalam adonan keramik yang berisi zat pengikat. Setelah pengeringan dan pembakaran dengan suhu tinggi, plastik akan keluar dari adonan sehingga yang tertinggal adalah padatan berupa saringan keramik dengan struktur selular dengan poripori yang saling terhubung. Filter ini dibuat dalam bentuk blok persegi atau blok silindris dalam berbagai ukuran. Alternatif lain dalam pembuatannya adalah dengan ekstrusi dan pembakaran campuran keramik untuk membentuk sebuah blok atau silinder dengan susunan lubang yang paralel atau membentuk sel. (gambar ditunjukkan pada slide berikutnya) Filter ini biasanya dimasukkan di dalam sistem saluran (gating system), ditempatkan di seperti inti dari saluran dan benar-benar terpasang satu bagian dengan saluran. 3

4 Beberapa contoh jenis filter keramik 4

5 Skema ilustrasi posisi filter dan rasio luasan dalam sistem running 5

6 Beberapa variasi penempatan filter sesuai pada Gambar (a) di slide sebelumnya 6

7 Unit penuangan langsung dengan filter keramik dan selubungnya Ceramic filters 7

8 Peranan unit penuangan langsung untuk mengurangi turbulensi logam cair 8

9 Contoh Susunan pola dengan sistem saluran yang terakit dari unit logam refractory dan tabung-tabung pola 9

10 Penyusutan Logam Cair (Liquid Contraction) Penyusutan (shrinkage) dari logam paduan cair merupakan faktor yang signifikan berhubungan dengan hilangnya tekanan logam statis selama pendingian hingga suhu pembekuan. Penyusutan liquid kebanyakan logam paduan berkisar antara 1.0 hingga 2.5% per suhu superheat 100 C. Pada kondisi saluran riser dan sprue yang langsing, perubahan volume sedikit dalam logam cair, mampu membuat kehilangan head dari cairan. Penyusutan logam cair untuk seluruh massa coran harus dipertimbangkan sehubungan dengan ukuran produk akhir yang diinginkan dan ukuran rongga cetakan yang akan dibuat. 10

11 6. Proses Pembekuan Logam (Solidification of Metals) Pembekuan logam merupakan suatu proses industri penting dalam proses pengecoran yang mana logam dicairkan dimasukkan dalam cetakan dan dibiarkan membeku menjadi produk akhir atau semi akhir. Gambar di samping menunjukkan ingot aluminium cor yang besar dan akan dibentuk dengan pengerolan panas dan dingin menjadi produk datar seperti pelat. Gambar 6.1 Ingot Aluminium yang besar hasil pengecoran

12 Secara umum pembekuan logam atau paduan dapat dibagi menjadi beberapa tahap berikut yang ditunjukkan pada gambar di bawah: 1. Pembentukan inti stabil dalam cairan (nucleation) (Gambar 6.2a) 2. Pertumbuhan inti menjadi kritstal (Gbr.6.2b) dan pembentukan struktur sebuah butir (Gbr.6.2c). Gambar 6.2 Proses pembekuan logam dari logam cair hingga membeku Keterangan : Liquid:logam cair ; Nuclei : inti ; Crystal: kristal ; Grains : butir-butir; Grain boundaries: batas butiran

13 Gambar 6.3 di bawah menunjukkan bentuk dari beberapa butiran nyata hasil pembekuan logam paduan titanium. Bentuk akhir dari butiran dipengaruhi oleh banyak faktor diantaranya yang penting adalah gradien suhu. Butiran paduan titanium di gambar adalah butiran bersisi sama (beraturan) atau equiaxed grains karena pertumbuhan kristal yang sama pada semua arah. Gambar 6.3 Sekelompok butiran dari logam cor paduan titanium. (perbesaran 1/6 kali)

14 Tahapan dalam Pembekuan Logam 1. Pembentukan Inti Stabil dalam Logam Cair Terdapat dua mekanisme pengintian dari partikel padat dalamm logam cair : a. Pengintian Homogen (Homogeneous nucleation) Pengintian dalam suatu logam cair terjadi saat logam menyediakan atom-atom untuk membentuk inti. Contoh: Saat logam murni cair didinginkan di bawah suhu pembekuannya beberapa derajat, inti-inti homogen yang sangat banyak terbentuk karena atom-atom yang bergerak lambat membuat ikatan bersama. Pengintian homogen biasanya membutuhkan sejumlah pendinginan bawah (undercooling) sekitar beberapa ratus derajat untuk beberapa logam dalam Tabel 6.1. Suhu undercooling: suhu pendinginan di bawah suhu cair.

15 Tabel 6.1 Nilai dari suhu pembekuan/suhu cair, panas fusi, energi permukaan dan undercooling maksimum untuk beberapa logam terpilih Sebuah inti logam ini harus mencapai ukuran kritis (critical size) agar menjadi stabil dan tumbuh menjadi kristal.

16 Critical size, r* ini tergantung pada material, derajat pendinginan bawah (undercooling) seperti ditunjukkan pada grafik berikut: Hubungan antara undercooling T dan ukuran kritis dari inti tembaga Sekelompok atom saling terikat yang berukuran dibawah ukuran kritis disebut embrio. Sekelompok atom saling terikat yang memiliki ukuran di atas ukuran kritis disebut nukleus/inti. Oleh karena ketidakstabilan kumpulan atom, embrio secara terus menerus terbentuk dan terurai kembali dalam logam cair akibat agitasi (gejolak) dari atom-atom tersebut.

17 b. Pengintian Heterogen (Heterogeneous nucleation) adalah 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.

18 Contoh diagram Pengintian Heterogen Pengintian heterogen dari sebuah padatan pada agen penginti (nucleating agent). na: nucleating agent (kontainer, cetakan, ketidakmurnian logam), SL: solid-liquid (campuran padat-cair), S: solid(padat), L:Liquid(cair), θ : sudut kontak

19 2. Pertumbuhan Kristal dlm Logam Cair & Pembentukan Struktur Butir Setelah inti yang stabil terbentuk pada logam yang sedang memadat Inti tumbuh menjadi kristal seperti pada gambar b di bawah Pada setiap kristal atom berjajar beraturan sedangkan arah barisan berbeda antara satu kristal dengan yang lainnya. Saat pembekuan total terjadi, antar kristal saling bertemu membentuk batas butir (grain boundaries) dan butiran (grains)

20 Bila logam yang membeku memiliki banyak kristal maka disebut logam banyak kristal (polycrystalline metal) Kristal yang membeku disebut dengan butir (grain) dan permukaan di antara butir disebut batas butir (grain boundaries) Bila jumlah inti yang terjadi sedikit maka akan dihasilkan struktur butir yang kasar Bila jumlah inti yang terjadi banyak maka akan terjadi struktur butir yang halus. Pada umumnya hasil pengecoran industri menghasilkan butiran yang halus, hal ini yang diinginkan karena semakin halus butiran kekuataan dan homogenitas logam makin meningkat.

21 Bila logam murni dicor ke dalam cetakan diam maka akan menghasilkan dua macam mikrostruktur yaitu : 1. Equiaxed grains (butiran sama sisi) Butiran ini terjadi bila pada lokasi tersebut kristal mampu tumbuh dengan kecepatan yang relatif sama pada berbagai arah. Biasanya terjadi pada bagian tengah coran yang pendinginannya lambat dan bagian dekat cetakan yang mana mengalami pendinginan cepat dan jumlah pengintian yang banyak. 2. Columnar grains (butiran kolom) Butiran ini panjang, tipis dan kasar yang mana terbentuk saat logam memadat relatif lambat dengan gradien suhu yang tinggi. Pada lokasi ini sedikit inti yang terbentuk. Lokasi dari butiran kolom ini terjadi pada daerah tegak lurus terhadap cetakan yang mana memiliki gradien suhu yang tinggi

22 (a)gambar skema struktur butir membeku yang menggunakan cetakan dingin. (b)potongan melintang dari ingot aluminium paduan 1100 (99% Al). Catatan: - Butir kolom tumbuh tegak lurus permukaan cetakan karena pendinginan yang lambat dengan inti butir yang sedikit. - Butir halus terjadi karena pendinginan yang cepat dengan inti butir yang banyak.

23 Struktur Butir dari Pengecoran Industri Dalam industri logam dan paduan dicor dalam berbagai bentuk. Pada umumnya produk hasil pengecoran dibuat dengan mengecor logam cair menjadi bentuk yang sederhana dengan ukuran besar kemudian difabrikasi lebih mendalam menjadi produk semi final dan dilakukan pengerjaan akhir. Contoh: Dalam industri aluminium bentuk umum dibuat dalam bentuk ingot dengan penampang persegi dan bentuk ingot ekstrusi dengan penampang lingkaran seperti pada gambar 6.1

24 Contoh lain terkadang hasil produk coran dibuat dengan bentuk akhir seperti piston mobil. YudySuryaIrawan

25 Ingot aluminium yang besar pada gambar 6.1 dibuat dengan proses semi kontinyu direct-chill yang mana tanpa cetakan hanya ditahan papan bawah dan langsung didinginkan dengan air sebagai cetakannya seperti pada gambar berikut: Dengan cara ini, dapat dihasilkan ingot sepanjang 15 kaki (4.5 meter). Dalam industri baja sekitar 60% logam dicor menjadi bentuk ini dan 40% dicor dengan cara

26 Pengecoran kontinyu untuk logam (a) diagram secara umum, (b) diagram perbesaran untuk pencetakan ingot (Sumber H.E. McGannon (ed.) 1971)

27 Untuk memproduksi ingot dengan butiran yang halus biasanya digunakan penghalus butir (grain refiners). Dalam menghaluskan butiran aluminium digunakan Titanium (Ti), Boron (B) atau Zirkonium (Zr). Penghalus butir ini dimasukkan dalam logam cair dan diaduk sebelum dimasukkan dalam cetakan coran. Salah satu hasilnya adalah pada gambar berikut ini:

28 Terima kasih kepada Para Penulis Buku yang menjadi acuan mata kuliah ini: Peter Beeley, Foundry Technology 2 nd Edition, Butterworth Heinemann (sumber untuk Filtration) William F. Smith, Foundations of Materials Science and Engineering, McGraw-Hill International Editions (sumber untuk Solidifikasi Logam)

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