TI-11: Proses Manufaktur Dasar-dasar Pengecoran Logam Laboratorium Sistem Produksi www.lspitb.org 003 1. Hasil Pembelajaran Umum: Memberikan mahasiswa pengetahuan yang komprehensif tentang dasar-dasar proses pemesinan dan mesin perkakas, proses forming dan molding, metrology dan aplikasi terhadap kualitas produk dan analisis system manufaktur. Khusus: Memberikan pemahaman terhadap proses pengecoran 1
Definisi Pengecoran adalah proses penuangan logam lebur ke dalam cetakan, kemudian mengeras sesuai dengan bentuk rongga cetakan Contoh produk: blok mesin, pipa, roda kereta api, kerangka mesin, perhiasan, mahkota gigi dll. Kamus: Pengecoran = casting Cetakan = mold Rongga cetakan = cavity mold Logam = metal Pengerasan = solidification Pabrik pengecoran = foundry Penyusutan = shrinkage 3 Contoh Produk Pengecoran 4
Peleburan Logam 5 Peleburan Logam 6 3
Peleburan Logam 7 Peleburan Logam 8 4
Pengecoran 9 Pengecoran 10 5
Pembuatan Cetakan 11 Pembuatan Cetakan 1 6
Pembuatan Cetakan 13 Pembuatan Cetakan 14 7
Pembuatan Cetakan 15 Pembuatan Cetakan 16 8
Pembuatan Cetakan 17 Pembuatan Cetakan 18 9
Pembuatan Cetakan 19 Klasifikasi Proses Pengerasan 0 10
Kemampuan dan Keuntungan Pengecoran Pengecoran dapat membentuk komponen dengan geometri eksternal/internal yang komplek Beberapa proses pengecoran dapat langsung membentuk geometri akhir produk (net shape) sehingga tidak memerlukan proses manufaktur lainnya Pengecoran dapat digunakan untuk membuat komponen yang sangat besar (>100 ton) Proses pengecoran dapat dilakukan menggunakan berbagai jenis logam yang dapat dipanaskan hingga lebur (liquid state) Beberapa metoda pengecoran cocok untuk produksi masal 1 Kekurangan Sifat menyerap/merembes (porosity) Keakuratan demensi geometrik dan kerataan permukaan yang rendah Bahaya/resiko keselamatan kerja saat peleburan logam 11
Proses Pengecoran (1) Cetakan memiliki rongga sesuai dengan dimensi/bentuk komponen yang ingin dibentuk Dimensi rongga sedikit lebih besar untuk mengkonpensasi penyusutan saat logam mengalami proses pendinginan dan pengerasan Setiap logam memiliki karakteristik penyusutan yang berbeda Bahan cetakan: pasir (sand), gips (plaster), keramik (ceramic) dan logam (metal) 3 Proses Pengecoran () Tahapan pengecoran: Logam dilebur pada temperatur tinggi hingga berubah menjadi zat cair Logam cair dituangkan kedalam cetakan Logam cair dalam cetakan mengalami proses pendinginan. Seiring dengan menurunnya tempratur, logam akan mengeras. Selama proses pengerasan terjadi perubahan fasa pada logam (membentuk karakteristik/properti hasil pengecoran) Jika pendinginan/pengerasan selesai, cetakan dilepas. Proses lanjutan: trimming, cleaning, inspecting dan heat treatment 4 1
Proses Pengecoran (3) Cetakan terbuka: berbentuk kontainer Cetakan tertutup: memerlukan saluran (passageway) menuju rongga 5 Proses Pengecoran (4) Klasifikasi proses pengecoran Cetakan habis pakai (expendable mold) Cetakan harus dirusak untuk mengeluarkan komponen hasil pengecoran Cetakan yang terbuat dari: pasir, gips atau yang menggunakan bahan-bahan perekat Cetakan permanen (permanent mold) Dapat digunakan berulang-ulang Cetakan terbuat dari logam Cetakan terbuat dari dua atau lebih bagian yang dapat dibuka untuk mengeluarkan komponen cor 6 13
Cetakan Pasir Rongga dibentuk menggunakan sebuah pola (pattern) Pola terbuat dari kayu, plastik atau material lain berbentuk komponen yang akan dicor Pola membentuk geometri ekternal Inti (core) membentuk geomatri internal Riser digunakan sebagai penampung (reservoir) Untuk mengisi rongga akibat penyusutan Dirancang agar logam lebur dalam riser mengalami pendinginan/pengerasan yang lebih lama daripada rongga cetakan Pasir bersifat basah dan memiliki perekat untuk mempertahankan bentuk Sifat porositas pasir memungkinkan udara dan gas (hasil reaksi logam lebur) yang terperangkap dalam rongga saat logam lebur dituang untuk keluar melalui dinding cetakan 7 Peleburan Logam Energi panas yang diperlukan: Panas untuk menaikkan temperatur hingga titik lebur Panas fusi untuk merubah zat padat menjadi zat cair Panas untuk menaikkan logam lebur hingga temparatur penuangan yang diinginkan H = ρ V H = Total T s m o l p f V = volume of { ( ) + + ( )} C s T heat required; J ρ = density; g/cm3 o C = weight specific heat for the solid metal;j/g- C = melting temperature; T = starting temperature; H = heat of fusion; J/g o C = weight specific heat of the liquid metal; J/g- C o T = pouring temparature; C m T o H metal being heated; o o C C f C l T cm p 3 T m 8 14
Penuangan Logam Lebur Faktor-faktor yang mempengaruhi kegiatan penuangan: Temperatur penuangan Menentukan jumlah penurunan temperatur yang diperlukan hingga logam mengeras Superheat: perbedaan antara temperatur penuangan dan temperatur saat logam mulai mengeras Kecepatan penuangan Jika terlalu lambat, logam akan mengeras sebelum mengisi rongga Jika terlalu cepat, akan menimbulkan turbulensi Turbulensi Kecepatan dan arah aliran fluida yang tidak menentu Mempercepat terbentuknya oxida logam dan terperangkat dalam proses pengerasan sehingga kualitas cor menurun Menimbulkan erosi cetakan (mold erosion) sehingga cetakan mudah terkikis/habis 9 Contoh Perhitungan Penuangan Diketahui: Panjang sprue = 0cm Luas sprue =.5cm Volume rongga cetakan = 1560cm 3 Perhitungan: Kecepatan penuangan: v = gh = (981 )( 9 ) = 198.1cm / Kecepatan volume penuangan: 3 Q = va = (.5 )( 198.1) = 495 cm / s Waktu penuangan: V MFT = = 1560 / 495 = 3. s Q 30 s 15
Pengerasan Logam (1) Kurva pendinginan logam murni pada pengecoran 31 Proses pengerasan: Pengerasan Logam () Lapisan tipis logam cor (initial skin) akan terbentuk akibat pendinginan oleh dinding cetakan. Mengakibatkan granular pada permukaan bersifat bersifat halus, ukuran sama dan berorientasi acak Pengerasan berlanjut menuju titik tengah rongga cetakan Formasi granular membentuk jarum dan pertumbuhan menjauhi arah transfer panas (dendritic growth) 3 16
Pengerasan Logam () Hampir semua alloy mengeras pada rentang temperatur bukan pada titik temperatur tertentu Diagram fasa copper-nickel alloy Kurva pendinginan untuk komposisi 50%Ni-50%Cu 33 Waktu Pengerasan Aturan Chvorinov s V TST = C m A TST = total solidification time Cm = mold constant; min/cm 3 V = volume of the casting; cm A = surface area of the casting; cm C m bergantung dari: Material cetakan (mis: konduktivitas termal, panas) Sifat termal logam cor (mis: panas fusi, konduktivitas termal) Temperatur penuangan relatif terhadap temperatur cair n Volume riser dirancang lebih besar daripada volume rongga cetakan agar logam di rongga cetakan mengeras terlebih dahulu (chovrinov rule) 34 17
Penyusutan (1) Penyusutan terjadi dalam tiga tahap: Kontraksi cairan pada saat pendinginan dan sebelum pengerasan Kontraksi pada fasa perubahan dari cair ke padat (solidification shrinkage) Kontraksi termal pada saat cor telah mengeras dan mengalami pendinginan hingga temperatur ruangan 35 Penyusutan () 36 18
Penyusutan (3) Volume kontraksi untuk berbagai jenis pengecoran logam Volumetric contraction due to: Metal Aluminum Al alloy Gray cast iron Gray cast iron, high C Low C cast steel Copper Bronze (Cu-Sn) Solidification Shrinkage, % 7.0 7.0 1.8 0 3.0 4.5 5.5 Solid Thermal Contraction, % 5.6 5.0 3.0 3.0 7. 7.5 6.0 37 Pengerasan Terarah (1) Untuk meminimasi produk cacat akibat pengerasan: Bagian rongga yang terletak jauh dari riser diharapkan mengalami proses pengerasan terlebih dahulu Jika penyusutan terjadi, logam lebur dalam riser masih dapat mengisi volume penyusutan tersebut Perlu pengerasan terarah Pengerasan terarah Riser dirancang menjauhi bagian rongga yang memiliki rasio V/A kecil Chills: penyerap panas untuk mempercepat proses pendinginan (internal chills dan external chills) 38 19
Pengerasan Terarah () (a) External chill to encourage rapid freezing of the molten metal in a thin section of the casting (b) the likely result if the external chill were not used. 39 Perancangan Riser Dimensi pengecoran: 7.5 x 1.5 x.0 cm TST = 1.6 min Riser berbentuk silinder dengan rasio diameter : tinggi = 1 Tentukan dimensi riser agar TST = min Cm = TST = 1.6 ( V A) ( 187.5 67.5) π D h V 4 D = = A π D 6 π D + 4 D TST =.0 = 3.6 = 0.09056D 6 D =.0 0.09056 = 4.7cm H = 4.7cm = 3.6 min/ cm 40 0
Tugas Pilih salah satu komponen/produk cor Gambarkan/ sketsadanukuranproduktersebut Tugas kelompok 1 kelompok orang Nim genap dan ganjil dari kelas yang berbeda Dikumpulkan: Senin, 8 September 003 Jam: 10.00 41 1