KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO BESI COR KELABU PADA PENGECORAN EVAPORATIVE DENGAN VARIASI UKURAN PASIR CETAK Sutiyoko 1, Lutiyatmi 2 1, 2 Jurusan Teknik Pengecoran Logam Politeknik Manufaktur Ceper Klaten E-mail : yoko_styk@yahoocom Abstrak Pasir cetak memiliki peran penting dalam pengecoran logam Komposisi, jenis dan ukuran masingmasing memberikan pengaruh terhadap kualitas hasil benda cor Benda cor yang mengalami keropos mungkin dapat disebabkan oleh komposisi pasir cetak yang terlalu banyak air atau yang lain Permasalahan ini harus dipelajari lebih mendetail pada tiap parameternya Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui kekerasan dan struktur mikro yang terjadi pada pengecoran evaporative dengan melakukan variasi pada ukuran butir pasir cetak Penelitian ini menggunakan styrofoam dengan massa jenis 16 kg/m 3, temperatur tuang sekitar 1370-1400 o C, mesin getar dengan amplitudo 3 mm, frekuensi 23 Hz, lama penggetaran 120 detik dan ukuran mesh pasir yang digunakan adalah -12/+20, -20/+30, -30/+40 dan -40/+50 Pola styrofoam dibuat dengan lebar 10 mm, tebal 4 mm Kekerasan besi cor kelabu mengalami penurunan dengan semakin meningkatnya ukuran mesh pasir, dengan kata lain semakin kecil ukuran pasir maka benda cor akan semakin lunak Permeabilitas pasir semakin kecil dengan mengecilnya ukuran pasir Hal ini menyebabkan udara lebih lama tertahan di dalam cavity sehingga pembekuan cairan lebih lama Pembekuan cairan yang lebih lama memberikan kesempatan silikon untuk melepas karbon dari besi untuk membentuk grafit Semakin banyak terbentuk grafit maka kekerasan benda cor akan semakin menurun Kata kunci: styrofoam, pengecoran evaporative, besi cor kelabu A PENDAHULUAN Styrofoam dapat digunakan sebagai pola dalam pengecoran logam Pola berbahan styrofoam ditanam dalam pasir silika yang berada dalam kotak cetakan tanpa menggunakan bahan pengikat Cairan akan mengisi pola yang terbuat dari styrofoam Pola mengalami pencairan dan penguapan saat cairan masuk Metode pengecoran ini dipatenkan oleh Shroyer pada tahun 1958 (Kumar dkk, 2008) Pemadatan cetakan dilakukan dengan penggetaran cetakan dengan frekuensi dan amplitude tertentu Beberapa pola dapat dilakukan pengecoran dengan dirangkai dalam satu sistem saluran Pola yang telah terangkai dengan sistem saluran diistilahkan dengan cluster (Brawn, 1992) Pola dan sistem saluran dilakukan pelapisan (coating) dengan cara dimasukkan ke larutan pelapis dari bahan tahan panas (refractory) atau larutan refractory tersebut langsung dicatkan pada pola dan sistem saluran lalu dikeringkan Penambah, pengalir dan saluran masuk ditempatkan pada tempat yang diperlukan (Butler, 1964) Kelebihan pengecoran evaporative diantaranya proses perbersihan dan pemesinan dapat dikurangi secara dramatis (Kumar dkk, 2007) Pencemaran lingkungan karena emisi bahan-bahan pengikat dan pembuangan pasir dapat dikurangi karena tidak menggunakan bahan pengikat dan pasir dapat langsung digunakan kembali (Kumar dkk, 2007) Tsai dan Chen (1988), Hirt dan Barkhudarov (1998), Liu dkk (2002) menentukan koefisien perpindahan panas konstan pada pertemuan antara logam cair dan styrofoam Mereka menghitung kecepatan aliran cairan muka dengan menghubungkan fluks panas yang diperloleh terhadap energi dekomposisi styrofoam Wang dkk (1993) dan Gurdogan dkk (1996) mengasumsikan kecepatan aliran muka cairan sebagai fungsi linier terhadap 13
temperatur dan tekanan logam dengan suatu koefisien empiris yang diperoleh dalam percobaan pengisian cairan satu dimensi Urutan pengisian cetakan pada pengecoran lost foam berbeda dengan pengecoran konvesional Konsekuensinya porositas pada pengecoran lost foam lebih tinggi dari pengecoran biasa karena pola yang terbakar saat cairan dimasukkan (Kim dan Lee, 2007) Pasir cetak dapat digunakan secara terus menerus selama masih mampu menahan temperatur cairan ketika dituangkan (Lal, 1981) Penggunaan pasir yang mahal seperti pasir zirkon dan kromite dapat dilakukan untuk mendapatkan tingkat reklamasi pasir yang tinggi (Clegg, 1985) Perubahan bentuk pasir dari angular ke rounded akan menaikkan densitasnya sekitar 8-10% (Hoyt dkk, 1991) Densitas pasir cetak dapat ditingkatkan dengan digetarkan Pasir leighton buzzard dapat dinaikkan densitasnya sebesar 12,5% dengan digetarkan (Butler, 1964) Kekuatan cetakan pasir ditentukan oleh resistansi gesek antar butir pasir Kekuatan cetakan pasir akan lebih tinggi jika menggunakan pasir dengan bentuk angular walaupun jika menggunakan bentuk rounded/ bulat akan memberikan densitas yang lebih tinggi (Dieter, 1967; Green, 1982) Pasir cetak yang memiliki ukuran lebih kecil akan menyebabkan waktu pengisian logam cair ke dalam cetakan akan lebih lama Kecepatan penuangan semakin besar dengan bertambahnya ukuran pasir cetak (Sands dan shivkumar, 2003) Hal ini karena ronggarongga antar pasir akan semakin kecil dengan mengecilnya ukuran pasir sehingga gas hasil degradasi lebih sulit keluar melalui pasir Ukuran butir pasir yang dipilih tergantung pada kualitas dan ketebalan lapisan coating Ukuran butir pasir AFS 30-45 menjamin permeabilitas yang baik untuk pola yang terdekomposisi menjadi gas dan cairan (Acimovic, 1991) Pada pengecoran Al- 7%Si, ukuran pasir cetak memiliki faktor dominan dalam menentukan nilai tegangan tarik dan elongasi benda cor (Kumar dkk, 2008) Pemilihan jenis pasir cetak dan metode pemadatan sangat penting untuk mendapatkan permeabilitas yang tepat dan mencegah deformasi pola Perbedaan ukuran pasir akan mempengaruhi karakteristik hasil benda cor dengan pengecoran evaporative Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik kekerasan dan struktur mikro dari pengecoran evaporative jika menggunakan ukuran pasir berbeda B METODOLOGI Penelitian ini menggunakan pola dari bahan styrofoam dengan massa jenis 16 kg/m 3 Pola dipotong dengan ukuran panjang, 300 mm, lebar 10 mm dan tebal 4 mm pola dirangkai menjadi satu dengan empat cabang seperti ditunjukkan pada Gambar 1 Gambar 1 Pola benda cor Pola dimasukkan dalam kotak cetakan yang telah diisi pasir pada keempat sisinya dengan ukuran pasir berbeda Pasir diisikan pada awalnya sebagai landasan/ dasar agar cairan tidak mengenai kotak cetakan Pola diletakkan diatasnya dan ditimbun dengan pasir yang sesuai dengan ukurannya untuk setiap sisi Ukuran pasir yang digunakan adalah -12/+20, -20/+30, -30/+40 dan - 40/+50 Pengertian -12/+20 adalah pasir tesebut dapat lewat pada mesh 12 tetapi tidak dapat lewat pada mesh 20 Pada sekitar daerah saluran turun dibuat pembatas dari cetakan CO 2 agar tidak tercampur antara ukuran pasir yang satu dengan yang lain seperti ditunjukkan pada Gambar 2 14
Gambar 2 Cetakan yang telah diisi pasir dengan ukuran berbeda Cetakan yang telah terisi pasir dilakukan pemadatan dengan penggetaran pada mesin getar Penggetaran dilakukan selama 120 detik dengan amplitude 3 mm bahan besi cor adalah campuran dari sekrap baja karbon rendah dan besi cor Pencairan dilakukan dengan menggunakan tanur induksi kapasitas 40 kg cairan dituang pada suhu sekitar 1375 o C sebelum dilakukan penuangan, pengukuran karbon ekuivalen dilakukan untuk mengetahui kandungan karbon dan silicon dalam cairan Pengujian kekerasan dilakukan dengan memotong specimen pada jarak 20 mm dari pangkal dan dipotong sepanjang 30 mm setiap specimen dilakukan pengukuran kekerasan sebanyak 5 titik dan diambil rataratanya Jenis kekerasan yang digunakan adalah kekerasan Rockwell dengan indentor berbentuk cone (HRC) Srtuktur mikro juga diambil dari perwakilan specimen untuk setiap ukuran pasir dan dilakukan foto sebelum dan setelah dietsa Hasil data dilakukan analisa pada kekerasan dan struktur mikronya C HASIL DAN PEMBAHASAN Proses Pengujian kekerasan benda cor dilakukan dengan mengambil rerata dari lima titik pada setiap specimen Hasil pengukuran kekerasan benda cor ditunjukkan pada Gambar 3 Kekerasan (HRC) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 000-12/+20-20/+30-30/+40-40/+50 Ukuran mesh pasir Gambar 3 Kekerasan benda cor pada beberapa ukuran pasir cetak Berdasarkan Gambar 3, kekerasan benda cor cenderung semakin berkurang dengan meningkatnya ukuran mesh pasir atau ukuran pasir semakin kecil Penurunan kekerasan ini dipengaruhi oleh kecepatan pendinginan pada ukuran pasir berbeda Ukuran pasir yang semakin kecil menyebabkan celah antar pasir semakin kecil Kecilnya celah ini mengurangi jumlah kontak cairan dengan udara yang berada diantara pasir atau jumlah cairan yang kontak dengan pasir lebih banyak Kecepatan panas mengalir melalui pasir lebih lambat jika dibandingkan dengan udara Hal ini menyebabkan cairan lebih lama membeku pada cetakan dengan ukuran pasir lebih kecil Pendinginan yang lebih lama menyebabkan kesempatan terbentuknya grafit pada besi cor kelabu semakin besar Semakin banyak terbentuk grafit akan menyebabkan kekerasan semakin menurun karena grafit lebih lunak dibandingkan sementit Pengujian struktur mikro dilakukan pada beberapa sampel yang menggunakan ukuran pasir berbeda Pengukuran jumlah grafit yang terbentuk belum dapat diuraikan dengan angka pasti Namun, nilai kekerasan yang semakin berkurang dengan meningkatnya ukuran mesh pasir menunjukkan jumlah grafit yang terbentuk semakin banyak 15
Foto struktur mikro hasil pengujian ditunjukkan pada Gambar 4 untuk yang sebelum dietsa dan Gambar 5 untuk yang setelah dietsa Gambar 4 Struktur mikro besi cor kelabu pada ukuran mesh pasir yang berbeda (sebelum dietsa) semakin besar sehingga grafit yang terbentuk semakin banyak D KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah semakin kecil ukuran pasir maka kekerasan benda cor akan semakin menurun, dan kemungkinan grafit yang terbentuk juga semakin banyak Pengukuran secara nomimal jumlah grafit ataupun perlit/ sementit yang terbentuk belum dapat dilakukan secara eksak karena terbatasnya alat yang dimiliki dalam pengukuran ini DAFTAR PUSTAKA American Foundrymen's Society,1974, Analysis of Casting Defects, Amerika Acimović, Z, 1991, Influence of the relevant technological parameters on the quality of the castings obtained by the Lost foam process, PhD tesis, Faculty of Technology and Metallurgy, Belgrade Brown, J R, 1992, The lost foam casting process, Metallurgy Material, Vol 8, pp 550 555 Butler, R D, 1964, The full mold casting process, British Foundrymen, pp 265 273 Clegg, A J, 1985, Expanded polystyrene molding, Foundry Trade Journal, pp 177 196 Gambar 5 Struktur mikro besi cor kelabu pada ukuran mesh pasir yang berbeda (setelah dietsa) Berdasarkan Gambar 4 banyak terbentuk grafit pada semua jenis ukuran pasir Struktur ferit dan perlit juga banyak terbentuk pada keempat struktur mikro setelah dietsa Kemungkinan jumlah grafit yang terbentuk juga semakin banyak berdasarkan nilai kekerasannya semakin kecil ukuran pasir maka celah antar pasir semakin kecil dan menyebabkan cairan pendinginan cairan lebih lama Semakin lama pendinginan besi cor kelabu maka kesempatan lepasnya grafit dari sementit Dieter, H B, 1967, Sand without binder for making full mold castings, Modern Casting, Vol 51, pp 133 146 Green, G A, 1982, Superior castings and improved environment from V process, Castings Vol 28, pp 30 36 Gurdogan, O, Huang, H, Akay, H U, Fincher, W W, Wilson, V E, 1996, Mold- lling analysis for ductile iron lost foam castings, American Foundryman Society Transaction, Vol 104, pp 451 459 Hirt, C W, Barkhudarov, M R, 1998, Lost foam casting simulation with defect prediction, in: BG Thomas, C Beckermann (Eds), Modeling of 16
Welding, Casting and Advanced Solidi cation Processes VIII, TMS, Warrendale, pp 51 57 Hoyt, D F, Dziekonski, P, 1991, Sand properties and their relationship to compaction for the expandable pattern casting process, American Foundryman Society Transaction, Vol 99, pp 221 230 Kim, K, and Lee, K, 2005, Effect of Pro cess Parameters on Porosity in Aluminum Lost Foam Process, Journal Material Scipta Technology, Vol 21 No5, pp 681-685 Kumar, P and Shan, HS, 2008, Optimation of Tensile Properties of Evaporative Casting Process through Taguchi s Method, Journal of Materials Processing Technology, Vol 204, pp 59-69 Kumar, S, Kumar, P, Shan, H S, 2007, Effect of evaporative pattern casting process parameters on the surface roughness of Al 7% Si alloy castings, Journal of Materials Processing Technology, Vol 182, pp 615 623 Lal, S, Khan, R H, 1998, Current status of vacuum sealed molding process, Indian Foundry Journal, Vol 27, pp 12 18 Liu, Z, Hu, J, Wang, Q, Ding, W, Zhu, Y, Lu, Y, Chen, W, 2002, Evaluation of the effect of vacuum on mold lling in the magnesium EPC process, Journal Material Processing Technology, Vol 120, pp 94 110 Sand, S, Shivkumar, S, 2003, In uence of coating thickness and sand neness on mold lling in the lost foam casting process, Journal of Materials Science, Vol 38, pp 667 673 Tsai, H L, Chen, T S, 1988, Modeling of evaporative pattern process, Part I: Metal ow and heat transfer during the lling stage, American Foundryman Society Transaction, Vol 96, pp 881 890 Wang, C M, Paul, A J, Fincher, W W, Huey, O J, 1993, Computational uid ow and heat transfer during the EPC process, American Foundryman Society Transaction, Vol 101, pp 897 904 17