al casting- proses- kuliah 4

Departemen Teknik Metalurgi dan Material Universitas Indonesia

Pengecoran Paduan Aluminium (Aluminum Alloys Casting)

Prof. Dr.-Ing. Bambang SuharnoKuliah Pembentukan Logam

Kuliah Pembentukan Logam - Departemen Teknik Metalurgi dan Material FTUI

Metalurgi & Material UI

Penggunaan Aluminium Tuang



Penggunaan Aluminium Tuang(Otomotif Industri)

Cylinder Head (AC2B, AC4B)Piston (AC8H)Crankcase (HD2G)Plate Oil Separate (HD2G)Cylinder Com (HD2G)Shock Breaker (AC2B)


Metalurgi & Material UI Casting of an Aluminum Piston

Figure 10.16 Aluminum piston for an internal combustion engine: (a) as-cast and (b) after machining.

Figure 10.17 Simulation of mold filling and solidification. (a) 3.7 seconds after start of pour. Note that the mushy zone has been established before the mold is filled completely. (b) Using a vent in the mold for removal of entrapped air, 5 seconds after pour.



Aluminium Casting (28 Kg) Pada Sepeda Motor (berat total 86 kg)


Metalurgi & Material UI Sifat Aluminium Tuang

Ringan Berat Jenis Rendah (2,7 gr/Cm3), hanya 1/3 dari baja

Excellent Strength-to-weight ratio Temperatur Lebur Rendah (660 OC), peralatan peleburan

sederhana Sifat mampu cor (castability) sangat baik, terutama di

dekat komposisi Eutektik Sifat mampu mesin (machinability) baik Surface finish, baik Ketahanan korosi baik Konduktor panas dan listrik yang baik Mudah dipadu (alloying) dengan unsur lain


Metalurgi & Material UI Sifat Negatif Aluminium Tuang

BJ rendah, mudah tercampur dengan pengotor (dross) oksida misal Al2O3 yang BJ (2.1 gr/mm3)nya hampir sama BJ Aluminium Cair (2.3 gr/mm3)

Sangat mudah mengikat gas Hidrogen dalam kondisi cair

3H2O + 2 [AL] ---- 6 [H] + (AL2O3)Sebaiknya menggunakan degasser atau GBF (Gas Bubble Floatation = Argon Treatment)

Mengalami Penyusutan (Shrinkage) yang cukup Tinggi 3.5 8.5 % (rata-rata 6 %)



Trend Penggunaan Berbagai Material Dalam Industri Otomotif

0.0%

5.0%

10.0%

15.0%

20.0%

25.0%

30.0%

35.0%

40.0%

45.0%

50.0%

Steel Sheet Cast Iron

Steel Casting Plastic Rubber

Alumi-nium Glass

Metal Alloy Others

1970 46,9% 13,8% 14,3% 6,6% 5,0% 3,0% 3,0% 3,0% 4,4%

1980 45,7% 10,8% 16,0% 5,0% 5,3% 4,2% 2,7% 2,6% 7,7%

1990 42,5% 10,5% 20,8% 7,1% 5,9% 4,8% 2,6% 2,3% 3,5%

2000 34,0% 9,0% 20,0% 14,0% 7,0% 7,5% 3,0% 2,5% 3,0%

2010 25,0% 8,5% 18,0% 20,0% 7,5% 12,0% 3,2% 2,8% 3,0%



Substitusi Al Tuang ke Polimer(Ancaman)

Keuntungan :1. Lebih ringan dengan reject yg kecil

2. Tidak perlu proses machining

3. Bahan bakar lebih efisien

4. Cost produksi tereduksi

Aluminium

Subsitusi Material

Nylon 66


Metalurgi & Material UI Jenis Proses Pengecoran Aluminium

Sand Casting Permanen Mold Casting (Cetakan Logam)Gravity CastingDie Casting (Dengan Tekanan)High Pressure Die CastingLow Pressure Die Casting

Proses TerbaruVacuum Die CastingSqueeze CastingSemi Solid casting


Metalurgi & Material UI Die Casting Processes



Pembuatan Otomotiv Komponen

ADC12, AC2B,AC4B, AC8H

Cylinder Head, Piston Crankcase, Plate Oil Separate Cylinder Com Shock Breaker


Metalurgi & Material UI Gravity Casting

Pengecoran menggunakan cetakan logam dimana logam cair masuk kecetakan dengan gaya gravitasi.

Umumnya dikenal dengan istilah Permanent Mold Casting Berat hasil coran dapat mencapat ratusan kilogram, tetapi

umumnya di bawah 25 kilogram Produk-produk yang umum

piston otomotif, Break shoe (sepatu rem)

Usia cetakan dapat mencapai 100.000 kali Cetakan terdiri atas beberapa bagian umumnya dilengkapi

dengan inti yang dapat dengan mudah dipisahkan dari cetakan.

Inti bisa dibuat dari resin coated sand (RCS), Metal Core (Grey Iron, Steel)


Metalurgi & Material UI Keuntungan Gravity Casting

Permukaan yang halus dan akurat Sifat mekanik yang baik. Mikrostruktur yang halus. Tensile strength dan ductility yang lebih tinggi dari proses

sand casting pada komposisi yang sama Produktivitas tinggi, 1 menit persiklus ( otomatik )


Metalurgi & Material UI Kerugian Gravity Casting

Cara ini tidak sesuai untuk jumlah produksi yang kecil disebabkan tingginya biaya cetakan logam.

Sukar untuk membuat coran yang berbentuk rumit.

Pembetulan cetakan logam sukar dan mahal, oleh karena itu perubahan rencana pengecoran adalah sukar.


Metalurgi & Material UI Coating Cetakan

Bertindak sebagai Barrier antara logam cair dengan Cetakan.

Tujuan:

1. Mencegah pendinginan prematur logam cair.2. Mengontrol laju dan arah pembekuan casting.3. Meminimalisir thermal shock mold material.4. Mencegah soldering logam cair ke cetakan.5. Mengalirkan udara yang terjebak dalam cetakan



Mould Life (Umur Cetakan) Metal Mold digunakan 100-250.000 kali pouring. Perlu perbaikan cetakan agar dapat digunakan kembali. Beberapa faktor yang mempengaruhi umur pakai

cetakan:

1. Pouring temperature . 2. Berat casting.3. Bentuk casting.4. Metode pendinginan.5. Siklus pemanasan.6. Preheating.7. Coating.8. Material cetakan



Pouring (Penuangan)



Pouring Gravity Casting


Metalurgi & Material UI Die Casting

menggunakan prinsip tekanan saat pouring (memasukkan logam cair ke dalam cetakan).

Tekanan saat pouring membuat porositas relatif dapat dikurangi, sehingga hasilnya baik.

Metode ini biasa digunakan untuk benda-benda yang : Presisi Permukaan sangat halus Mempunyai bagian yang sangat tipis (hingga 1.3 mm) Harus ekonomis Mempunyai fleksibilitas desain


Metalurgi & Material UI High Pressure Die Casting

merupakan salah satu jenis metoda pengecoran die casting di mana logam cair dicetak menjadi suatu benda cor dengan menggunakan tekanan tinggi (20 MPa 80 MPa) sehingga membeku di bawah pengaruh tekanan.

Berdasarkan letak holding furnace-nya, terdiri dari dua jenis, yaitu: high pressure die casting with cold chamber dan high pressure die casting with hot chamber.


Metalurgi & Material UI Hot-Chamber Die-Casting

Figure 11.17 Schematic illustration of the hot-chamber die-casting process.



PLUNGER CHIPPISTON RING

GOOSE NECK

INJECTION CYLINDER



Cold-Chamber Die-Casting

Figure 11.18 Schematic illustration of the cold-chamber die-casting process. These machines are large compared to the size of the casting, because high forces are required to keep the two halves of the dies closed under pressure.


Metalurgi & Material UI Cold-Chamber Die-Casting


Metalurgi & Material UI Cold-Chamber Die-Casting

PLUNGER SLEEVE PLUNGER LOT

GAS ACCUMULATOR

EJECTING CYLINDER

MOLD CLOSE CYLINDER

EJECTING CYLINDER

HYDRAULIC PUMP

LINK HOUSING

TOGGLE SYSTEM

MOVABLE PLATE

FIXED PLATE

BASE FRAME

TIE BAR

INTENSIFY CYLINDER

MOVABLE MOLD FIXED MOLD

C FRAME

P-10


Metalurgi & Material UI 4 Tahap Proses Die Casting :

Cetakan disemprot dan dilapisi dengan lubricant (oli/coating).

Logam cair dimasukkan dalam cetakan disertai dengan tekanan tinggi.

Tekanan terus diberikan sampai logam cair membeku.

Cetakan dibuka dan hasil coran diambil.


Metalurgi & Material UI Die Casting Process Cycle


Metalurgi & Material UI Low Pressure Die Casting

logam cair dicetak menjadi suatu benda cor dengan menggunakan tekanan rendah (< 20 MPa) sehingga membeku di bawah pengaruh tekanan.

Metoda tersebut dapat digunakan untuk mencetak benda cor dengan tingkat kerumitan dimensi yang lebih rendah dari metoda high pressure die casting.


Metalurgi & Material UI Low Pressure Die Casting


Metalurgi & Material UI Cetakan Logam


Metalurgi & Material UI Sifat-Sifat Cetakan Logam

memiliki ketahanan aus yang tinggimemiliki koefisien muai yang rendah tidak bereaksi dengan logam cair yang dicetak tahan temperatur tinggimemiliki kestabilan dimensi yang baikmemiliki ketahanan terhadap erosi dan fatik yang

baik Hot work tool steel (H13 atau SKD 61)


Paduan Aluminium Silikon

Prof. Dr.-Ing. Bambang Suharno


Metalurgi & Material UI Penggolongan Aluminium

Series Unsur Paduan Utama1xxx Al murni (99 %)2xxx Tembaga ( Cu)3xxx Manganese ( Mn)4xxx Silicon (Si)5xxx Magnesium(Mg)6xxx Magnesium dan silikon 7xxx Zinc (Zn)8xxx Unsur lain-lain9xxx Seri yang tidak digunakan

WROUGHT ALUMINUM CAST ALUMINUM

Series Unsur Paduan Utama1xx.x Al murni ( 99 %)2xx.x Tembaga ( Cu)3xx.x Si+Cu/Mg4xx.x Silicon (Si)5xx.x Magnesium(Mg)6xx.x Seri yg tidak digunakan 7xx.x Zinc (Zn)8xx.x Sn9xx.x Unsur lain-lain

STANDARD AISI


Metalurgi & Material UI Paduan Aluminium Silikon

85 90 % dari total Aluminium tuang yang diproduksi adalah paduan Aluminium-Silikon

Memiliki variasi sifat fisik dan mekanis (sifat mampu cor, ketahanan korosi, sifat mampu permesinan dan sifat mampu las) yang baik

Kandungan silikon antara 2 - 20 % < 12 % Si = Hypo Eutectic = 12 % Si = Eutectic > 12 % Si = Hyper Eutectic

Termasuk dalam kategori paduan Al-Si adalah PaduanAl-Si-Mg dan Al-Si-Cu

Unsur paduan yang penting adalah Si, Cu, Mg, Zn Unsur minor Fe, Mn, Ni,Ti, Pb, Sn, Cr, B


Metalurgi & Material UI Diagram Phasa Al-Si

EutekticHypo Eutektic Hyper Eutektic



Hypo Eutektic Hyper EutekticEutektic


Metalurgi & Material UI Mikrostruktur Al-Si (8% dan 20 % Si)


Metalurgi & Material UI Mikrostruktur A. 356 (Al-7%Si)


Metalurgi & Material UI Komposisi Kebanyakan Al-Si Tuang

= AC2B

= AC4B


Metalurgi & Material UI Karakteristik Al-Si Tuang

= AC2B

= AC4B


Metalurgi & Material UI Klasifikasi Paduan Al-Si


Metalurgi & Material UI Berbagai Standard Paduan Al-Si


Metalurgi & Material UI Aluminium Casting di Otomotif Industri

Kebanyakan Al-Si Tuang TipeAC2B, HSA1-A, HSA1-SAC4BADC12/HD2GAC8H



Aluminium-Silikon CastingAC2B AC4B ADC12 AC8A

HES HS1-VS/A/B/S/M

HS1-K HD2G AC8H

Si 5.0-8.0 9.5-10.5 9-11.5 10.5-11.5Cu 2.5-4.0 2.5-3.5 1-2.5 2.5-3.5

Mg 0.3 max 0.2-0.3 0.1 0.7-1.3Fe 0.35-0.8 max 0.8 max 0.85 max 0.4 maxMn 0.1-0.5 max 0.2 max 0.3 max 0.1 maxNi 0.1-0.3 max 0.2 max 0.3 max 0.1 maxZn 0.1-0.5 max 0.6 max 1.0 max 0.1 maxTi 0.2 max 0.2 max 0.2-0.3Nama lain AA 319.0 AA356.0 AA384.1 AA332.0Proses Gravity LPDC HPDC GravityPart Cylinder head Cylinder

headCranckcase

Plate Oil SepCyl com

piston


Metalurgi & Material UI Aluminium Casting

AC2B AC4B ADC12 AC8A

HES HS1-VS/A/B/S/M HS1-K HD2G AC8H

Si 5.0-8.0 9.5-10.5 9-11.5 10.5-11.5

Cu 2.5-4.0 2.5-3.5 1-2.5 2.5-3.5

Mg 0.3 max 0.2-0.3 0.1 0.7-1.3

Fe 0.35-0.8 max 0.8 max 0.85 max 0.4 max

Tensile strength (MPa)

175 min 260-310 330 245 (T6)

Elongation (%)

0.8 min 3-5 2.5 1 (T6)

Hardness (HRB)

50 - 72 60 75 HB 85 HB 65 75 (T6)

Bending Fatigue (MPa) (107)

60 min 140 105 (T6)



Diagram Fasa Al - Si

AC2BAC4B

ADC12/HD2GAC8A



ADC 12

AC4B

AC8H

Berbagai Mikrostruktur


Pengaruh Unsur Paduan Pada Alumnium Silikon

Prof. Dr.-Ing. Bambang Suharno


Metalurgi & Material UI Penambahan unsur paduan

Unsur-unsur paduan ditambahkan untuk meningkatkan sifat-sifat mekanis dari Aluminium-Silikon Tuang seperti :Kekuatan, Keuletan, Mampu permesinan Dan lain-lain sesuai dengan kebutuhan


Metalurgi & Material UI Pengaruh Unsur Silikon

o Kandungan Si:o = 12 % Eutektiko < 12 % Hypoeutektiko > 12 % Hyper eutektiko Slow Cooling (Investment, Sand) 5 7 % Sio Untuk Permanent Mold (Gravity Casting) 7 9 % Sio Untuk Die Casting (High Pressure Die Casting) 8 12 % Si

o Pengaruh Si:o Meningkatkan Castability (fluiditas dan ketahanan hot tear=

retak panas), terutama jika Si = 5 13 %o Meningkatkan Kekuatan dan Kekerasan, Berat Jenis menuruno Bila Si > 12 % terbentuk kristal Primary Si yang keras

ekspansi termal rendah, machinability kurang baik, ketahananaus baik (cocok untuk aplikasi temperatur tinggi = piston)



Pengaruh Si terhadap fluiditas aluminium cair

760 oC

704 oC

Panjang Spiral

(Inchi)Cm

% Si


Metalurgi & Material UI Pengaruh Si di dalam Aluminium


Metalurgi & Material UI Pengaruh Unsur Tembaga (Cu)

Kelarutan = 5.65 % pada 550OC

Meningkatkan kekuatan (strength) dan kekerasan (hardness) dalam kondisi as cast atau heat treatment membentuk CuAl2.

Mengurangi ketahanan hot tear = retak panas

Mengurangi castability (menurunkan fluiditas)

Menurunkan Ketangguhan


Metalurgi & Material UI Pengaruh Cu di dalam Aluminium


Metalurgi & Material UI Pengaruh Unsur Magnesium

Magnesium memiliki kelarutan 17.4% pada 450OC Meningkatkan kekuatan dan kekerasan dalam perlakuan

panas paduan Al-Si akibat terbentuk Mg2Si (Heat Treatable)

Umumnya dipergunakan dalam paduan kompleks Al-Si dengan Cu, Ni, dan unsur lainnya.

Dalam pemaduan di pengecoran pada umumnya memiliki rentang dari 4 sampai 10%.

Fase penguatan kedua (hardening phase) Mg2Si akan optimal pada kadar 0.7% Mg

Meningkatkan ketahanan korosi Menurunkan Castingability


Metalurgi & Material UI Pengaruh Unsur Seng (Zn)

Tidak memiliki pengaruh yang signifikan bila hanya ditambahkan ke dalam paduan alumunium-silikon

Bila dipadu bersama dengan tembaga (Cu) dan/atau magnesium (Mg)menghasilkan komposisi paduan heat-treatable, karenamembentuk

presipitat MgZn2, CuAl2 meningkatkan sifat kekerasan dan kekuatan

Meningkatkan Kegetasan, menurunkan ketangguhan (toughness)

Menurunkan Ketahanan Korosi



Pengaruh unsur Besi (Fe)

Pengotor yang sering ditemukan di aluminium. Memiliki kelarutan yang cukup kecil pada aluminium cair

(0.05%) Meningkatkan ketahanan hot-tear Jika kadar Fe berlebih > 0.05% akan menurunkan keuletan

(ductility) Memeberikan kecenderungan penempelan atau

persambungan (efek soldering) dengan cetakan pada die casting.

> 0.05% Fe, membentuk fasa-fasa tidak terlarut (insoluble) FeAl3, FeMnAl6 AlFeSi.

Fasa ini meningkatkan kekuatan dan mengurangi flowability Besi akan mendorong pembentukan fasa lumpur (sludging

phase) dengan mangan, kromium dan elemen lainnya



Foto SEM (backscattered) dari partikel Cu2FeAl7 yang mengendap pada pelat -Al5FeSi

Pengaruh Unsur Fe



Terner Diagram Al- Fe-Si


Metalurgi & Material UI Pengaruh unsur Mangan (Mn)

Larut sebesar 1.82%, pada 658OC Meningkatkan kekuatan dan kekerasan Meningkatkan ketahanan temp tinggi Meningkatkan ketahanan korosi Menurunkan sifat mampu cor



- Ti (0.05 0.15%), B (0.04%) : penghalus butir (grainrefinement) membentuk nukleasi. Contoh: TiAl3, AlB2atau (Al,Ti)B2

- Sr, Na, Sb : membuat partikel Si pada paduanhypoeutectic Al-Si menjadi lebih halus

- P: membentuk AlP3, nukleasi untuk modifikasihypereutectic Al-Si, agar Si Primer berbentuk agak bulat/kecil

- Cd, Pb : memperbaiki machinability- Ce: meningkatkan fluiditas dan die sticking- C : merupakan impurities pada alumunium (Al4C3)

Pengaruh Minor Elements


Metalurgi & Material UI Pengaruh Natrium (Na)


Metalurgi & Material UI Pengaruh Kalsium (Ca)


Metalurgi & Material UI Pengaruh Posfor (P)

Pengecoran Paduan Aluminium (Aluminum Alloys Casting)Slide Number 2Penggunaan Aluminium Tuang(Otomotif Industri)Casting of an Aluminum PistonAluminium Casting (28 Kg) Pada Sepeda Motor (berat total 86 kg)Sifat Aluminium TuangSifat Negatif Aluminium TuangTrend Penggunaan Berbagai Material Dalam Industri OtomotifSubstitusi Al Tuang ke Polimer(Ancaman)Jenis Proses Pengecoran AluminiumDie Casting ProcessesPembuatan Otomotiv KomponenGravity CastingGravity CastingKeuntungan Gravity CastingKerugian Gravity CastingGravity CastingCoating CetakanMould Life (Umur Cetakan) Pouring (Penuangan)Pouring Gravity CastingDie CastingHigh Pressure Die CastingHot-Chamber Die-CastingHot-Chamber Die-CastingHot-Chamber Die-CastingCold-Chamber Die-CastingCold-Chamber Die-CastingCold-Chamber Die-Casting4 Tahap Proses Die Casting :Die Casting Process CycleLow Pressure Die CastingLow Pressure Die CastingCetakan LogamSifat-Sifat Cetakan LogamPaduan Aluminium Silikon Penggolongan AluminiumSlide Number 38Paduan Aluminium SilikonDiagram Phasa Al-SiDiagram Phasa Al-SiDiagram Phasa Al-SiMikrostruktur Al-Si (8% dan 20 % Si)Mikrostruktur A. 356 (Al-7%Si)Slide Number 45Komposisi Kebanyakan Al-Si TuangKarakteristik Al-Si TuangKlasifikasi Paduan Al-SiKlasifikasi Paduan Al-SiKlasifikasi Paduan Al-SiBerbagai Standard Paduan Al-SiAluminium Casting di Otomotif IndustriAluminium-Silikon CastingAluminium CastingDiagram Fasa Al - SiBerbagai Mikrostruktur Pengaruh Unsur Paduan Pada Alumnium Silikon Penambahan unsur paduanPengaruh Unsur SilikonSlide Number 60Pengaruh Si di dalam Aluminium Pengaruh Unsur Tembaga (Cu)Pengaruh Cu di dalam Aluminium Pengaruh Unsur MagnesiumPengaruh Unsur Seng (Zn)Pengaruh unsur Besi (Fe)Pengaruh Unsur FeTerner Diagram Al- Fe-SiPengaruh unsur Mangan (Mn)Slide Number 70Pengaruh Natrium (Na)Pengaruh Kalsium (Ca)Pengaruh Posfor (P)

al casting- proses- kuliah 4

Documents