4

Bab II Dasar Teori

II.1 Baja Cor (Steel Casting)

Baja cor adalah logam yang merupakan paduan antara besi (Fe) dengan karbon (C)

sebagai komposisi utama dan dibuat dengan proses pengecoran. Bahan baku untuk

pengecoran baja cor adalah baja karbon atau baja paduan yang diproduksi oleh

pabrik baja dalam bentuk wrought product atau baja rol. Komposisi kimia baja cor

hampir sama dengan baja rol sehingga keduanya akan memiliki sifat-sifat yang

hampir sama. Hanya saja pada arah longitudinal sifat mekanik baja rol lebih baik dari

baja cor. Tetapi perbedaan tersebut merupakan kelebihan tersendiri dari baja cor

karena untuk penerapan dengan kondisi pembebanan dari segala arah akan lebih

menguntungkan bila menggunakan baja cor[2]. Perbedaan lainnya adalah tingkat

deoksidasi proses pembuatannya. Baja cor dibuat dengan tingkat deoksidasi yang

tinggi seperti pada proses pembuatan baja kil. Sedangkan baja rol dapat dibuat

sebagai baja rim, semi-kil maupun kil. Paduan yang ditambahkan untuk proses

deoksidasi adalah aluminium, titanium dan zirconium. Aluminium lebih banyak

digunakan karena lebih efektif dan harganya lebih murah.

Saat proses pengecoran ditambahkan sulfur dan posfor untuk meningkatkan mampu

alir. Pada baja cor, kandungan sulfur dibatasi maksimum 0,06% dan posfor 0,05%

untuk mencegah terjadinya inklusi[2].

II.1.1 Klasifikasi dan Sifat-Sifat Baja Cor

Menurut komposisi kimianya baja cor digolongkan ke dalam baja cor karbon dan

baja cor paduan. Berdasarkan kadar karbonnya baja cor dikelompokkan menjadi:

1. Baja cor karbon rendah (C < 0,2%).

2. Baja cor karbon menengah (0,2% C − 0,5% C).

3. Baja cor karbon tinggi (C > 0,5%).

5

Kadar karbon dalam baja akan menentukan sifat fisik, sifat mekanik dan sifat

teknologi serta kemampuan baja untuk di heat treatment. Sebagai contoh, baja cor

dengan kadar karbon yang rendah mempunyai kekuatan yang rendah, perpanjangan

(elongation) yang tinggi dan kekuatan impak serta mampu las (weldability) yang

baik. Pada Gambar II.1 dan Gambar II.2 ditunjukkan pengaruh kadar karbon dan

proses perlakuan panas terhadap sifat mekanik baja karbon cor.

(a) (b)

Gambar II.1 Hubungan Antara Kadar Karbon dan Proses Perlakuan Panas

Dengan Sifat Mekanik Baja Cor (a) Kekuatan Tarik dan

Pengurangan Luas Penampang (b) Kekuatan Luluh dan

Perpanjangan[2]

6

(a) (b)

Gambar II.2 Hubungan Antara Kadar Karbon dan Proses Perlakuan Panas

Dengan Sifat Mekanik Baja Cor (a) Kekerasan Brinell (b) Harga

Impak (Charpy V-Notch)[2]

Berdasarkan banyaknya unsur paduan yang ditambahkan maka baja cor paduan dapat

dikelompokkan menjadi:

1. Baja cor paduan rendah, apabila unsur paduan yang ditambahkan sebesar (1%

− 2%).

2. Baja cor paduan menengah, apabila unsur paduan yang ditambahkan sebesar

(2% − 5%).

3. Baja cor paduan tinggi, apabila unsur paduan yang ditambahkan lebih besar

dari 5%.

Kadar paduan pada baja juga mempengaruhi sifat fisik, sifat mekanik dan sifat

teknologinya. Salah satu contohnya adalah baja cor paduan khrom 25% yang

mempunyai sifat ketahanan korosi dan ketahanan aus yang baik tetapi keuletan dan

mampu lasnya rendah.

7

II.1.2 Penggunaan Baja Cor Pada Industri

Penggunaan baja cor pada industri sangat luas. Pemilihan material dan

penggunaannya disesuai dengan kondisi kerja mesin. Selain itu faktor-faktor lain

yang perlu dipertimbangkan adalah faktor lingkungan, umur, biaya dan maintenance

ability. Beberapa contoh penggunaan baja cor pada industri adalah sebagai berikut:

1. Bagian-bagian mesin, seperti sambungan pipa, rumah-rumah katup dan rotor

pompa vakum.

2. Bagian-bagian kereta api, seperti rangka dan kopling.

3. Alat-alat berat pemindah tanah, seperti roda rantai dan rumah-rumah rem.

4. Mesin-mesin hidrolis, seperti sudu turbin air dan rumah-rumah pompa.

5. Alat-alat pada pabrik baja, seperti rol dan dudukan rol.

6. Bagian-bagian pada kapal laut, seperti rangka buritan, rumah-rumah turbin

dan lengan engkol.

7. Mesin-mesin pada pertambangan, seperti mesin kasut dan mesin keruk.

Selain baja cor cocok untuk komponen dengan kondisi pembebanan dari segala arah,

baja cor juga lebih menguntungkun untuk komponen-komponen yang geometrinya

sangat rumit seperti impeller dan rumah keong pompa sentrifugal. Dengan

berkembangnya ilmu material dan teknologi pengecoran maka kebutuhan akan

material yang mempunyai sifat-sifat yang khusus pada industri akan lebih terpenuhi.

II.1.3 Baja Cor Paduan Tinggi Khrom 25%

Dalam penelitian ini digunakan baja cor paduan tinggi dengan kandungan karbon 1%

dan khrom 25%. Dari hasil pengujian OES (Optical Emission Spectrometry)

komposisi kimia dari baja cor khrom 25% secara lengkap adalah sebagai berikut:

- C 1% - Cr 24,5% - Si 0,5% - Mn 0,5% - Ni 0,6% - V 0,1%

- Mo 0,2% - Cu 0,1% - Fe balance

8

Baja cor khrom 25% termasuk dalam kelompok baja feritik. Di Politeknik

Manufaktur Bandung, baja ini digunakan untuk membuat bucket elevator yang akan

digunakan pada pabrik semen dengan kondisi lingkungan operasi yang korosif dan

tingkat keausan yang cukup tinggi. Oleh sebab itu sifat yang diinginkan dari

komponen ini adalah ketahanan korosi dan ketahanan aus yang baik.

Kadar karbon yang cukup tinggi pada baja ini akan meningkatkan kekerasan dan

kekuatan baja tetapi akan menurunkan keuletan dan sifat mampu lasnya. Hal ini

mengakibatkan baja menjadi sulit untuk dilas. Sedangkan kandungan khrom pada

baja akan memperbaiki sifat ketahanan korosi yaitu dengan membentuk lapisan pasif

(Cr2O3) pada permukaan baja. Selain itu khrom juga akan meningkatkan ketahanan

aus pada baja ini karena khrom akan menstabilkan karbida sehingga karbida mudah

terbentuk. Pada Gambar II.3 ditunjukkan gambar struktur mikro baja cor khrom 25%.

Fasa-fasa yang terbentuk adalah ferit dan karbida (M23C6).

Gambar II.3 Struktur Mikro Baja Cor 1,05C-25Cr-0,49Si-0,47Mn[Lab. Polman]

Dengan komposisi kimia tersebut di atas maka diagram fasa yang sesuai dengan baja

khrom 25% adalah diagram fasa terner Fe-Cr-C. Pada Gambar II.4 diperlihatkan

diagram fasa terner Fe-Cr-C dalam bentuk tiga dimensi.

Karbida

Ferit

9

Gambar II.4 Diagram Fasa Terner Fe-Cr-C[17]

Untuk mempermudah melihat fasa-fasa yang terjadi selama proses pembekuannya

maka diagram fasa ternier disederhanakan dengan cara memotong bidang isothermal

(temperatur konstan) atau bidang komposisi konstan (isopleth) untuk salah satu

unsurnya. Diagram fasa isopleth juga disebut dengan diagram fasa pseudo-binary.

Pada Gambar II.5 ditunjukkan diagram fasa pseudo-binary Fe-Cr-C untuk

kandungan khrom 25% yang digambar dengan menggunakan program Thermo-Calc

Demo Version. Dari gambar tersebut terlihat bahwa fasa yang terbentuk pada suhu

kamar untuk kandungan karbon 1% adalah fasa ferit dan karbida (M23C6).

25% Cr

10

Gambar II.5 Diagram Fasa Pseudo-binary Fe-25%Cr-C

Pada beberapa literarur menyebutkan bahwa kandungan khrom pada baja cor paduan

akan menekan daerah austenit dan untuk kandungan khrom di atas 20% daerah

austenit akan hilang. Hal ini seperti ditunjukkan pada Gambar II.5. Sebaliknya

penambahan karbon pada baja cor paduan akan menstabilkan austenit sehingga akan

memperluas daerah austenit. Pada baja cor khrom 25%, kandungan khrom yang

tinggi menyebabkan daerah austenit pada diagram fasa pseudo-binary tidak kelihatan

seperti terlihat pada Gambar II.6. Tetapi daerah dengan gabungan fasa austenit

dengan fasa-fasa lain yang berdekatan masih ada karena sesungguhnya daerah

austenit tersebut secara tiga dimensi masih tetap ada.

Dari diagram fasa Gambar II.5 dapat disimpulkan bahwa kemungkinan terjadinya

fasa martensit pada baja cor khrom 25% sangat kecil karena fasa austenit yang tejadi

saat proses pembekuan hanya 0,19%[Thermo Calc].

25% Cr

11

Gambar II.6 Diagram Fasa Pseudo-binary Fe-Cr-C Untuk Kandungan Khrom

Bervariasi[17]

II.1.4 Pengelasan Pada Baja Cor

Pengelasan baja cor dapat dilakukan seperti pengelasan pada baja karbon yang

komposisi kimianya sama. Cara yang banyak dipakai adalah las busur lindung

(Shielded Arc Welding) dan las busur rendam (Submerged Arc Welding). Seperti

halnya pada pengelasan baja karbon, untuk menghindari terjadinya pengerasan pada

daerah pengaruh panas akibat pendinginan cepat dan untuk menghilangkan tegangan

sisa, maka pada pengelasan baja cor juga dilakukan preheating dan post heating.

Tegangan sisa yang berlebihan pada logam las dapat mengakibatkan terjadinya cacat

las. Temperatur preheat dalam pengelasan baja cor dapat dilihat pada Tabel II.1.

Sedangkan temperatur post heat berkisar antara 600°C − 650°C.

12

Tabel II.1 Temperatur Preheat Untuk Pengelasan Baja Cor[8]

Untuk mengurangi difusi hidrogen pada pengelasan baja cor dengan proses SMAW

maka harus dipilih elektroda dengan kandungan hidrogen rendah dan pengelasan

sebaiknya dilakukan pada lingkungan atmosfir yang berkadar hidrogen rendah. Dan

bila kekuatan logam las diharuskan sama dengan kekuatan logam induk maka proses

pengelasannya menjadi sukar dan pemilihan elektrodanya pun harus tepat.

Kenyataan di lapangan, elektroda yang dapat menghasilkan sambungan dengan

kekuatan dan sifat yang sama dengan logam induk tidak dapat ditemukan.

Pengerasan pada pengelasan baja cor selain disebabkan oleh pendinginan cepat juga

dipengaruhi oleh komposisi kimianya. Komposisi kimia akan menentukan harga

karbon ekivalen (Cek) dari baja. Pengaruh karbon ekivalen terhadap pengerasan pada

daerah pengaruh panas (HAZ) ditunjukkan pada Gambar II.6. Persamaan untuk

menentukan besarnya karbon ekivalen adalah sebagai berikut: [8]

(%)141

41

401

241

61 VMoNiSiMnCCek +++++=

Keterangan:

Cek = karbon ekivalen

C, Mn, Si, Ni, Mo, V = simbol-simbol unsur kimia

Kadar Karbon (%C) Temperatur Preheat (°C)

0.28 − 0.35 120 − 200

0.35 − 0.45 150 − 260

0.45 − 0.55 260 − 370

0.55 − 0.6 260 − 370

…(2.1)

13

Gambar II.7 Hubungan Karbon Ekivalen (Cek) Dengan Kekerasan Pada HAZ Hasil

Pengelasan Baja Cor[8]

Pengerasan pada daerah pengaruh panas tersebut dapat menyebabkan terjadinya retak

las.

Tegangan sisa yang terjadi pada pengelasan banyak dipengaruhi oleh rancangan las

dan proses pengelasan yang dipilih. Tegangan sisa terjadi karena adanya penyusutan

pada waktu pendinginan. Untuk mengurangi terjadinya tegangan sisa saat pengelasan

dapat dilakukan dengan cara antara lain menurunkan masukan panas dan mengurangi

banyaknya logam las yaitu dengan memperkecil sudut alur dan celah akar lasan.

Penghalang luar juga menyebabkan terjadinya tegangan sisa, maka hal ini harus

dihindari yakni dengan cara menentukan urutan pengelasan yang baik. Pembebasan

tegangan sisa dapat dilakukan dengan dua cara yaitu dengan cara mekanik dan cara

termal. Contoh-contoh dari kedua cara tersebut dapat dilihat pada Tabel II.2. Dalam

praktek cara termal lebih banyak digunakan yakni dengan proses anil atau lebih

dikenal dengan post weld heat treatment (PWHT).

14

Tabel II.2 Cara Pengurangan Atau Pembebasan Tegangan Sisa[8]

Cara Penjelasan Keuntungan Kerugian Pe

muk

ulan

- Logam las dan daerah sekitarnya dipukul selama atau setelah pengelasan

- Dapat diterapkan pada logam ulet

- Ukuran butir logam dapat menjadi lebih halus

- Tidak dapat diterapkan pada logam getas

Pere

gang

an - Sambungan ditarik

sampai terjadi deformasi plastis

- Untuk konstruksi bejana berbentuk bola dapat dilakukan dengan mudah menggunakan tekanan hidrostatis

- Tidak dapat diterapkan untuk bentuk-bentuk yang rumit

Car

a M

ekan

ik

Get

aran

- Pada konstruksi diberikan getaran berfrekuensi rendah sehingga terjadi deformasi plastis

- Pelaksanaannya sederhana

- Tidak dapat diterapkan pada konstruksi besar karena hasilnya akan tidak merata

Ani

l

- Lasan dari baja feritik dipanaskan 600-700°C dan baja austenitik sampai 900°C dan setelah ditahan beberapa saat didinginkan pelan-pelan

- Tingkat keberhasilannya tinggi

- Tidak bisa diterapkan pada konstruksi besar dan sulit dilakukan dilapangan

Ani

l suh

u tin

ggi - Lasan dari baja

konstruksi umum dipanaskan 900-950°C dan setelah ditahan beberapa saat didinginkan pelan-pelan

- Seluruh tegangan sisa dapat dibebaskan

- Diperlukan pemanasan yang merata dan dijaga agar tidak terjadi perubahan bentuk

Car

a Te

rmal

Ani

l suh

u re

ndah

- Kedua permukaan daerah lasan selebar 60-130 mm dipanaskan 150-200°C kemudian dinginkan dengan air

- Baik untuk konstruksi-konstruksi besar

- Pengurangan terhadap tegangan sisa rendah

15

Dengan banyaknya kesulitan yang ditemukan pada proses pengelasan pada baja

karbon cor maka perlu dikembangkan metode baru yang dapat mengurangi kesulitan

tersebut. Dan penemuan metoda turbulence flow casting (TFC) memberikan harapan

baru pada proses pengelasan untuk dapat menghasilkan sambungan yang memiliki

kekuatan dan sifat yang sama dengan logam induk karena logam pengisi yang

dipakai pada TFC sama dengan logam induk.

II.2 Turbulence Flow Casting (TFC) [18]

Metode Turbulence flow casting (TFC) dikembangkan oleh Muki Satya Permana

(2007). Metoda ini digunakan untuk perbaikan cacat permukaan yang prosesnya

menyerupai proses pengecoran. Bedanya pada proses ini logam cair yang masuk

kedalam cetakan dibiarkan keluar sehingga sebagian logam cair terbuang. Spesimen

atau komponen yang akan diperbaiki berada di dalam cetakan dan logam cair di

alirkan ke dalam rongga cacat. Produk dari proses TFC adalah logam cair yang tidak

ikut terbuang dan akan membeku sebagai weld pool pada rongga cacat. Sketsa proses

perbaikan cacat pemukaan dengan metoda TFC ditunjukkan pada Gambar II.8.

5

7

6

3

2

1

4

8

Gambar II.8 Sketsa Proses Perbaikan Dengan Metoda TFC

16

Keterangan gambar:

1. Pemanas Listrik (with castable cover)

2. Spesimen

3. Rongga Cacat

4. Rongga Untuk Aliran Berulang

5. Pouring Cup

6. Saluran Masuk

7. Saluran Keluar

8. Cetakan Pasir

Untuk menurunkan laju pendinginan pada daerah yang diperbaiki harus dilakukan

preheating. Dengan pemberian preheating maka penggetasan pada sambungan (weld

pool) dapat dihilangkan. Sedangkan untuk menghilangkan tegangan sisa dan

tegangan termal pada saat pembekuan logam pengisi dilakukan dengan cara

pemberian postheating.

Metode TFC yang telah diterapkan untuk perbaikan cacat permukaan pada

komponen yang terbuat dari besi cor kelabu, menghasilkan sambungan yang sifat

dan strukturnya menyerupai dengan logam induk sehingga kekuatannya tidak

berubah. Kelebihan-kelebihan metode TFC lainnya adalah:

1. Logam pengisi sama dengan logam induk.

2. Tanpa porositas.

3. Logam induk yang mencair sangat tipis (very thin layer of mixing).

4. Kekuatan sambungan tinggi.

5. Tidak terjadi perbedaan tampilan setelah proses perbaikan.

6. Tidak diperlukan antioksidan.

17

7. Permukaan cacat “tidak perlu” dibersihkan dari kotoran, karat, air, atau

minyak.

8. Peralatan murah dan prosesnya sangat sederhana.

9. Tidak perlu keahlian khusus kecuali pada saat preparasi.

Bahan baku dan peralatan yang digunakan pada TFC antara lain:

1. Pasir silika (green sand).

2. RCS (Resin Coated Sand).

3. Tungku heat treatment.

4. Pola kayu.

5. Rangka cetak (flask).

6. Pemanas (heating coil).

7. Tungku induksi kapasitas 250 kg di Politeknik Manufaktur Bandung

(POLMAN).

Proses pembuatan cetakan menggunakan dua buah flask yang berfungsi sebagai cup

dan drag. Hal ini dimaksudkan agar pemasangan pola saluran dan pola rongga cacat

dapat dilakukan dengan mudah. Sistem saluran pada cetakan dan spesimen di

rancang sehingga akan menghasilkan aliran turbulen logam cair yang akan

dimanfaatkan untuk menghilangkan lapisan oksida pada permukaan cacat. Sketsa

cetakan dan spesimen tersebut dapat dilihat pada Gambar II.9.

18

Gambar II.9 Cetakan, Rangka Cetak dan Spesimen Pada Proses TFC [18]

II.2.1 Parameter-Parameter Pada TFC

Untuk mendapatkan hasil perbaikan cacat yang sambungannya mempunyai sifat

yang sama dengan logam induk, maka harus diperhatikan parameter-parameter yang

terkait dengan proses TFC. Parameter-parameter tersebut adalah:

1. Temperatur preheat.

2. Kedalaman penetrasi logam cair.

3. Laju aliran logam cair dan waktu tuang.

4. Diameter rata-rata saluran.

5. Temperatur penuangan

Diantara parameter-parameter tersebut, temperatur preheat, kedalaman penetrasi

logam cair dan waktu penuangan merupakan parameter yang sangat menentukan

keberhasilan dari proses TFC. Karena parameter tersebut akan menentukan bentuk

struktur mikro pada sambungan. Sedangkan parameter-parameter lain dianggap

sebagai parameter tetap yang harganya ditentukan berdasarkan angka praktis

dilapangan dan disesuaikan dengan material yang digunakan.

Dengan menggunakan pendekatan analisis dimensional yang menggabungkan

konsep perpindahan panas dan penggunaan variabel tak berdimensi maka dapat

19

diturunkan formulasi matematis hubungan antara parameter-parameter tersebut di

atas. Hubungan tersebut terjadi pada proses pencairan dan pembekuan. Pada Gambar

II.10 memperlihatkan sketsa pencairan pada bidang datar.

Gambar II.10 Sketsa Distribusi Temperatur Proses Pencairan Pada TFC[18]

Dari ilustrasi Gambar II.10 di atas dapat dibuat rangkaian termal seperti pada

Gambar II.11.

Gambar II.11 Rangkaian Termal Proses TFC[18]

20

Dengan bantuan rangkaian termal dan kelompok bilangan tak berdimensi maka

diperoleh hubungan fungsional dari setiap parameter yang terkait. Laju perpindahan

panas per satuan luas melalui tahanan-tahanan yang diberikan oleh aliran logam cair

di daerah pencairan (melting) dan di daerah padat sebagai akibat potensial temperatur

(T∞-Tpr) adalah:

kkTT

hTT

qqq prkctot ///1

00

ψε +

−+

−=+= ∞

Keterangan:

qtot = laju perpindahan panas total oleh logam cair (W/m2)

qc = laju perpindahan panas konveksi per satuan luas (W/m2)

qk = laju perpindahan panas konduksi per satuan luas (W/m2)

T∞ = temperatur penuangan logam cair (pouring) (°C)

Tm = temperatur cair (melting) logam (°C)

T0 = temperatur permukaan logam cair setelah dituangkan (°C)

Tpr = temperatur preheat (°C)

h = koefisien perpindahan panas konveksi logam cair (W/m2.K)

kl = ks = k = koefisien perpindahan panas konduksi logam (W/m.K)

ε = tebal lapisan logam induk yang mencair (mm)

ψ = tebal lapisan panas logam induk akibat logam cair (mm)

Dari hukum kekekalan energi dapat dibuat persamaan energi yaitu laju perpindahan

panas persatuan luas (2.2) sama dengan besarnya energi yang diperlukan untuk

mengubah fasa padat menjadi fasa cair dan untuk menaikkan temperatur di daerah

cair-padat (mushy zone). Energi tersebut adalah sebesar:

...(2.2)

21

( ) ( )( ) ( )dt

dTTCTTCLdq prmpmpcpψερ +

−+−+= 0

Maka diperoleh persamaan energi sebagai berikut:

( ) ( )( ) ( )dt

dTTCTTCLkk

TThTT

prmpmppr ψερ

ψε+

−+−+=+−

+−∞

000

///1

Keterangan:

dqcp = energi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa padat menjadi fasa cair dan

menaikkan temperatur di daerah cair-padat (W/m2)

ρ = massa jenis logam pada fasa padat (Kg/m3)

L = panas laten logam (J/Kg)

Cp = konduktivitas panas logam (J/Kg.K)

Untuk menyederhanakan dalam integrasi persamaan (2.3) maka didefinisikan

bilangan-bilangan tak berdimensi yaitu:

( ) ( ) ( )( )

( )( ) ( )( )prmpmp

pr

pr

TTCTTCLktTTh

t

TTTTT

khdd

kh

−+−+−

=

−−

=+

=+

=

∗

∞∗∗∗

0

02

0

0

ρ

ψεδψεδ

Dengan proses integrasi dan iterasi diperoleh persamaan kedalaman penetrasi panas

komulatif ( ∗δ ) dalam fungsi t* dan T* atau ∗δ = f(t*, T*) yaitu:

...(2.3)

...(2.4)

22

( )KPatKPe ∗∗ =δ

Keterangan:

KPe = 2,4704T* - 0,0192

KPa = 0,775 (T*)-0,0834

Kemudian untuk proses pembekuan pada TFC penurunan formulasi matematisnya

dibantu dengan pendekatan seperti pada Gambar II.12.

Gambar II.12 Sketsa Distribusi Temperatur Proses Pembekuan Pada TFC[18]

Keseimbangan energi di solid-liquid interface adalah:

( )( )[ ] ( )

dttTTCL

xTk

xTk mp

tx

ll

ss

ερε

∂−+=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

∂∂

−∂∂

=0

...(2.6)

...(2.5)

23

Persamaan distribusi temperatur di daerah cair adalah:

( )2

)(2 ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−−

−+⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−−

−−=εδε

εδε xTTxTTTT prmprmml

Persamaan distribusi temperatur di daerah padat adalah:

( )2

0000 )()( ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+−−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−−= ∞∞ ε

εε

ε xTTkhTTxTT

khTT

lm

ls

Keterangan:

Tl = temperatur liquid (°C)

Ts = temperatur solid (°C)

D = diameter saluran (mm)

Dengan bantuan proses penurunan persamaan-persamaan (2.6)(2.7)(2.8) dan

mengasumsikan bahwa fluks panas di daerah padat-cair adalah konstan serta dengan

melakukan beberapa kali curve fitting maka di peroleh persamaan hubungan antara

temperatur preheat dengan waktu penuangan pada proses pembekuan yaitu:

( )256,0

2

2

0933,1 ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−= ∞ k

thTTTT mmprα

Keterangan:

α = difusivitas panas (thermal diffusivity) (m2/s)

t = waktu penuangan (detik)

...(2.7)

...(2.8)

...(2.9)

24

Pada Gambar II.13 di perlihatkan grafik hubungan antara temperatur preheat dan

waktu penuangan pada proses TFC besi cor kelabu yang dibandingkan antara hasil

penurunan persamaan dengan hasil eksperimen [17].

Gambar II.13 Grafik Hubungan Antara Temperatur Preheat Dengan Waktu

Penuangan Pada Pembekuan Logam Cair Dengan Proses TFC[18]

Persamaan-persamaan di atas dapat digunakan untuk menentukan parameter-

parameter proses TFC. Syarat yang harus dipenuhi sebelum menentukan harga

parameter-parameter tersebut adalah asas similaritas yaitu bilangan Reynold 11150.

II.2.2 Pengaruh Bilangan Tak Berdimensi Pada Proses TFC

II.2.2.1 Bilangan Reynold[11]

Bilangan Reynold adalah perbandingan antara gaya inersia dan gaya gesekan aliran

fluida (viscous force). Bilangan Reynold membedakan aliran fluida ke dalam dua

jenis aliran yaitu aliran laminar (Re ≤ 2.100) dan aliran turbulen (Re ≥ 2.100).

25

Osborne Reynold (1824) menformulasikannya ke dalam sebuah persamaan sebagai

berikut:

μρ VDRe =

Keterangan:

Re = bilangan Reynold

ρ = massa jenis (kg/m3)

V = kecepatan aliran (m/s)

D = diameter saluran (mm)

μ = viskositas dinamik (Pa.s)

Dalam proses TFC aliran logam cair ke dalam rongga cacat harus turbulen.

Turbulensi aliran tersebut berfungsi untuk mengelupas lapisan oksida pada rongga

cacat sehingga akan terjadi sambungan yang baik. Sedangkan kecepatan aliran dan

energi panas logam cair akan memberikan aliran panas dari logam cair ke logam

induk. Bila logam cair mempunyai energi yang cukup untuk mencairkan logam

induk maka akan terjadi lapisan yang sangat tipis (very thin layer) pada logam induk

yang ikut mencair.

II.2.2.2 Bilangan Prandtl[11]

Bilangan Prandtl adalah perbandingan antara difusivitas momentum (momentum

diffusivity) dengan difusivitas panas (thermal diffusivity). Ludwig Prandtl

mendefinisikannya ke dalam sebuah persamaan yaitu:

...(2.10)

26

kCpPr

μαν==

Keterangan:

Pr = bilangan Prandtl

ν = viskositas kinematik (m2/s)

α = difusivitas panas (m2/s)

k = koefisien perpindahan panas konduksi (W/ m2.K)

Bilangan Prandtl menentukan ketebalan dari lapisan batas panas (thermal boundary

layer) dan lapisan batas momentum (momentum boundary layer). Pada bilangan

Prandtl besar lapisan batas panas lebih tipis dibandingkan dengan lapisan batas

momentum. Sebaliknya pada bilangan Prandtl kecil lapisan batas panas akan lebih

tebal dari pada lapisan batas momentum. Hal ini seperti yang terjadi pada aliran

logam cair pada logam induk dalam proses TFC. Ilustrasi dari pengaruh bilangan

Prandtl terhadap ketebalan lapisan batas panas dan momentum diperlihatkan pada

Gambar II.14.

Gambar II.14 Lapisan Batas Panas dan Lapisan Batas Momentum Untuk Bilangan

Prandtl Kecil (proses TFC)

...(2.11)

27

Keterangan:

V∞ = kecepatan aliran fluida

T∞ = temperatur fluida

Ts = temperatur permukaan plat (logam induk)

δm = ketebalan lapisan batas momentum

δt = ketebalan lapisan batas panas

Karena pada TFC lapisan batas panas lebih tebal dibandingkan dengan lapisan batas

momentum maka difusi yang dipengaruhi oleh energi panas lebih dominan dari pada

difusi akibat momentum.

II.2.3 Difusi Pada Proses TFC

Proses penyambungan yang terjadi pada TFC dapat berlangsung baik secara difusi

saja (full-diffusion) maupun gabungan antara proses fusi (mixing) dan difusi. Hal ini

telah dibuktikan oleh Muki [17] dengan proses TFC pada besi cor kelabu. Pada proses

penyambungan yang pertama kali terjadi adalah percairan logam induk pada

permukaan kontak kemudian diikuti dengan proses difusi. Permukaan logam induk

yang ikut mencair tersebut sangat tipis (very thin layer) sehingga terbentuk interface

antara logam induk dengan weld pool. Gambar II.15 menunjukkan daerah interface

yang mengalami pencampuran pada proses TFC besi cor kelabu. Dari eksperimen ini

maka disimpulkan bahwa proses penyambungan pada TFC dapat berlangsung secara

fusi dan difusi.

28

Gambar II.15 Daerah Interface Yang Mengalami Pencampuran Pada Eksperimen

TFC Besi Cor Kelabu[18]

Untuk membuktikan bahwa proses TFC dapat terjadi hanya dengan proses difusi

Muki [17] melakukan eksperimen TFC dengan logam induk baja karbon ST-37

dengan logam pengisinya menggunakan besi cor kelabu. Baja karbon bertitik cair

1600°C sedangkan besi cor kelabu hanya 1250°C dan dengan temperatur penuangan

1400°C maka tidak ada bagian dari logam induk yang ikut mencair selama

eksperimen TFC. Dan hasil penyambungan yang terjadi sangat bagus. Eksperimen

ini membuktikan bahwa proses penyambungan berlangsung secara full-diffusion.

Kemudian dari hasil uji tarik diperoleh patahan pada daerah weld pool bukan pada

sambungan. Sehingga dapat disimpulkan bahwa kekuatan tarik hasil difusi lebih

kuat dibandingkan dengan kekuatan tarik weld pool. Gambar struktur mikro pada

eksperimen tersebut dapat dilihat pada Gambar II.16.

Interface

Gambar II.16 Struktur Mikro Hasil TFC Dengan Logam Induk Baja Karbon dan

Logam Pengisi Besi Cor Kelabu[18]