BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Turbin Air

Turbin air memanfaatkan energi potensial air untuk menggerakkan generator

yang selanjutnya diubah menjadi energi listrik. Pemakaian turbin air di pusat

pembangkit listrik harus disesuaikan dengan besarnya laju aliran (debit) dan

ketinggian (head) sumber air yang tersedia di tempat tersebut.

2.1.1 Prinsip Turbin Air

Air merupakan salah satu sumber energi yang murah dan relatif mudah

diperoleh karena air tersimpan sebagai energi potensial saat air jatuh dan energi

kinetik saat air mengalir. Tenaga air adalah energi yang diperoleh dari air yang

mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam

wujud energi mekanik maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak

dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan

suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak

dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan

mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan.

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada

besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head

adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar

dari kincir air atau turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air

merupakan energi potensial air yaitu :

mghE = ............................................................................................... (2.1)

dengan

m adalah massa air (kg)

h adalah head (m)

g adalah percepatan gravitasi (m/s2)

Daya merupakan energi tiap satuan waktu t

E, sehingga persamaan (2.1) dapat

dinyatakan sebagai :

ght

m

t

E = ............................................................................................. (2.2)

Dengan mensubsitusikan P terhadap t

E dan mensubsitusikan Qρ terhadap

t

m

maka :

QghP ρ= ............................................................................................. (2.3)

dengan

P adalah daya (watt)

Q adalah kapasitas aliran (m3/s)

ρ adalah densitas air (kg/m3)

Selain memanfaatkan air jatuh tenaga air dapat diperoleh dari aliran air datar.

Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik

2

2

1mvE = ............................................................................................. (2.4)

dengan

v adalah kecepatan aliran air (m/s)

m adalah massa air (kg)

Daya air yang tersedia dari persamaan kontinuitas AvQ = dinyatakan sebagai

berikut :

2

2

1QvP ρ= atau 3

2

1AvP ρ= .............................................................. (2.5)

dengan

A adalah luas penampang aliran air (2m )

2.1.2 Jenis-Jenis Turbin

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk

pembangkit tenaga listrik. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi

energi mekanik. Energi mekanik diubah dengan generator listrik menjadi tenaga

listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air

menjadi energi mekanik, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin

impuls dan turbin reaksi.

Tabel 2.1 Jenis Turbin

Jenis Turbin Head Tinggi Head Sedang Head Rendah

Turbin Impuls Pelton, Turgo Cros-Flow, Multi-

Jet Pelton, Turgo

Cross-flow

Turbin Reaksi Francis Propeller, Kaplan

2.1.2.1 Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air yang

keluar dari nozle mempunyai kecepatan tinggi kemudian membentur sudu turbin.

Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi

perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin

impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nozle

tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Ketika masuk ke

sudu jalan maka energi akan diubah menjadi energi kecepatan. Jenis turbin impuls

antara lain yaitu :

a. Turbin Pelton

Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set

sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih

alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang

paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head

tinggi. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head kurang

lebih 150 meter tetapi untuk skala mikro ukuran head 20 meter sudah mencukupi

Gambar 2.1 Nosel Turbin Pelton[28]

b. Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 hingga 300 meter. Seperti

turbin pelton, turbin turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda.

Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin

turgo lebih besar dari turbin Pelton. Dengan demikian memungkinkan transmisi

langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus

menurunkan biaya perawatan.

Gambar 2.2. Sudu turbin Turgo dan nozel[28]

c. Turbin Crossflow

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin

Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin

Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow.

Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/detik hingga 10 m3/detik

dan head antara 1 hingga 200 meter.

Gambar 2.3 Turbin Crossflow[27]

2.1.2.2 Turbin Reaksi

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan

terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini

memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat

berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai

turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada

dalam rumah turbin. Yang termasuk ke dalam jenis turbin ini antara lain yaitu :

a. Turbin Francis

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang

diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di

bagian keluar. Turbin francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah

mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis

dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang

dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air

penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

Gambar 2.4 Flow Turbin Francis[25]

b. Turbin Kaplan & Propeller

Turbin Kaplan dan Propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin

ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya

mempunyai tiga hingga enam sudu.

Gambar 2.5. Turbin Kaplan[24]

2.1.3 Turbin Francis

Turbin Francis dapat digolongkan menjadi 2 kelompok yaitu jenis turbin

horizontal dan jenis vertikal. Pemilihan horizontal diperuntukkan dimensi yang

kecil sedangkan vertikal diperuntukkan dimensi yang besar. Turbin Francis ini

terdiri atas beberapa komponen yang masing-masing memiliki fungsi berbeda-

beda yang digunakan untuk menggerakkan generator. Komponen-komponen

penyusun turbin Francis terdiri dari: selubung melingkar (scroll casing), sudu-

sudu pengarah (guide vanes), sudu berputar (runner), poros (shaft), draft tube

cone, stay vanes yang dapat dilihat pada Gambar 2.6. Aliran air dari bendungan

atau waduk yang mengalir melalui penstock masuk ke dalam turbin Francis

melewati scroll casing. Scroll casing memiliki penampang yang menyempit ke

arah sudu-sudu pengarah sehingga energi kinetik aliran air akan meningkat setelah

melewati scroll casing. Aliran air yang memiliki energi kinetik besar selanjutnya

diarahkan oleh sudu-sudu pengarah untuk menabrak sudu-sudu yang dimiliki

runner, sehingga menyebabkan runner berputar. Putaran runner diteruskan ke

poros turbin untuk selanjutnya digunakan sebagai penggerak generator. Oleh

generator energi putar yang dihasilkan turbin Francis diubah menjadi energi

listrik.

Gambar 2.6 Komponen Turbin Francis vertikal [26]

2.2 Proses Pengecoran

Pengecoran merupakan salah satu proses produksi yang melibatkan

peleburan logam padat (solid metal) menjadi logam cair (liquid metal). Logam

cair tersebut kemudian dituang ke dalam cetakan agar memiliki bentuk sesuai

produk yang diinginkan. Setelah seluruh cetakan terisi, logam cair dibiarkan

mengalami proses pemadatan (solidification) dan pendinginan. Setelah

pendinginan maka ditempuh proses pengambilan produk dari cetakan (part

ejection). Proses pengecoran tidak terlepas dari logam yang akan dilebur yang

terdiri dari cast iron, paduan aluminium, baja cor, tembaga, dan lain-lain. Pada

penelitian ini akan dijelaskan salah satu sifat dan struktur dari logam baja cor atau

yang dikenal cast steel.

2.2.1 Struktur dan Sifat Baja Cor (Cast Steel)

Baja cor khusus terdiri dari baja paduan rendah dan baja cor paduan tinggi

yang dibuat dengan menambahkan macam-macam unsur paduan kepada baja cor

karbon. Mangan dan silium biasanya tidak dapat dihindarkan selalu tercampur

1. rotor generator 2. stator generator 3. poros turbin 4. runner 5. turbine head cover 6. stay ring discharge ring 7. supporting cone 8. guide vane 9. operating ring 10. guide vane servomotor 11. lower guide bearing 12. thrust bearing 13. upper guide bearing 14. spiral case 15. draft tube cone

ketika pengolahan baja sehingga unsur-unsur tersebut ditambahkan sebagai unsur

paduan. Baja cor ini terdiri dikelompokkan menjadi 3 yaitu

a. Baja cor paduan rendah

Baja karbon dikeraskan dan dikuatkan dengan pencelupan dingin

tetapi mampu kerasnya agak buruk dan hanya kulitnya saja yang keras.

Lapisan yang mengeras menjadi lebih tebal dengan menambah Mn, Cr, Mo

atau Ni. Baja paduan ini mempunyai sifat mampu keras tinggi karena karbon

larut dalam austenit dengan pencelupan dingin.

b. Baja tahan karat

Baja tahan karat adalah baja yang diperbaiki tahanan korosinya

dengan menambahkan nikel atau khrom dan akan memberikan ketahanan

korosi, ketahanan panas dan ketahanan dingin yang baik sekali dengan baja

cor karbon biasa. Baja didalam air atau udara akan berkarat oleh oksidasi

sedangkan baja paduan dengan kandungan khrom lebih dari harga tertentu

mempunyai sifat pasif terhadap oksidasi dan bebas dari karat. Baja tahan

karat mengandung khrom lebih dari 12 %

Baja tahan martensit mempunyai mampu-keras dan ketahanan

korosi yang paling baik dalam keadaan setelah dicelup dingin dan ditemper.

Baja 13% Cr mempunyai mampu keras sendiri dengan pengerasan alam

yaitu pendinginan dalam udara luar. Baja ini cocok untuk hal-hal yang

bersifat korosi ringan seperti saluran dan rumah turbin air.

Baja tahan ferit mengadung 16% tidak dapat dikeraskan dengan

jalan pencelupan dingin. Baja ini ketahanan korosinya lebih kecil

dibandingkan dengan baja tahan karat austenit tetapi lebih murah. Baja cor

tahan karat austenit ini adalah baja cor 18Cr-8Ni yang mempunyai ketahan

korosi dan sifat-sifat mekanik yang baik. Struktur dari sistem Fe-Ni-Cr

menjadi austenit lengkap pada komposisi 18%Cr-8Ni dimana ketahan korosi

yang terbaik tidak akan didapat apabila karbon larut dalam austenit dan

tidak mengendap secara terpisah. Baja ini diperuntukkan untuk baling-baling

kapal sebab ia mempunyai ketahan korosi terhadap air garam.

c. Baja tahan panas

Baja cor tahan panas adalah nama umum untuk baja cor yang

dipakai pada temperatur tinggi yaitu diatas 650C° . Baja ini terdiri dari baja

paduan cor tinggi dengan chrom tinggi dan baja cor paduan tinggi dengan

nikel tinggi sesuai dengan komposisi kimianya. Sifat-sifat yang harus

dipunyai oleh baja cor tahan panas ialah kestabilan permukaan, kekuatan

melar pada temperatur tinggi, keuletan pada temperatur tinggi, tahanan yang

tinggi terhadap kelelahan panas dan tahan aus yang baik.

2.2.2 Dasar- dasar pengecoran

Dalam proses pengecoran diharapkan agar produk yang dihasilkan bebas

dari cacat dan ekonomis. Produk coran dikatakan bebas dari cacat jika memenuhi

kriteria seperti: kekuatan, kualitas permukaan dan akurasi dimensi sesuai

perancangan. Untuk itu diperlukan pengetahuan yang baik mengenai perancangan

cetakan dan praktek pengecoran. Beberapa faktor penting yang harus diperhatikan

dalam proses pengecoran yaitu :

2.2.2.1 Aliran logam cair ke rongga cetakan

Aliran logam perlu diperhatikan dalam proses pengecoran. Logam cair

dituang ke dalam cetakan melalui cawan tuang (pourin basin). Logam cair ini

kemudian mengalir melalui sistem saluran yang terdiri dari saluran turun (sprue),

saluran pengalir (runner), dan saluran masuk (gate) menuju ke rongga cetakan.

Meskipun sistem saluran ini kelihatan sederhana, tetapi memiliki pengaruh

penting terhadap keberhasilan proses pengecoran dan pengaturan proses

pemadatan logam cair untuk menjamin keberlangsungan aliran logam cair sampai

ke seluruh rongga cetakan.

Permasalahan yang timbul dalam proses pengecoran seperti: timbulnya

aliran turbulen sewaktu proses penuangan dan pendinginan cepat yang

menyebabkan proses pemadatan dini, dapat diatasi dengan perancangan sistem

saluran yang bagus. Perancangan sistem saluran yang bagus memerlukan

pemahaman yang baik mengenai masalah aliran fluida dan perpindahan panas.

2.2.2.2 Perpindahan panas selama proses pemadatan dan pendinginan.

Setelah logam cair dituang ke dalam cetakan, maka akan terjadi proses

pemadatan logam dan pendinginan ke temperatur sekeliling. Proses-proses ini

memiliki pengaruh besar terhadap ukuran, bentuk, keseragaman, dan komposisi

kimia dari butiran yang terbentuk pada struktur logam produk coran. Faktor

penting yang berpengaruh terhadap proses pemadatan dan pendinginan logam cair

yaitu: jenis logam tuang, konduktivitas termal cetakan dan logam tuang, geometri

benda yang ingin dibuat dengan pengecoran, dan bentuk cetakan.

2.2.2.3 Pengaruh jenis material cetakan.

Konduktivitas termal cetakan dan logam tuang akan berpengaruh terhadap

laju pendinginan logam tuang. Laju pendinginan yang lambat yang berarti proses

pemadatan yang lama akan menghasilkan struktur dendrit yang kasar dengan jarak

antar lengan dendrit yang jauh. Sebaliknya laju pendinginan yang cepat akan

menghasilkan struktur dendrit yang halus dengan jarak antar lengan dendrit yang

dekat. Struktur dendrit maupun ukuran butir yang dihasilkan selama proses

pemadatan akan berpengaruh terhadap produk yang dihasilkan dari proses

pengecoran. Semakin kecilnya ukuran butir pada struktur logam hasil coran, maka

kekuatan dan keuletan produk coran akan meningkat, mikroporositas (rongga

antar struktur dendrit) akan menurun, dan kecenderungan produk coran untuk

retak selama proses pemadatan semakin kecil.

2.2.3 Pola

Pola adalah sebuah model produk atau prototip untuk membuat cetakan

dalam pembuatan coran yang telah dikonversi dengan penyusutan. Pola

digolongkan menjadi pola logam dan pola kayu (termasuk pola plastik).

Pembuatan pola harus mempertimbangkan bagaimana hasil coran yang baik,

bagaimana menstabilkan inti-inti, bagaimana cara mempermudah pembokaran

cetakan, menetapkan arah kup dan drag, tambahan penyusutan (shrinkage),

tambahan untuk penyelesaian dengan mesin dan kemiringan pola.

2.2.3.1 Bahan Pola

Pola kayu termasuk pola yang sering dipakai dalam pengecoran. Syarat

kayu yang dipakai adalah kering sekali (kadar air 5%), mudah dikerjakan mesin

atau tangan, mempunyai serat-serat halus, tidak mudah retak atau pecah dan

digunakan untuk proses cetakan tangan dan cetakan mesin. Pola logam dipakai

sebagai bahan pola terutama untuk produk massal. Bahan logam ini harus

memiliki tahan aus, ringan (bahan aluminium), mudah dikerjakan, tidak mudah

pecah, dapat memanaskan cetakan dengan ketebalan merata. Pola resin ialah

epoxy yang mempunyai sifat tahan aus, penyusutan kecil dan bisa digunakan

dengan mesin. Bahan resin ini dipakai sebagai bahan pola untuk coran kecil dari

satu masa produksi atau dilakukan denga pencetakan mesin. Untuk membuat pola

resin ini harus dibuat negatifnya dari bahan kayu, logam dan resin itu sendiri.

Selain pola kayu, logam dan resin, ada pula pola yang terbuat dari lilin.

Bahan pola dari lilin biasanya untuk coran benda kecil, produksi massal dan

pengecoran paduan kelas tinggi seperti sudu-sudu turbin. Pola yang lain adalah

styrofoam yang biasanya dipakai satu kali karena pola tersebut tidak dikeluarkan

dari cetakan. Pola gips dipakai untuk membuat benda tuang jumlahnya satuan

karena bahan ini mudah pecah.[19]

2.2.3.2 Pembuatan Pola

a. Menetapkan kup, drag dan permukaan pisah

Penentuan kup, drag dan permukaan pisah adalah hal yang paling penting

untuk mendapat coran yang baik. Dalam hal ini dibutuhkan pengalaman yang luas

dan harus mempunyai ketentuan seperti pola harus mudah dikeluarkan dari

cetakan, penempatan inti harus mudah dan sistem saluran harus dibuat sempurna.

b. Menentukan tambahan penyusutan

Tambahan penyusutan ini dikenal dengan nama shrinkage. Faktor ini

adalah hal yang penting karena menentukan kualitas dari produk. Besarnya nilai

shrikage seperti pada tabel dibawah ini.

Tabel 2.2 Penyusutan Logam[15]

c. Kemiringan pola

Permukaan-permukaan tegak dari pola dimiringkan dari permukaan pisah

untuk memudahkan pengangkatan pola dari cetakan, meskipun dalam hal

mempergunakan pola logam, pola ditarik dengan pengarah dari pena-pena. Pola

logam membutuhkan kemiringan 1/2000 sedangkan pada pola kayu membutuhkan

kemiringan 1/30 sampai 1/100.

d. Tambahan pelenturan

Penyusutan coran pada waktu pembekuan dan pendinginan kadang-kadang

tidak hanya mengecilkan keseluruhannya tetapi juga mengakibatkan pelenturan

yang tergantung pada bentuknya.

e. Telapak inti

Telapak inti disebut pula coreprint yaitu cara menempatkan inti,

membawa dan menentukan letak inti, meyalurkan udara dan gas-gas cetakan yang

keluar melalui inti dengan harapan jika cetakan telah terisi penuh oleh logam

maka gas-gas dibawa keluar melaui telapak inti, dan memegang inti yaitu dengan

harapan cetakan terisi penuh oleh logam, ia mencegah bergesernya inti dan

memegang inti terhadap daya apung dari logam cair.

Jenis Bahan Penyusutan (%)

Besi Cor Nodular FCD>400 0.3-0.25

Besi Cor Kelabu (tipis, lunak) Fe<20 0.8-1

Besi Cor Kelabu (keras) FC>25 1-1.2

Besi Cor Maleabel 1.2-2

Brons, Kuningan 1.6-1.8

Tembaga Cor (ukuran besar) 1.8-2

Baja Cor Tahan Karat Cr13% 1.8

Baja Cor Tahan Karat 18-8 2.6-2.85

Nikel Cor, Logam Monel 2.1

2.2.4 Jenis-jenis pengecoran (casting)

Proses pengecoran dapat dikelompokkan menurut jenis cetakan maupun

gaya penggerak yang digunakan ketika melakukan proses penuangan logam cair

ke rongga cetakan. Skema lengkap mengenai pengelompokkan proses pengecoran

dapat dilihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Jenis-Jenis Pengecoran[13]

Pengecoran dengan menggunakan cetakan sekali pakai (expendable

mould) seperti sand casting dan investment casting dapat digunakan untuk

mengecor benda dari segala jenis material logam baik besi (ferrous) maupun

bukan besi. Berat benda yang mampu dicor juga lebih besar daripada proses

pengecoran dengan cetakan permanen. Proses pengecoran dengan cetakan sekali

pakai selalu membutuhkan cetakan baru yang dirangkai dengan sistem saluran

untuk melakukan penuangan pada setiap proses pengecoran, sehingga

membutuhkan waktu lebih lama. Cetakan sekali pakai tersebut dapat dibuat

dengan menggunakan pola permanen (permanent pattern) atau pola sekali pakai

(expendable pattern). Pola permanen dapat dibuat dari kayu, logam, ataupun

plastik. Sedangkan pola sekali pakai dapat dibuat dari lilin (wax), expendable

polystyrene (EPS), maupun material polimer lain.

Gravity Die adalah jenis proses pengecoran yang sering disebut sebagai

proses pengecoran dengan cetakan permanen. Pada proses ini logam cair dituang

dengan pengaruh gaya gravitasi ke cetakan yang terbuat dari besi cor berlapis

keramik. Apabila benda memiliki rongga di dalamnya maka pada cetakan

disisipkan inti yang dapat dibuat dari logam ataupun pasir. Setelah logam cair

yang dituang ke cetakan mengalami proses pemadatan dan pendinginan, cetakan

dipisahkan untuk mengambil produk coran. Proses pengecoran ini cocok untuk

benda yang terbuat dari logam bukan-besi dengan ukuran kecil sampai medium

dan memiliki bentuk yang rumit serta memiliki ketebalan penampang yang tipis.

Pressure die Casting adalah jenis proses pengecoran yang dilakukan

dengan menginjeksikan logam cair dengan tekanan ke cetakan dari baja yang telah

dikeraskan (hardened steel) dan dilengkapi dengan sistem pendingin (biasanya

air). Apabila benda yang ingin dibuat memiliki rongga ataupun undercut maka

cetakan dilengkapi dengan inti yang terbuat dari logam. Setelah logam cair yang

diinjeksikan ke cetakan mengalami proses pemadatan dan pendinginan, setengah

cetakan digerakkan dan produk coran dikeluarkan dengan pin ejector. Proses

pengecoran ini cocok untuk benda dari logam bukan besi dengan ukuran kecil

sampai medium dan memiliki bentuk yang rumit serta ketebalan dinding tipis.

Centrifugal casting merupakan proses pengecoran yang prinsip kerjanya

menggunakan logam cair yang dituang ke cetakan lalu diputar sehingga

menimbulkan gaya sentrifugal dan akan mendorong logam cair ke cetakan. Lost

foam casting merupakan proses pengecoran yang prinsip kerjanya menggunakan

pasir yang dipadatkan mengelilingi pola sekali pakai dari polystyrene (expandable

polystyrene pattern). Logam cair dituang ke cetakan yang terbuat dari pasir yang

mengelilingi polystyrene sehingga akan menguapkan pola dan mengisi rongga

yang ditinggalkan pola.[10]

2.2.5 Cetakan Pasir dan Pasir Cetak (Sand Casting)

Proses pengecoran jenis ini dilakukan dengan mencampur pasir, bahan

pengikat (binder) dan air. Kemudian campuran tersebut dipadatkan mengelilingi

pola dari kayu atau logam untuk menghasilkan cetakan. Selanjutnya cetakan

diambil dari pola dan dirangkai dengan inti (core) jika diperlukan. Logam cair

dituangkan ke dalam rongga cetakan, dan dibiarkan mengalami proses pemadatan

dan pendinginan yang diikuti dengan pengambilan hasil coran dengan memecah

cetakan. Hasil coran biasanya memerlukan proses pemesinan untuk mendapatkan

geometri seperti yang dikehendaki. Jenis pengecoran ini cocok untuk benda yang

terbuat dari material logam baik besi maupun bukan besi, benda dengan segala

ukuran maupun dengan geometri yang rumit.

Pengecoran cetakan pasir merupakan proses pengecoran yang paling

umum dipakai karena tidak membutuhkan investasi yang mahal dan dapat

digunakan untuk mengecor benda dari material logam besi maupun bukan besi.

Tahapan-tahapan yang dilakukan untuk melakukan proses pengecoran cetakan

pasir dapat dilihat pada Gambar 2.8. Tahapan-tahapan tersebut secara garis besar

dapat dikelompokkam menjadi tiga, yaitu: pre-casting, casting, dan post-casting.

Gambar 2.8 Proses Pengecoran Cetakan Pasir[13]

Tahapan pre-casting merupakan tahapan persiapan yang dilakukan

sebelum proses penuangan. Tahapan ini terdiri dari persiapan pasir cetak dan

pembuatan cetakan. Untuk melakukan proses pembuatan cetakan diperlukan pola,

inti, dan sistem saluran. Setelah cetakan selesai dibuat kemudian dilanjutkan

dengan tahapan berikutnya, yaitu casting. Tahapan casting terdiri dari peleburan

logam padat dan penuangan logam cair hasil peleburan ke cetakan. Peleburan

logam padat dilakukan di dalam tungku atau kopula. Logam cair hasil peleburan

kemudian dituangkan ke dalam cetakan dan dibiarkan mengalami proses

pemadatan dan pendinginan, sehingga dihasilkan produk coran. Produk coran

perlu dipisahkan dari cetakan dan diberi perlakuan (treatment) sebelum dikirim ke

konsumen. Semua itu dilakukan dalam tahap post casting.

2.2.5.1 Pre Casting

Pre Casting ini adalah persiapan awal sebelum melakukan casting atau

coran. Beberapa persiapan awal dalam pre casting adalah persiapan pasir cetakan,

persiapan pola, persiapan pembuatan inti dan persiapan pembuatan cetakan.

a. Persiapan pasir

Persiapan pasir merupakan langkah awal dalam pre casting. Ada beberapa

persyaratan dalam persiapan pre casting yaitu mempunyai sifat mampu bentuk

sehingga memudahkan proses pembuatan cetakan, mempunyai kekuatan yang

cukup pada temperatur kamar dan temperatur tuang, sehingga cetakan yang

dihasilkan tidak mudah rusak karena dipindah-pindah dan dapat menahan logam

cair sewaktu dituang ke dalamnya, mempunyai permeabilitas yang cocok,

sehingga cacat akibat udara yang terjebak dalam cetakan maupun gas yang

dihasilkan cetakan sewaktu proses penuangan dapat dihindarkan, dan mempunyai

distribusi butir yang cocok. Permukaan produk coran akan halus jika cetakan

dibuat dari pasir berbutir halus. Tetapi jika butir pasir terlalu halus, gas yang

terjebak dalam cetakan sukar keluar sehingga dapat menyebabkan cacat pada

coran. Oleh karena itu diperlukan distribusi besar butir yang cocok untuk

memperoleh hasil coran yang permukaannya halus dan bebas dari cacat., tahan

terhadap temperatur logam cair yang dituang, memiliki kemampualiran

(flowability) sehingga dapat digunakan lagi, memiliki komposisi yang cocok.

Butir pasir akan bersentuhan langsung dengan logam cair yang memiliki

temperatur tinggi sehingga akan mengalami peristiwa kimia dan fisika. Oleh

karena itu komposisi bahan campuran pasir perlu dipertimbangkan agar tidak

timbul gas sewaktu proses penuangan.

Pasir silica merupakan jenis pasir cetak yang paling umum digunakan

dalam proses pengecoran. Jenis pasir cetak lain yang digunakan dalam proses

pengecoran dengan harga sedikit mahal karena memiliki sifat yang lebih baik

yaitu: pasir zircon, olivine, khromit (chromite), dan mullite. Pasir olivine

contohnya, memiliki ketahanan retak dan ekspansi termal yang lebih bagus

daripada pasir silica. Cetakan yang terbuat dari pasir olivine memiliki kekuatan

yang cukup untuk menahan beban termal dari logam cair yang dituang.

Agar mudah dicetak pasir-pasir tersebut biasanya dicampur dengan bahan

pengikat (binder). Bahan pengikat yang sering digunakan untuk membuat cetakan

yaitu bentonite clay (sodium atau calcium bentonite). Bahan pengikat tersebut

dapat meningkatkan kekuatan dan plastisitas pasir cetak, terutama pasir silika.

Campuran lain yang digunakan untuk membuat cetakan yaitu debu batu bara (coal

dust) untuk meningkatkan kehalusan permukaan hasil coran, besi-oksida (iron-

oxide) untuk meningkatkan ketahanan cetakan terhadap temperatur tinggi,

dekstrin (dextrin) untuk meningkatkan ketangguhan dan ketahanan cetakan

terhadap kerusakan (collapsibility), molasses untuk meningkatkan kekuatan

cetakan.

b. Persiapan pola

Pola merupakan model fisik dari produk coran yang digunakan untuk

membuat cetakan. Berdasarkan materialnya, pola dapat dikelompokkan menjadi

pola logam dan pola kayu. Pola logam dipergunakan untuk menjaga ketelitian

ukuran produk coran terutama untuk melakukan produksi massal, sehingga umur

pola bisa lebih lama dan produktivitasnya lebih tinggi. Pola kayu biasanya dipilih

karena murah, cepat dan mudah proses pembuatannya.

Pola dapat dibuat sebagai satu kesatuan (single piece) ataupun terpisah

menjadi dua bagian (split pattern) tergantung dari kompleksitas benda yang akan

dicor. Pola terpisah (split pattern) memiliki dua bagian yang dipisahkan dengan

permukaan pisah (parting surface), yaitu: bagian atas yang disebut kup (cope) dan

bagian bawah yang disebut drag. Untuk melakukan proses pembuatan pola,

biasanya diperhatikan beberapa aspek teknis seperti: penyusutan (shrinkage),

kemiringan (draft), permukaan pisah dan kualitas permukaan pola. Pola dibuat 1-

2% lebih besar dari benda yang akan dicor sebagai kompensasi terjadinya

penyusutan ketika proses pemadatan dan pendinginan. Untuk memudahkan

pengambilan pola dari cetakan dan menjamin agar pasir cetak tidak rontok, maka

permukaan pola yang sejajar dengan arah penarikan perlu diberi kemiringan

tertentu. Selain itu, kualitas permukaan pola harus diperhatikan juga agar cetakan

yang dihasilkan memiliki permukaan yang halus

c. Persiapan pembuatan inti

Inti merupakan bentuk dari pasir yang dipasang pada rongga cetakan untuk

mencegah pengisian logam pada bagian yang seharusnya berbentuk lubang atau

rongga pada produk coran. Bagian ini biasanya dibuat dari pasir dengan

menggunakan bahan pengikat organik maupun non-organik. Beberapa sifat yang

harus dimiliki oleh inti yaitu: memiliki ketahanan terhadap temperatur tinggi dan

erosi akibat aliran logam cair, permukaannya halus, memiliki kemampuan

mengalirkan gas, dan mudah mengalami deformasi setelah proses pengecoran

selesai.

Proses pembuatan inti sangat beragam, di antaranya dengan cara kotak

panas (hot box process), kotak dingin (cold box process), CO2, dan cara mengeras

sendiri. Cara kotak panas dilakukan dengan menyemprotkan campuran pasir ke

pola (pattern) yang terbuat dari logam yang telah dipanaskan. Karena pengaruh

panas dari pola logam tersebut maka campuran pasir akan mengeras mengikuti

bentuk polanya. Cara kotak dingin mirip dengan cara pada kotak panas, namun

pola yang terbuat dari logam tidak perlu dipanaskan. Proses pengerasan campuran

pasir pada kotak dingin dilakukan dengan melewatkan gas amino, sehingga

campuran pasir akan mengeras saat itu juga. Cara CO2 merupakan proses

pembuatan inti yang memanfaatkan aliran gas CO2 untuk melakukan proses

pengerasan campuran pasir. Sedangkan proses pembuatan inti dengan cara

mengeras sendiri dilakukan dengan memberikan pengikat khusus sebagai

campuran pasir sehingga pasir akan mengeras secara alami.

Dalam proses pembuatan inti diperlukan bahan pengikat sebagai campuran

pasir cetak. Bahan pengikat yang digunakan pada proses pembuatan inti antara

lain minyak sayur (vegetable oil), minyak mineral dan sodium silikat. Minyak

sayur ataupun minyak mineral merupakan bahan pengikat yang murah. Akan

tetapi inti yang dibuat dengan bahan pengikat ini memerlukan pemanasan sampai

temperatur 2400 C selama 2 hingga 3 jam untuk mendapatkan kekuatan yang

cukup. Inti yang dibuat dengan bahan pengikat sodium silikat, proses

pengerasannya memerlukan gas CO2. Gas ini dilewatkan ke pasir yang telah

dicampur dengan bahan pengikat sodium silikat sehingga akan mengeras secara

tiba-tiba.

d. Persiapan pembuatan cetakan

Pembuatan cetakan melibatkan pemadatan pasir cetak secara merata

mengelilingi pola, penarikan pola dari cetakan, penempatan inti dalam rongga

cetakan dan penyelesaian akhir sampai cetakan siap digunakan. Proses pembuatan

cetakan dapat dilakukan dengan menggunakan tangan atau mesin. Saat ini,

kebanyakan industri pengecoran sudah dilengkapi dengan mesin pembuat cetakan.

Mesin-mesin tersebut menggunakan kombinasi antara guncangan dan desakan

untuk memampatkan pasir mengelilingi pola. Selain mesin guncang (jolt machine)

dan guncang desak (jolt-squeeze machines), beberapa industri juga memanfaatkan

mesin cetakan tekanan tinggi (high pressure moulding machines). Mesin ini

menggunakan mekanisme hidrolik, air impulse atau gas injection untuk

menggerakkan kepala pendesak guna memampatkan pasir mengelilingi pola. Bila

dibandingkan dengan mesin guncang-desak, mesin ini memiliki beberapa

keunggulan seperti getaran dan tingkat polusi udara lebih rendah, serta

produktivitasnya yang tinggi. Salah satu jenis mesin cetak tekanan tinggi adalah

flaskless moulding machine.

Untuk meningkatkan kualitas produk coran, pada permukaan cetakan yang

bersentuhan dengan logam cair dapat disemprot atau dicat menggunakan grafit

atau bubuk mika yang telah dicampur dengan air. Proses penyemprotan atau

pengecatan tersebut mempunyai tujuan yaitu:

� Meniadakan cacat-cacat yang disebabkan oleh pasir.

� Mencegah fusi dan penetrasi logam.

� Membuang pasir inti dan pasir cetak dengan mudah pada waktu

pembongkaran.

� Mendapatkan permukaan coran yang halus.

Selain bubuk mika atau grafit, bahan pelapis lain juga dapat digunakan

dengan syarat bahan tersebut memiliki sifat tahan panas sehingga dapat menerima

temperatur penuangan, cukup kuat dan tidak mudah rusak oleh logam cair, dapat

mencegah terjadinya penetrasi logam dan gas yang ditimbulkan harus sedikit.

2.2.5.2 Casting

Peleburan logam dilakukan untuk menyediakan logam cair yang

dibutuhkan dalam proses penuangan. Untuk melakukan proses peleburan logam

dibutuhkan logam padat yang siap dilebur dan peralatan peleburan seperti kopula,

tungku api minyak (oil/gas fired furnaces), tungku induksi dan tungku busur

searah (direct arc furnace).

Kopula merupakan tungku peleburan yang umum digunakan untuk

melebur besi cor. Kelebihan yang dimiliki kupola antara lain konstruksinya

sederhana dan operasinya mudah, memberikan kemungkinan peleburan yang

kontinu, memungkinkan mendapatkan laju peleburan yang besar tiap jamnya dan

biaya peralatan yang murah. Kopula umumnya dibuat dari baja silinder tegak dan

dilapisi dengan bata tahan api. Untuk melakukan proses peleburan dengan kopula,

bahan logam dan kokas diisikan dari pintu pengisi. Udara yang diperlukan untuk

proses pembakaran ditiupkan melalui tuyer, sehingga menyebabkan kokas

terbakar dan bahan logam mencair. Bahan logam yang telah cair kemudian

dikeluarkan melalui lubang-lubang keluar pada dasar kupola.

Tungku api minyak merupakan tungku peleburan yang menggunakan

bahan bakar minyak. Tungku ini terdiri dari tungku krusibel (crucible furnace)

dan rotari (rotary furnace). Tungku krusibel, umumnya terbuat dari grafit dan

tanah liat serta cocok untuk melakukan proses peleburan logam bukan-besi dalam

jumlah sedikit. Sedangkan tungku rotari terbuat dari pelat baja yang dilapisi

dengan material refraktori. Untuk melakukan proses peleburan dengan tungku

rotari, bahan logam dimasukkan melalui pintu pengisi yang terletak di tengah.

Agar bahan logam menjadi cair, maka pada bagian ujung tungku rotari dipanasi

dengan melakukan proses pembakaran minyak atau gas. Bahan logam yang telah

mencair, kemudian dikeluarkan melalui pintu keluar.

Tungku busur searah dan induksi merupakan jenis dari tungku listrik.

Tungku ini memanfaatkan energi listrik untuk melakukan proses peleburan.

Beberapa kelebihan yang dimiliki oleh tungku listrik antara lain kemudahan

pengaturan komposisi bahan logam, kemudahan pengaturan temperatur,

memungkinkan untuk memakai logam bermutu rendah, mengurangi jumlah

pekerja, dan memiliki laju peleburan yang tinggi.[16]

2.2.5.3 Post Casting

Penuangan merupakan proses pengisian rongga cetakan dengan logam

cair. Proses pengisian cetakan yang terbuat dari pasir umumnya memanfaatkan

gaya gravitasi. Karena pengaruh gaya gravitasi, logam cair dalam cawan tuang

akan mengalir melalui sistem saluran menuju rongga cetakan.

Pada saat melakukan proses penuangan, ada beberapa hal yang harus

mendapat perhatian yaitu pengeringan ladel yang membawa logam cair dari

tungku, pembuangan terak, temperatur penuangan dan waktu penuangan. Hal ini

dilakukan agar diperoleh produk coran yang bebas dari cacat. Sebagai contoh,

pengeringan ladel dilakukan untuk menghindari terjadinya penurunan temperatur

logam cair, terjadinya oksidasi akibat cairan dan terjadinya cacat-cacat coran

seperti rongga udara dan lubang-lubang jarum. Sedangkan pemilihan temperatur

tuang yang cocok dapat menghindari terjadinya pemadatan logam sebelum

waktunya yang dapat menyebabkan terbentuknya rongga pada produk coran

karena tidak terisi logam cair.

Setelah proses penuangan selesai dan logam cair telah mengalami

pemadatan serta pendinginan ke temperatur kamar, maka produk coran siap untuk

dipisahkan dari cetakan. Proses pemisahan produk coran dari cetakan dapat

dilakukan dengan mesin pembongkar, konveyor getar, ataupun mesin pemukul.

Penyelesaian dan pembersihan merupakan proses terakhir dalam

pengecoran. Proses ini melibatkan pembuangan pasir dan sisa logam seperti

sistem saluran, penambah dan sirip-sirip dari produk coran. Proses pembuangan

pasir yang menempel pada produk coran dapat dilakukan dengan beberapa cara

seperti menggetarkan produk coran (vibrating), menyikat produk coran dengan

sikat kawat (wire brushing), ataupun dengan menembak produk coran

menggunakan peluru baja (shoot blasting). Sedangkan pembuangan sistem saluran

dan penambah dapat dilakukan dengan proses pemesinan seperti gerinda

(grinding) dan penggergajian dengan band shaw. Proses lain untuk meningkatkan

kualitas produk coran seperti pengelasan (welding), pelapisan (coating) dan

perlakuan panas (heat treatment) dapat dilakukan sewaktu proses penyelesaian

dan pembersihan.[16]

Setelah proses penyelesaian dan pembersihan dilakukan, maka perlu

dilakukan pemeriksaan terhadap produk coran. Pemeriksaan produk coran

umumnya digolongkan menjadi pemeriksaan rupa, pemeriksaan tanpa merusak

(nondestructive testing) dan pemeriksaan bahan. Dalam pemeriksaan rupa, hal

yang diteliti yaitu ketidakteraturan, inklusi, dan retakan yang terdapat pada

permukaan produk coran. Pemeriksaan tanpa merusak diperlukan untuk

mengetahui cacat-cacat dalam seperti rongga udara, inklusi, rongga penyusutan,

dan retakan. Pemeriksaan tersebut dapat dilakukan dengan ultrasonic testing, dye

penetrant, eddy current testing atau radiografi. Pemeriksaan bahan dilakukan

untuk meneliti struktur mikro, ketidakteraturan bahan, dan sifat-sifat mekanik

produk coran.

2.2.6 Cetakan Cara Pola Lilin (invesment Casting)

Cara pola lilin merupakan suatu cara pengecoran presisi yang disebut

istilahnya pengecoran invesmen (invesment casting). Pengecoran invesmen ini

dahulu digunakan untuk benda seni rupa dalam jumlah banyak. Akan tetapi

metoda ini sudah digunakan pada teknologi kelas tinggi seperti sudu-sudu motor

jet bahkan pada sudu pada turbin francis.

Proses pengecoran ini dilakukan dengan menginjeksikan lilin ke cetakan

logam untuk membuat pola yang akan digabung dengan saluran turun (sprue)

sehingga memiliki bentuk seperti pohon. Pola yang telah digabung dengan sprue

dicelupkan ke bubur keramik (ceramic slurry) dan dikeringkan, yang diikuti

dengan proses pemanggangan untuk melelehkan lilin. Cetakan dari keramik yang

telah terbentuk ini perlu dipanaskan dahulu sebelum logam cair dituang ke

dalamnya. Setelah logam cair yang dituang mengalami proses pemadatan dan

pendinginan, cetakan dipecah dan produk coran diambil. Proses pengecoran ini

cocok untuk benda-benda yang terbuat dari material logam besi maupun bukan-

besi, benda berukuran kecil dengan bentuk rumit dan memiliki ketebalan

penampang yang tipis.

Proses pengecoran cetakan berpola lilin yang dijelaskan pada Gambar 2.9

sebagai berikut :

� Awalnya membuat cetakan untuk pengecoran pola lilin.

� Pola lilin dan sistem saluran dibuat berdasarkan cetakan.

� Pola lilin dan sistem saluran disusun menjadi susunan pola.

� Susunan tersebut dilapisi.

� Susunan pola lilin yang telah dilapisi ditutup dengan campuran invesmen.

� Memanaskan dengan temperatur antara 100-110º C agar lilin hilang.

� Cetakan dibakar sampai temperatur 800-1100º C.

� Logam cair dituangkan pada cetakan yang bertemperatur tinggi.

� Pekerjaan penyelesaian dilakukan.[19]

Hal-hal yang penting dalam proses tersebut diatas adalah mengurangi

pekerjaan tangan dalam penyusunan pola, kombinasi, kekentalan, cara

penyemprotan bahan pelapis, pengeluaran lilin sampai habis, pengaturan

temperatur dari cetakan yang dipanaskan mulai, pengaturan temperatur dan

kecepatan penuangan dan sebagainya.

Pelapisan dilakukan dengan cara penyebaran atau penyemprotan campuran

invesment pada permukaan pola. Campuran invesment adalah bubuk dari bahan

pelapis tahan panas yang merupakan suspensi dalam larutan etil silikat sebagai

pelapis. Pembuatan cetakan dilakukan dengan memasang pola yang telah dilapisi

dalam rangka cetakan kemudian camputran invesment dituangkan sekeliling pola

tersebut. Pada pengecoran paduan ringan atau paduan tembaga yang mempunyai

titik cair rendah, pelapisan pertama dapat ditiadakan. Sebaliknya atau paduan

yang mempunyai tempeartur tinggi seperti paduan besi atau paduan tahan panas.

Pelapisan harus diulangi sampai tiga kali dengan mempergunakan campuran

invesment dari bahan tahan panas kelas tinggi. Pada pembuatan cetakan invesment

dipakai bahan-bahan yang secara ekonomi dapat dipertanggungjawabkan.

Gambar 2.9 Proses Invesment Casting[13]

Cara lain adalah cetakan berlapis banyak dibuat dengan penyemprotan pasir

tahan api yang kasar pada pola lilin setelah pelapisan, cetakan menjadi kuat

setelah dikeringkan kemudian baru lilin dibuang. Setelah cetakan diberi bantalan

pasir atau mimis baja baru penuangan dapat dilakukan.

Campuran invesment tidak boleh mengandung gelembung udara, maka

untuk mengurangi gelembung udara, campuran tersebut sebelum dipergunakan

harus disimpan dalam bejana hampa udara yang kemudian tekanannya diturunkan.

Selanjutnya apabila pada pembuatan cetakan ada kemungkinan terbawa

gelembung udara dalam campuran, maka cetakan dengan rangka cetak seluruhnya

dimasukkan ke dalam bejana hampa udara yang kemudian tekanannya diturunkan.

Ketika diturunkan logam paduan misalnya untuk sudu-sudu motor jet,

perlu dilakukan pengolahan metalurgi secara sempurna dan pencairannya

dilakukan dalam hampa udara, selanjutnya penuangannya pun dalam banyak hal

dilakukan dalam hampa udara. Peralatan-peralatan khusus untuk memudahkan

perkerjaan dari mulai pengolahan pengolahan cetakan sampai penuangannya

dalam hampa udara telah dikembangkan sedemikian sehingga cara pengecoran ini

lebih sesuai untuk pengecoran presisi untuk paduan kelas tinggi.

2.2.7 Perancangan Pengecoran

Dalam melakukan perancangan cetakan untuk proses pengecoran, dua hal

yang umum dilakukan adalah merencanakan sistem penambah dan sistem saluran.

Sistem penambah digunakan sebagai pengatur terjadinya proses pemadatan dan

sekaligus berfungsi sebagai penyuplai logam cair ketika terjadi proses penyusutan.

Sedangkan sistem saluran berfungsi sebagai saluran penghantar logam cair

menuju rongga cetakan. Cetakan merupakan salah satu penentu keberhasilan

proses pengecoran sehingga diperlukan perancangan cetakan yang hati-hati.

Beberapa hal yang menjadi pertimbangan dalam merancang cetakan yaitu:

a. Ketebalan penampang, pojok dan sudut

Ketebalan penampang pada rongga cetakan hendaknya diusahakan

sehalus mungkin agar cacat pada produk coran karena terbentuknya

rongga penyusutan dapat dihindari. Pojok, sudut, dan fillet yang tajam

pada rongga cetakan seharusnya dihindari, karena dapat menyebabkan

retak pada produk coran selama terjadinya proses pemadatan. Radius fillet

hendaknya dipilih sedemikian rupa, sehingga mampu mengurangi

terjadinya konsentrasi tegangan dan menjamin terjadinya aliran logam cair

yang baik sewaktu proses penuangan berlangsung.

b. Area yang datar (flat area).

Area datar yang sangat luas pada rongga cetakan hendaknya

dihindari karena dapat menyebabkan melengkungnya produk coran.

Peristiwa tersebut terjadi karena gradien temperatur yang tidak seragam

ketika proses pemadatan berlangsung.

c. Penyusutan (shrinkage).

Penyusutan pada produk coran yang terjadi ketika proses

pemadatan berlangsung hendaknya dihindari dengan membuat rongga

cetakan lebih besar. Agar diperoleh rongga cetakan yang lebih besar,

dimensi pola pembuat cetakan perlu diperbesar sesuai dengan besar

penyusutan yang terjadi sewaktu proses pemadatan berlangsung.

d. Permukaan pisah (paring surface) dan Fitur dalam (internal feature).

Permukaan pisah merupakan permukaan yang memisahkan bagian

atas dari cetakan (kup) dan bagian bawah dari cetakan (drag). Penentuan

lokasi permukaan pisah akan mempengaruhi perancangan dan pembuatan

cetakan, jumlah dan bentuk inti dan sistem saluran. Oleh karena itu,

permukaan pisah tersebut hendaknya diusahakan terletak pada satu bidang

dan ditempatkan di pojok atau sisi dari produk coran.

Fitur-fitur dalam (internal features) yang dimiliki benda yang akan

dicor hendaknya dihindari atau jumlahnya dibuat sesedikit mungkin

karena dapat memperlama proses pembuatan cetakan dan dapat

menimbulkan terjadinya masalah aliran logam cair.

2.2.7.1 Perancangan Sistem Penambah

Perubahan temperatur suatu benda dapat mengakibatkan perubahan

volumenya. Pada saat temperatur benda mengalami peningkatan, maka akan

terjadi pemuaian. Begitu pula sebaliknya, pada saat temperatur benda mengalami

penurunan maka akan terjadi penyusutan. Peristiwa tersebut juga terjadi pada

proses pengecoran di mana produk coran akan mengalami penyusutan saat proses

pemadatan berlangsung. Untuk menghindari terbentuknya rongga akibat

penyusutan, maka pada cetakan diperlukan sistem penambah. Sistem penambah

yang digunakan pada suatu cetakan dapat digolongkan menjadi dua macam, yaitu

penambah samping dan penambah atas. Penambah samping dipasang di samping

coran dan langsung dihubungkan dengan saluran turun dan pengalir. Jenis

penambah tersebut sangat efektif untuk coran berukuran kecil dan menengah.

Sedangkan penambah atas dipasang di atas coran yang biasanya berbentuk

silinder yang memiliki ukuran besar.

a. Perhitungan Modulus

Dalam merancang sistem penambah pada suatu cetakan diperlukan nilai

modulus pengecoran benda yang akan dicor. Nilai modulus pengecoran yang

merupakan perbandingan antara volume yang dimiliki benda yang akan dicor

dengan luas permukaan perpindahan efektifnya. Langkah awal dalam merancang

penambah yaitu mengetahui nilai modulusnya. Hal ini berfungi untuk menentukan

letak paling panas pada benda yang akan dicor, menentukan urutan terjadinya

proses pemadatan, menentukan besar penambah, menentukan letak penambah dan

menentukan jumlah penambah.

b. Perhitungan Dimensi Penambah

Sesuai dengan urutan terjadinya proses pemadatan, dimana pemadatan

terakhir harus terjadi pada penambah, maka perbandingan nilai modulus

pengecoran (MS) pada baja cor harus diatur agar

MS benda tuang : MS leher penambah : MS penambah = 1 : 1,2 : 1,2 ...................... (2.6)

Menurut Gambar 2.8, berdasarkan bentuk geometrinya ada tiga jenis

penambah yang dapat digunakan pada suatu cetakan. Masing-masing penambah

memiliki dimensi yang berbeda sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 2.2. Karena

bentuk geometri dan dimensi yang berbeda, maka modulus pengecoran dan

volume logam cair yang disediakan ketiga penambah tersebut juga berbeda.

Side Riser (Cope)

Side Riser (Drag)

Top Riser

Gambar 2.10 Jenis Penambah Standar[17]

Tabel 2.3 Penentuan Diameter Penambah[17]

Jenis Penambah Diameter Penambah Volume Penambah

Side Riser

(kontak pada cope) D = 5,98.MS V = 1,06.D3

Side Riser

(kontak pada drag) D = 4,91.MS V = 1,16.D3

Top Riser D = 4,53.MS V = 1,04.D3

c. Perhitungan Jangkauan Penambah

Jangkauan penambah menunjukkan seberapa jauh jarak yang masih

mampu dicapai oleh aliran logam cair dalam penambah. Logam akan memadat

dalam bentuk kristal. Kristal-kristal tersebut tumbuh dari bagian yang mengalami

proses pemadatan paling cepat, yaitu bagian yang bersentuhan dengan dinding

cetakan menuju ke arah tengah rongga cetakan yang mengalami proses pemadatan

yang paling lama. Kristal-kristal tersebut pada akhirnya bertemu di tengah-tengah

dan dapat menghambat suplai logam cair dari penambah. Besar jangkauan

penambah merupakan fungsi dari ketebalan penampang rongga cetakan yang

dirumuskan dengan persamaan:

JP = 4,5 . t .......................................................................................... (2.7)

di mana JP merupakan jangkauan penambah dan t merupakan tebal penampang

rongga cetakan.

d. Perhitungan Jumlah Penambah

Untuk menghitung jumlah penambah berdasarkan jangkauan digunakan

persamaan:

PPP DJ

KN

+⋅=

2.................................................................................. (2.8)

di mana:

NP : Jumlah penambah,

DP : Diameter penambah,

K : Panjang coran, yang dihitung menggunakan rumus keliling

lingkaran,

JP : Jangkauan penambah

e. Volume Penambah

Tidak hanya produk coran yang mengalami penyusutan, sistem penambah

juga mengalami penyusutan. Pada waktu terjadi proses pemadatan, permukaan

penambah akan mengalami penurunan sampai kedalaman tertentu, sehingga akan

terbentuk rongga susut. Akibat terbentuknya rongga penyusutan pada sistem

penambah, maka umumnya sistem penambah memiliki efisiensi antara 14%-20%,

sehingga besar volume logam cair yang mampu disediakannya dapat dihitung

dengan persamaan:

sx

VsV C

f −⋅

= .......................................................................................... (2.9)

di mana: Vf merupakan volume penambah,

VC merupakan volume rongga cetakan,

s merupakan besar penyusutan (%),

x merupakan effisiensi penambah (14%-20%).

2.2.7.2 Perancangan Sistem Saluran

Perancangan sistem saluran bertujuan untuk mendapatkan pengisian

rongga cetakan dengan logam cair yang bersih, bebas dari terak dan kotoran;

mendapatkan aliran logam cair yang halus dengan meminimalkan aliran turbulen;

untuk menjamin seluruh rongga cetakan terisi meskipun rongganya sempit dan

memiliki gesekan yang besar.

Sistem saluran pada suatu cetakan terdiri dari cawan tuang (pouring cup),

saluran turun (sprue), saluran sumur (well), saluran pengalir (runner), dan saluran

masuk (gate), seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.11. Cawan tuang memiliki

bentuk seperti cawan atau corong dengan konstruksi yang tidak boleh melewatkan

kotoran yang terbawa oleh logam cair. Saluran turun dibuat lurus dan tegak

dengan penampang berupa lingkaran. Kadang-kadang penampangnya sama dari

atas sampai bawah, atau mengecil dari atas ke bawah. Saluran pengalir biasanya

mempunyai penampang trapesium atau setengah lingkaran sebab penampang

demikian mudah dibuat pada permukaan pisah. Saluran tersebut harus mampu

mengalirkan logam cair menuju saluran masuk dan menjaga agar proses

pemadatannya lambat sehingga logam cair dapat mengisi seluruh rongga cetakan.

Saluran masuk dibuat dengan penampang yang lebih kecil dari pada penampang

pengalir agar dapat mencegah kotoran masuk ke dalam rongga cetakan.

Gambar 2.11 Gambar Sistem Saluran

Untuk merancang sistem saluran, langkah pertama yang dilakukan adalah

menentukan luas penampang pencekikan (choking area). Luas penampang

tersebut dipengaruhi oleh jenis logam tuang, volume rongga cetakan yang harus

diisi, tinggi saluran turun, dan penempatan produk coran dalam cetakan.

Berdasarkan faktor-faktor tersebut, maka dirumuskan tiga persamaan untuk

menghitung luas penampang pencekik (choke), yaitu:

� Untuk produk coran yang diletakkan seluruhnya di bagian drag.

Hgft

VA

r

DC ⋅⋅⋅⋅

=2

...................................................................... (2.10)

� Untuk produk coran yang diletakkan seluruhnya di bagian kup.

[ ]33 )(2

)5,1(

bHHgft

VbA

r

CC

−−⋅⋅⋅

⋅⋅= ............................................. (2.11)

� Untuk produk coran yang diletakkan di bagian kup dan drag.

−−

⋅⋅+

⋅⋅⋅=

33 )(

)5,1(

2

1

bHH

Vb

H

V

gftA CD

r

C .............................. (2.12)

di mana:

AC merupakan luas penampang pencekik,

VD merupakan volume rongga cetakan yang terletak di bagian drag,

t merupakan waktu untuk mengisi cetakan, diperoleh dari grafik

(terlampir),

fr merupakan koefisien gesek, diperoleh dari grafik (terlampir),

g merupakan konstanta gravitasi,

H merupakan tinggi saluran turun,

VC merupakan volume rongga cetakan yang terletak di bagian kup,

b merupakan tinggi produk coran di bagian kup,

Langkah berikutnya, menentukan luas penampang sistem saluran yang

terdiri dari saluran masuk, saluran pengalir, dan saluran turun. Masing-masing

sistem saluran dihitung dengan persamaan:

� Saluran masuk

n

AA C

G = ........................................................................................... (2.13)

� Saluran Pengalir

CR AA ⋅= 3 .......................................................................................... (2.14)

� Saluran Turun

H

hAA CS ⋅= ................................................................................... (2.15)

di mana:

AG merupakan luas penampang saluran masuk,

n merupakan jumlah saluran masuk yang akan digunakan,

AC merupakan luas penampang pencekik,

AR merupakan luas penampang saluran pengalir,

AS merupakan luas penampang saluran turun,

h merupakan tinggi cawan tuang,

H merupakan tinggi saluran turun.

2.3 Pemodelan Pro Engineering

Pro/Engineer merupakan salah satu program CAD/CAM yang dipakai

untuk memodelkan suatu produk. CAD (Computer-Aided Design) merupakan

teknologi yang berkaitan dengan penggunaan komputer untuk membantu proses

pembuatan, modifikasi, analisis, dan optimasi suatu desain. Sedangkan CAM

(Computer-Aided Manufacturing) adalah teknologi yang berkaitan dengan

penggunaan komputer untuk merencanakan, mengatur, dan mengendalikan proses

produksi yang terhubung dengan sumber daya produksi pabrik. Sebagai program

CAD/CAM, Pro/Engineer dapat digunakan untuk melakukan pemodelan solid tiga

dimensi (3D) di komputer. Penggunaan model solid 3D mempunyai volume dan

permukaan. Model solid 3D dapat dengan mudah dianalisis bentuk fisiknya

seperti: volume, massa, luas permukaan, penampang, pusat massa, dan momen

inersia. Selain itu model solid 3D memberikan visualisasi permukaan solid dengan

sangat bagus, dengan tekstur dan pewarnaan, atau dengan representasi wire

frame.. Untuk memodelkan suatu produk menjadi 3D maka perlu dilakukan tahap-

tahap yaitu memodelkan sketsa, part dan assembly.

2.3.1 Pemodelan Sketsa

Beberapa fitur yang menyusun sebuah model solid 3D selalu diawali

dengan pendefinisian sketsa. Pendefinisian sketsa dapat dilakukan di modul sketsa

yang tersedia di Pro/Engineer. Fasilitas-fasilitas yang tersedia di modul sketsa

diantaranya: alat-alat untuk membuat sketsa (sketch tools), alat-alat untuk

melakukan pengeditan sketsa (trim, copy, mirror), alat-alat untuk memberi

constraints antar geometri (constraint-tools), dan alat-alat untuk memberi dimensi

pada sketsa (dimension-tools

2.3.2 Pemodelan Part

Pemodelan part dalam Pro/Engineer adalah pemodelan yang berbasis fitur.

Fitur awal yang akan menjadi referensi bagi fitur berikutnya harus didefinisikan

terlebih dahulu. Fitur ini dapat berupa datum atau protrusion, tidak mungkin

berupa fitur negatif seperti cut atau hole. Sebelum memulai pemodelan part, ada

beberapa set-up model yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan seperti:

material, satuan (unit), dan densitas material (density). Pendefinisian material

akan berguna untuk keperluan analisis elemen hingga (finite element analysis),

sedangkan densitas berguna untuk keperluan analisis massa.

Fitur–fitur yang digunakan untuk melakukan pemodelan part dapat

dikelompokkan menjadi dua yaitu: non-machined feature dan basic-machined

feature. Contoh dari non-machined feature, yaitu: datum dan protrusion. Datum

merupakan tempat rujukan (referensi) bagi atribut-atribut yang dimiliki fitur.

Beberapa jenis datum yang biasa digunakan untuk pemodelan part, yaitu: datum

plane, datum axis, datum curve, datum point, dan sistem koordinat. Sedangkan

protrusion merupakan fitur yang berfungsi untuk menambahkan material pada

suatu model. Teknik untuk melakukan protrusion ada beberapa cara yaitu extrude,

revolve, sweep, dan blend. Extrude adalah cara melakukan protrusion dengan

menarik section searah normal bidang section, sepanjang depth yang ditentukan.

Sehingga untuk melakukan protrusion dengan teknik extrude harus ada dua

kelengkapan yaitu section dan depth (ketebalan). Revolve adalah teknik protrusion

dengan cara menarik section berputar relatif terhadap axis sebesar angle yang

ditentukan. Sweep dilakukan dengan cara menarik suatu section mengikuti

lintasan (trajectory) yang ditentukan. Sedang blend dilakukan dengan

menyambungkan beberapa bentuk section yang memiliki jumlah titik sambung

yang sama, masing-masing titik dihubungkan sesuai nomor urut yang sama.

Fitur yang termasuk ke dalam basic machined diantaranya hole, round,

chamfer, shell, dan draft. Hole merupakan proses pembuatan lubang pada model

dengan posisi menurut sistem koordinat tertentu. Beberapa teknik pendefinisian

hole yng merepresentasikan proses drilling/boring adalah straight, sketch, dan

standard. Straight adalah membuat lubang lingkaran-drill dengan diameter dan

kedalaman tertentu; sketch membuat lubang dengan sketsa yang diputar terhadap

sumbu lubang; sedangkan standard membuat lubang standard tertentu, misal ISO.

Round adalah proses penumpulan sisi-sisi model yang tajam dengan radius

penumpulan tertentu. Chamfer adalah proses penumpulan sisi atau sudut model

yang tajam dengan kemiringan penumpulan tertentu. Shell adalah proses

pembuatan cangkang dari suatu model pejal. Sedang draft adalah kemiringan

suatu permukaan terhadap suatu pemukaan referensi sepanjang sumbu netral.

2.3.3 Pemodelan Assembly

Assembly merupakan proses merangkai suatu komponen (bisa berupa part

atau sub-assembly) ke dalam suatu sistem dengan kondisi batas (constraint) yang

mengikat komponen tersebut pada suatu referensi yang ada. Perintah-perintah

yang ada dalam pemodelan assembly diantaranya: assemble, create, dan advanced

utility. Assemble adalah memanggil suatu komponen dari suatu file yang sudah

ada (bisa file part atau file assembly lain), termasuk didalamnya pendefinisian

constaint. Create adalah pembuatan komponen dalam modul assembly aktif, bisa

berupa part tersendiri, part hasil mirror, atau file subassembly. Sedang advanced

utility merupakan kumpulan perintah manipulasi suatu komponen assembly,

seperti: replace, repeat, copy, dan cut out.

Fitur-fitur yang ada dalam pemodelan assembly sama seperti fitur yang

terdapat pada pemodelan part. Dalam pemodelan assembly digunakan constraint

untuk membatasi gerakan antara part satu dengan lainnya. Constraint yang umum

digunakan yaitu: mate, align, insert, dan sistem koordinat. Mate adalah

memasangkan suatu permukaan agar berhadapan arah dengan permukaan lain.

Align adalah memasangkan suatu permukaan agar sehadap dengan permukaan

lain, atau untuk memasangkan suatu sumbu agar segaris dengan sumbu yang lain.

Insert adalah memasangkan suatu silinder agar satu sumbu dengan silinder yang

lain. Sedang koordinat sistem adalah memasangkan suatu koordinat sistem

berpasangan dengan koordinat sistem yang lain.[16]

2.4 Simulasi Adstefan

Adstefan merupakan software untuk simulasi pengecoran yang

menggunakan prinsip elemen hingga (finite element). Software ini dapat

digunakan untuk melakukan pemodelan perpindahan energi berupa panas (heat

flow), aliran fluida termasuk pengisian cetakan (mould filling), mikrostruktur, dan

porositas dalam proses pengecoran. Beberapa proses pengecoran yang dapat

disimulasikan dengan software ini antara lain: pengecoran tekanan tinggi (die

casting), pengecoran sentrifugal, dan pengecoran cetakan pasir. Selain itu ada

beberapa alat bantu dalam proses simulasi casting selain adstefan seperti solidCast

dan proCast.

Software Adstefan terdiri dari beberapa modul yang masing-masing

memiliki fungsi yang berbeda-beda pada gambar 2.12. Modul-modul tersebut

adalah:

Gambar 2.12 Diagram Alir Simulasi Adstefan[10]

2.4.1 Pre Processor

Modul pre-processor yang digunakan untuk mempersiapkan komponen

menuju proses analisis. Di dalam modul ini terdapat database material yang

digunakan untuk mendefinisikan material penyusun komponen yang akan

dianalisis. Modul ini juga memberikan fasilitas kepada pengguna untuk

mendefinisikan material sesuai dengan kebutuhan. Di modul ini juga terdiri em

mesh yaitu modul yang digunakan untuk membagi komponen yang ingin

dianalisis menjadi elemen kecil atau lebih dikenal sebagai mesh generator.

OUTPUT

2.4.2 Solver

Modul penyelesai atau solver, yang digunakan untuk melakukan analisis

penyelesaian.

2.4.3 Post Processor

Modul post-processor, yang digunakan untuk melihat atau mereview hasil

analisis.

2.4.4 Cacat pada Coran

Cacat misrun disebabkan oleh logam cair yang mengalami proses

pemadatan awal sebelum mengisi seluruh rongga cetakan sehingga pada produk

coran terjadi rongga. Cacat seperti ini dapat disebabkan oleh fluiditas logam cair

yang kurang bagus, temperatur tuang yang terlalu rendah, waktu tuang yang

terlalu lama, atau penampang rongga cetakan yang terlalu tipis.

Cold-shut merupakan cacat rongga pada produk coran akibat tidak

bercampurnya (tidak terjadi fusion) dua bagian logam cair. Penyebab cacat cold-

shut antara lain: fluiditas logam cair kurang bagus, temperatur tuang terlalu

rendah atau waktu tuang terlalu lama. Cacat cold-shots diakibatkan adanya

partikel padat (inklusi) yang terjebak dalam produk coran. Cacat seperti ini dapat

dihindari dengan melakukan proses penuangan sesuai prosedur atau dengan

mendesain sistem saluran yang tepat.

Shrinkage cavity merupakan cacat pada produk coran akibat terbentuknya

rongga internal. Rongga internal tersebut muncul karena tidak cukupnya suplai

logam cair untuk mengisi rongga penyusutan ketika proses pemadatan dan

pendinginan berlangsung. Cacat seperti ini dapat dihindari dengan merencanakan

sistem penambah yang tepat. Microporosity merupakan cacat coran yang berupa

rongga-rongga kecil di dalam struktur dendrit logam paduan. Salah satu cara

untuk menghindarinya yaitu dengan memperpendek daerah pembekuan. Hot-tears

merupakan cacat akibat retaknya produk coran. Cacat ini dapat dihindari dengan

mengeluarkan produk coran dari cetakan sesegera mungkin setelah proses

pemadatan.

Gambar 2.13 Cacat-Cacat Pada Produk Coran (a) Cacat Misrun, (b) Cold Shuts

(c) Cold Shots (d) Shrinkage porosity (e) Microporosity (f) Hot Tears