penuangan logam

DIONISIUS Y.MECHANICAL ENGINEERING STUDENTYK STATE UNIVERSITY

TERIMA KASIH KEPADA SELURUH PENULIS SUMBER REFERENSI

Yk, 2013

Dionisius Y.©Yk 2013

1

PENUANGAN LOGAM

A. Proses Pengecoran

Proses pengecoran merupakan proses manufaktur dengan memanaskan

logam hingga mencapai titik cair dan menuangkan cairan logam tersebut ke

dalam cetakan sehingga berbentuk seperti rongga cetakan. Pengecoran terdiri

dari dua jenis, antara lain ingot casting dan shape casting. Ingot casting

merupakan pengecoran dengan bentuk sederhana, di mana hasilnya

digunakan sebagai bahan baku untuk proses pengerjaan lebih lanjut seperti

rolling atau forging. Sedangkan shape casting sendiri merupakan pengecoran

dengan bentuk geometri yang lebih kompleks dan mendekati bentuk akhir

produk yang diharapkan.

Dasar dari proses pengecoran yaitu, penuangan cairan logam ke dalam

cetakan, membiarkan cairan logam untuk membeku, dan mengeluarkan hasil

pengecoran dari cetakan. Hal-hal yang diperlukan dalam pengecoran antara

lain:

1. Menyiapkan pola.

2. Membuat cetakan.

3. Mencairkan logam di dapur peleburan.

4. Menuangkan cairan logam ke dalam rongga cetakan.

5. Menunggu proses pendinginan dan pembekuan.

6. Membongkar cetakan untuk memperoleh produk

pengecoran.

7. Membersihkan kotoran pada produk pengecoran.

8. Menguji produk pengecoran.

Hasil proses pengecoran berupa net shape (bentuk akhir) dan near net

shape (mendekati bentuk akhir). Net shape adalah produk yang ukuran dan

geometri benda tersebut sesuai dengan keinginan, sehingga tidak memerlukan

proses manufaktur lagi. Sedangkan near net shape memiliki ukuran maupun


2

geometri hampir sesuai keinginan, sehingga dibutuhkan proses lebih lanjut

untuk memperoleh detail dan ukuran yang diinginkan.

Proses pengerjaan lanjutan pada near net shape adalah permesinan atau

machining/cutting. Proses permesinan meliputi bubut, frais, dan bor. Hasil

akhir permukaan dan ukuran produk dari proses permesinan juga lebih baik

daripada proses pengecoran.

B. Peralatan dan Bahan Penuangan Logam

1. Peralatan Penuangan

a. Dapur induksi.

Dapur induksi merupakan alat yang digunakan untuk melebur

logam. Proses peleburan dengan dapur induksi memiliki hasil

kemurnian dan kualitas yang tinggi. Dapur induksi menggunakan arus

bolak-balik/alternating current (AC) yang lewat melalui kumparan

tembaga sehingga menghasilkan medan magnet. Arus induksi tersebut

memanaskan dan mencairkan logam secara cepat. Selain itu gaya

medan magnet menyebabkan sebuah aksi pencampuran yang terjadi

Penutup

Kumparan tembaga

Material tahan api

Cairan logam

Gambar 1. Dapur Induksi

Sumber: Mikell P. Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. 4th ed., John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, 2010, p. 247


3

pada cairan logam. Kapasitas dari dapur induksi yang digunakan

sebesar satu ton. Keunggulan dalam penggunaan dapur listrik yaitu:

Kemurnian bahan tuangan sesuai dengan komposisi yang

diharapkan.

Pengendalian suhu peleburan lebih mudah dikontrol.

Mampu memperbaiki mutu logam yang berawal dari bahan

bermutu rendah.

Mempermudah proses peleburan.

Dapat mengurangi jumlah pekerja.

Lapisan tahan api yang digunakan untuk melapisi dapur induksi

merupakan bahan yang memiliki sifat-sifat antara lain:

Kemampuan tahan api yang tinggi.

Isolator listrik yang baik.

Memiliki kestabilan kimia terhadap logam cair dan terak.

Mampu dibentuk dan dipadatkan.

Tahan aus.

b. Thermocouple.

Thermocouple merupakan alat yang digunakan untuk mengukur

suhu cairan logam. Alat ini dihubungkan dengan komputer dan printer

sehingga hasil pengukuran dapat langsung dibaca oleh operator dapur

induksi pada saat proses peleburan. Apabila spesifikasi cairan logam

yang diinginkan telah terpenuhi, alat ini dapat memberikan sinyal

yang akan tercantum pada monitor serta alarm akan berbunyi.

c. Ladle.

Ladle merupakan wadah yang digunakan untuk memindahkan

dan menuangkan cairan logam dari dapur peleburan menuju cetakan

atau ladle lain. Ladle berbahan baja yang permukaan bagian dalamnya

dilapisi dengan material tahan panas. Lapisan material tahan panas


4

yang dipakai adalah tanah liat. Ada tiga macam ladle yang digunakan,

antara lain:

Crane ladle.

Crane ladle merupakan ladle yang perpindahannya

menggunakan crane. Crane ladle dikaitkan dengan pengait (hook)

pada crane, kemudian gerakannya dikontrol oleh operator. Bagian

crane ladle yaitu, roda handle pemutar, gear box, transmisi, lubang

kait, dan saluran penyalur (cerat).

Kapasitas volume dari crane ladle sekitar 400-500 liter.

Crane ladle digunakan untuk menuang cairan logam ke cetakan

berukuran besar. Selain itu crane ladle juga berfungsi sebagai

perantara dapur induksi dengan ladle lain yang berkapasitas lebih

kecil.

Ladle satu orang.

Ladle satu orang adalah ladle dengan satu buah handle yang

diangkat secara manual oleh seorang operator. Kapasitas dari ladle

jenis ini sangat kecil yaitu sekitar 4-5 liter. Oleh karena itu, ladle

satu orang berfungsi untuk menuang cetakan yang kecil.

Ladle dua orang.

Ladle dua orang adalah ladle dengan dua buah handle yang

diangkat secara manual oleh dua operator. Ladle ini berkapasitas 10

liter. Fungsi ladle dua orang untuk menuang cetakan yang cukup

besar.

2. Bahan

a. Pig iron.

Pig iron merupakan bahan baku utama pembuatan besi dan

baja. Pig iron dihasilkan dari proses peleburan bijih besi dengan

kokas sebagai bahan bakar dan batu kapur sebagai flux. Proses


5

peleburan bijih besi, kokas, dan batu kapur menggunakan blast

furnace.

b. Flux.

Flux merupakan bahan yang digunakan untuk mengikat

kontaminasi atau kotoran pada cairan logam sehingga membentuk

slag. Flux berbahan dasar limestone atau batu kapur yang dapat

bereaksi terhadap kotoran.


6

C. Kegiatan Pengecoran Logam

Industri pengecoran logam meliputi berbagai macam kegiatan. Tentu

saja kegiatan yang dilakukan ini saling berhubungan, sehingga didapat hasil

maupun produk yang berkualitas.

Pembuatan Inti(jika dibutuhkan)

Pembuatan Pola

Pembuatan Cetakan

Peleburan

Penuangan

Bahan Baku

Solidification&

Cooling

Pembongkaran Cetakan

Pembersihan&

PemeriksaanPengujian

Pengecatan

Pengerjaan Lanjut

Gambar 2. Struktur Kegiatan Pengecoran Logam


7

Berikut uraian singkat tentang kegiatan industri pengecoran logam yang

dilakukan antara lain:

1. Menyiapkan bahan baku.

Pemilihan bahan baku harus dilakukan dengan

mempertimbangkan aspek teknis, sehingga memenuhi syarat sebagai

bahan baku untuk memperoleh hasil produk yang maksimal. Bahan

baku yang disiapkan antara lain untuk pembuatan cetakan pasir,

pembuatan pola, pembuatan inti, dan logam yang akan dilebur.

2. Pembuatan pola.

Pola merupakan model yang dibuat sesuai dengan bentuk produk

yang diinginkan. Pola sebaiknya dibuat dengan pertimbangan tertentu,

misal tipe pola harus disesuaikan dengan geometri dari produk yang

akan dibuat. Selain itu ukuran pola juga diperbesar untuk mengatasi

penyusutan maupun jika perlu dilakukan proses permesinan. Pola yang

dibuat dapat digunakan terus (berulang-ulang) dan bahan yang dipakai

berupa kayu, plastik, maupun logam.

3. Pembuatan inti.

Inti (core) merupakan bagian yang dimasukkan ke cetakan

apabila produk yang akan dibuat memiliki lubang atau rongga. Selain

itu inti juga dapat digunakan untuk membuat kantong pada bagian luar

coran. Inti dibuat dari pasir yang dibentuk dan diikat menggunakan

bahan perekat.

4. Pembuatan cetakan.

Jenis cetakan yang digunakan adalah cetakan sekali pakai

(expendable mold). Bahan yang digunakan sebagian besar merupakan

pasir. Namun, pasir yang dipakai harus memiliki syarat-syarat tertentu

supaya dapat dibuat atau dibentuk menjadi cetakan. Proses pembuatan

cetakan pasir dilakukan menggunakan tangan (handmade).


8

5. Peleburan logam.

Peleburan dilakukan setelah cetakan siap untuk dituang. Proses

peleburan dilakukan dengan dapur induksi. Bahan utama yang

digunakan adalah pig iron dan scrap. Selain bahan tersebut, ada bahan

tambahan yang dimasukkan yaitu flux.

6. Penuangan.

Proses penuangan dilakukan apabila logam yang dilebur telah

memiliki komposisi yang pas dan mencapai suhu yang diinginkan.

Proses penuangan dengan menggunakan alat yang dikenal dengan

istilah ladle.

7. Solidification dan cooling.

Proses ini merupakan tahap di mana cairan logam mencapai fase

cair + padat (liquid + solid) hingga padat (solid). Setelah padat, logam

dibiarkan dingin hingga mencapai suhu ruangan. Pada tahap ini logam

akan mengalami penyusutan.

8. Pembongkaran cetakan.

Proses pembongkaran dilakukan setelah logam telah padat dan

dingin. Pada coran yang besar pembongkaran dapat menggunakan

crane.

9. Pembersihan dan pemeriksaan.

Hasil coran yang telah diangkat dari cetakan kemudian

dibersihkan dari pasir yang masih menempel. Proses pembersihan

selanjutnya berupa pemotongan bagian gating system, seperti pouring

cup, sprue, runner, dan riser. Sisa hasil pengecoran tersebut dapat

digunakan sebagai bahan baku peleburan. Setelah dibersihkan, coran

diperiksa apakah terdapat cacat (defect) atau tidak.


9

10. Pengujian hasil pengecoran.

Pengujian merupakan proses pekerjaan untuk mengetahui sifat

mekanis dan kualitas hasil pengecoran. Pengujian yang dilakukan

bersifat merusak (destructive), seperti uji tarik maupun uji tekan. Oleh

karena itu, ada beberapa pemesan menambah jumlah produk pesanan

sehingga dapat digunakan sebagai sampel pengujian.

11. Pengerjaan lanjut.

Proses ini dilakukan apabila bentuk dan ukuran yang diinginkan

belum sesuai atau ada pengerjaan khusus pada coran. Proses pengerjaan

ini antara lain, menggerinda, membubut, mengefrais, dan mengebor.

Selain itu, untuk produk pengecoran tertentu juga dilakukan proses

perakitan. Sebagai contoh pemasangan pintu drainase dengan bingkai

pintu (frame).

12. Pengecatan.

Pengecatan merupakan proses pengerjaan yang dilakukan guna

meningkatkan penampilan produk pengecoran. Hal ini supaya produk

tersebut terlihat lebih menarik dan memiliki nilai tambah tersendiri.

D. Proses Penuangan Logam Cair

Proses penuangan merupakan bagian di mana rongga cetakan diisi

dengan cairan logam yang telah dilebur. Proses ini memiliki syarat yang

harus dipenuhi. Syarat-syarat ini ditinjau dari sifat dan jenis logam cair itu

sendiri, proses pemindahan atau pengangkutan cairan logam menuju cetakan,

maupun dari cetakan yang dibuat. Selain itu proses penuangan juga memiliki

parameter yang harus dicermati. Eksekusi, cara atau teknik menuang juga

harus dilakukan dengan tepat. Apabila ketentuan tersebut diabaikan, dapat

mengakibatkan kegagalan dalam pengecoran, hasil pengecoran mengalami

cacat (defect), kecelakaan kerja, serta merugikan dalam aspek ekonomi

maupun energi.


10

Setelah proses penuangan, cairan logam mengalami mekanisme

solidification (pemadatan). Dalam proses solidification terdapat hal penting,

yaitu mengenai lamanya waktu supaya logam membeku, arah pemadatan dan

proses penyusutan (shrinkage). Selama proses solidification, struktur butir

dan serat (grain structure) pada logam yang mulai padat terbentuk. Karakter

dari grain structure tersebut dipengaruhi oleh komposisi logam itu sendiri.

Oleh karena itu, agar memperoleh hasil coran yang maksimal, pekerja atau

foundrymen harus memahami dan menerapkan faktor-faktor teknis penuangan

logam.

E. Dasar Teori Penuangan

1. Penuangan Logam Cair

Proses penuangan dilakukan setelah proses peleburan. Peleburan

dilakukan menggunakan dapur induksi. Panas yang dihasilkan digunakan

untuk meningkatkan suhu logam hingga mencapai titik lebur, sehingga

mampu mengubah logam padat ke logam cair. Selain itu panas juga

digunakan untuk meningkatkan temperatur cairan logam hingga mencapai

suhu penuangan yang diharapkan.

Cairan logam kemudian dituang melalui pouring cup lalu mengalir

melewati gating system dan memenuhi seluruh rongga cetakan. Proses

penuangan berhasil dengan catatan bahwa cairan logam harus mengalir ke

dalam seluruh bagian rongga cetakan sebelum membeku. Faktor yang

memengaruhi penuangan antara lain, suhu penuangan, kecepatan

penuangan, dan karakter aliran.

a. Suhu penuangan.

Suhu penuangan merupakan suhu di mana cairan logam siap

dituang ke dalam cetakan. Hal ini sangat penting untuk mengetahui

perbedaan antara suhu penuangan dan suhu pembekuan. Sehingga

diketahui berapa besar panas yang berkurang ketika penuangan

hingga mulai pembekuan.


11

b. Kecepatan penuangan.

Kecepatan penuangan berarti kecepatan volume cairan logam

ketika proses penuangan. Apabila kecepatan terlalu rendah, cairan

logam dapat membeku sebelum mencapai seluruh rongga cetakan.

Sebaliknya, jika kecepatan terlalu tinggi dapat terjadi masalah pada

sifat aliran logam cair.

c. Karakter aliran.

Aliran fluida memiliki dua karakter yaitu aliran turbulensi

dan aliran laminar. Turbulensi merupakan sifat aliran fluida yang

tak menentu pada besar dan arah kecepatan di seluruh fluida.

Aliran turbulensi bersifat tidak tenang dan tidak teratur daripada

aliran laminar yang lebih tenang dan lancar. Pada proses penuangan

aliran turbulensi sebaiknya dihindari. Aliran turbulensi cenderung

meningkatkan pembentukan logam oksida yang bisa terjebak pada

saat pembekuan, sehingga mengurangi kualitas hasil pengecoran.

Turbulensi juga dapat menyebabkan dinding cetakan terkikis.

Kikisan tersebut berdampak pada aliran logam cair. Erosi yang

terjadi akan memengaruhi geometri hasil pengecoran.

2. Fluiditas Cairan Logam

Fluiditas (fluidity) merupakan kemampuan cairan logam untuk

mengalir ke dalam dan mengisi rongga cetakan sebelum logam tersebut

membeku. Seberapa mampu cairan logam untuk mengalir dan memenuhi

rongga cetakan perlu diketahui. Tingkat fluiditas cairan logam dapat

diketahui melalui pengujian fluiditas logam. Sifat dan tingkat mampu alir

ini merupakan hal penting yang harus diperhatikan. Ada dua faktor dasar

yang terdapat pada fluiditas. Faktor tersebut antara lain, karakter cairan

logam dan parameter pengecoran logam.


12

a. Karakter cairan logam yang memengaruhi fluiditas.

Komposisi logam.

Komposisi logam memengaruhi fluiditas, khususnya mengenai

mekanisme pengerasan logam. Fluiditas terbaik diperoleh dari logam-

logam yang membeku pada suhu konstanta. Ketika pengerasan terjadi

di atas batas suhu pembekuan, maka bagian yang telah beku akan

mengganggu aliran pada bagian yang masih cair. Hal ini tentu

mengurangi fluiditas. Selain memengaruhi mekanisme pembekuan

logam, komposisi logam juga menentukan jumlah panas yang

dibutuhkan untuk memadatkan dan memadukan logam dari bentuk cair.

Panas ini dapat disebut dengan istilah heat of fusion.

Viskositas logam.

Viskositas atau kekentalan merupakan lawan dari fluiditas.

Semakin kental cairan maka fluiditas cairan tersebut semakin rendah.

Viskositas juga memiliki kepekaan terhadap suhu.

Tegangan permukaan.

Tegangan permukaan yang tinggi pada logam cair dapat

mengurangi fluiditas. Hal ini karena, lapisan oksida pada permukaan

logam cair memiliki pengaruh buruk terhadap fluiditas.

Tingkat inclusion.

Inclusion merupakan kotoran maupun pasir yang terbawa oleh

cairan logam. Inclusion memiliki dampak yang merugikan terhadap

fluiditas. Apabila cairan mengandung pasir atau kotoran, maka cairan

tersebut memiliki viskositas lebih tinggi sehingga fluiditasnya menjadi

lebih rendah.


13

Pola pemadatan.

Cara bagaimana pemadatan juga memengaruhi fluiditas. Selain

itu, fluiditas juga berbanding terbalik dengan perbedaan suhu

pembekuan. Semakin pendek perbedaan suhu pembekuan maka

semakin tinggi fluiditas cairan logam. Sebaliknya jika semakin panjang

perbedaan suhu pembekuan maka fluiditas cairan logam semakin

rendah.

b. Parameter pengecoran logam yang memengaruhi fluiditas.

Desain cetakan.

Desain dan ukuran dari gating system (sprue, runner, dan riser)

akan memengaruhi fluiditas.

Bahan dan karakter permukaan cetakan.

Cetakan yang konduktivitas termal tinggi dan permukaan kasar

memiliki fluiditas yang semakin rendah. Meskipun pemanasan pada

cetakan dapat meningkatkan fluiditas, namun hanya akan

memperlambat pendinginan. Dengan demikian, pengecoran yang

dilakukan akan menghasilkan butir-butir kasar dan tingkat kekuatan

yang rendah.

Tingkat superheat.

Superheat merupakan peningkatan suhu logam di atas titik cair.

Suhu penuangan logam yang lebih tinggi daripada suhu pada titik cair

logam akan meningkatkan waktu logam untuk tetap dalam keadaan

cair, sehingga memungkinkan logam untuk mengalir lebih lanjut

sebelum pembekuan. Namun, hal ini cenderung memperburuk masalah

pengecoran seperti pembentukan oksida, porositas gas, dan peresapan

cairan logam ke dalam pori-pori antara butir-butir pasir. Akibatnya

permukaan coran mengandung partikel pasir, sehingga membuat

permukaan coran lebih kasar.


14

Kecepatan penuangan.

Kecepatan penuangan yang semakin rendah akan mengurangi

tingkat fluiditas. Hal ini karena penuangan yang lambat akan

mempercepat pendinginan. Apabila penuangan terlalu cepat juga akan

menimbulkan turbulensi.

Perpindahan panas.

Perpindahan panas pada siklus penuangan, pembekuan, dan

pendinginan merupakan pertimbangan penting dalam pengecoran

logam. Aliran panas di lokasi berbeda merupakan gejala kompleks dan

tergantung pada beberapa faktor yang menghubungkan material coran,

cetakan, dan parameter pengecoran. Contoh pengecoran pada bagian

yang tipis, kecepatan aliran logam harus tinggi untuk menghindari

pembekuan prematur. Namun aliran logam yang terlalu cepat

menyebabkan turbulensi yang berlebih. Turbulensi dapat merusak

proses pengecoran.

3. Standar Pengujian Fluiditas Cairan Logam

Fluiditas suatu cairan logam dapat diketahui dengan membuat

cetakan berbentuk spiral atau lilitan, lalu menuangkan cairan logam yang

ingin diuji ke dalam cetakan tersebut. Prinsip dari metode tes fluiditas

spiral adalah membiarkan cairan logam agar mengalir di sepanjang saluran

spiral pada suhu ruangan. Acuan tingkat fluiditas cairan logam yang

dituang ke cetakan berbentuk spiral tersebut merupakan jarak yang dapat

ditempuh cairan logam sebelum membeku dan berhenti mengalir. Semakin

panjang lintasan yang dapat diisi oleh cairan logam, maka tingkat fluiditas

logam cair tersebut semakin tinggi. Panjang dari aliran logam yang

mengisi cetakan spiral tersebut dikenal dengan istilah indeks fluiditas

(fluidity index).


15

Hasil dari pengujian fluiditas dapat diterapkan ke proses pengecoran.

Data hasil pengujian tersebut bermanfaat sebagai acuan dan pertimbangan,

antara lain:

1. Menentukan komposisi logam.

2. Menentukan bahan cetakan.

3. Merancang cetakan dan gating system.

4. Menentukan suhu penuangan.

5. Menentukan kecepatan penuangan.

4. Solidification dan Pendinginan Logam

Solidification (pembekuan) merupakan proses perubahan bentuk cair

logam kembali ke bentuk padat. Proses solidification memiliki perbedaan

antara jenis logam murni (pure metal) dan logam paduan (alloy). Logam

murni memiliki suhu pembekuan yang konstan. Sedangkan suhu

pembekuan logam paduan tidak konstan atau berupa taksiran. Taksiran

suhu pembekuan logam paduan ini tergantung pada sistem paduan dan

komposisi paduan. Hal ini karena masing-masing unsur logam memiliki

sifat yang berbeda.

Pouring cup

Sprue

Batas aliran sebelum beku

Cetakan spiral

Gambar 10. Pengujian Fluiditas dengan Cetakan Spiral

Sumber: Mikell P. Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials,Processes, and Systems. 4th ed., John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, 2010, p. 213


16

Tahap yang dilalui dari suhu penuangan hingga mencapai suhu ruang

yaitu, pendinginan cairan logam atau liquid cooling (liquid), pembekuan

atau freezing (liquid + solid), dan pendinginan logam padat atau solid

cooling (solid). Pembekuan dan pendinginan logam disebabkan oleh aksi

pendinginan dinding cetakan, sehingga cairan logam membentuk cangkang

padat. Laju pembekuan dan pendinginan logam ini berawal dari luar logam

menuju tengah logam. Oleh karena itu, semakin tebal suatu coran maka

semakin lama coran tersebut padat dan dingin. Selain itu kecepatan

pendinginan suatu coran juga dipengaruhi oleh sifat termal dari logam

coran tersebut untuk memindahkan panas ke cetakan.

Gambar 11. Struktur Logam Tuang Murni

Sumber: Mikell P. Groover, Ibid, 2010, p. 214


17

Pada proses solidification juga terjadi pembentukan struktur butir

maupun serat (grain structure). Gambar 11 dan 12 menunjukkan grain

structure dari logam murni dan logam paduan. Struktur dari logam hasil

penuangan memiliki kulit atau cangkang yang terbentuk karena

pendinginan cepat. Hal ini karena dinding cetakan berada pada suhu ruang

atau lebih dingin daripada suhu logam cair. Pendinginan cepat pada kulit

coran ini menghasilkan struktur yang halus dan terlihat acak. Proses

pendinginan berlanjut dan membentuk serat (grain) yang berkembang

menuju bagian tengah dari coran. Arah pembentukan serat ini berlawanan

dengan arah perpindahan panas. Arah perpindahan panas (heat transfer)

dari dalam menuju ke luar atau cetakan, sedangkan arah pembentukan

serat dari sisi paling tepi coran menuju ke dalam coran.

Pembentukan grain ke dalam terlihat seperti duri atau tulang dari

logam padat. Struktur yang terdapat pada logam murni (gambar 11)

membentuk cabang pada tengah-tengah logam dan disebut columnar

grains. Sedangkan grain structure pada logam paduan (gambar 12)

terbentuk secara terpisah. Hal ini terjadi karena komposisi logam paduan

yang tidak seimbang. Komposisi yang tidak seimbang tersebut dinyatakan

dalam hasil akhir pengecoran berupa pemisahan (segregation) elemen.

Pemisahan yang terjadi pada logam paduan dapat disebut sebagai ingot

segregation.

Gambar 12. Struktur Logam Tuang Paduan

Sumber: Mikell P. Groover, Ibid, 2010, p. 216


18

5. Penyusutan Logam

Sifat logam yang panas akan mengalami pemuaian. Ketika logam

panas mengalami proses pendinginan menuju suhu ruang, logam tersebut

akan mengalami penyusutan (shrinkage). Penyusutan logam menyebabkan

ukuran coran berubah, terjadi retakan, maupun terjadi perubahan bentuk.

Pada saat logam menuju suhu ruang (pendinginan), logam cair mengalami

tiga penyusutan berbeda:

1. Penyusutan volume saat logam mendingin dari massa cair

menuju suhu pemadatan (freezing temperature).

2. Penyusutan volume logam saat terjadi perubahan fase cair

menjadi padat. Penyusutan ini disebut solidification shrinkage.

Pada penyusutan tahap dua ini, cetakan harus ditambah dengan

cairan logam untuk mengisi susut. Ini merupakan fungsi dari

penggunaan riser.

3. Penyusutan volume dari keadaan padat menuju suhu ruang.

Penyusutan tahap tiga ini dapat diantisipasi dengan aturan

penyusutan ketika pola cetakan dirancang.

Jumlah penyusutan paling besar terjadi selama pendinginan coran

menuju suhu ruang. Besar penyusutan tergantung pada jenis logam yang

digunakan. Untuk mengurangi kerusakan coran akibat penyusutan, harus

dicermati bagaimana arah pembekuan terjadi. Selain itu aspek yang

memengaruhi proses pembekuan, seperti tingkat ketebalan dari benda

kerja, penggunaan komponen pendingin, dan sistem saluran yang

dirancang harus diperhatikan.

6. Sistem Saluran pada Cetakan Pasir

Cetakan pasir harus memiliki sistem saluran (gating system). Gating

system pada cetakan pasir adalah saluran atau jaringan untuk mengarahkan

cairan logam yang dituang agar mengalir dan mengisi seluruh rongga

cetakan. Gating system dibuat agar mampu mengantar cairan logam


19

dengan hati-hati. Gating system juga harus didesain untuk menahan

kotoran maupun terak selama penuangan.

Tujuan gating system adalah membuat cetakan terisi penuh secepat

mungkin dengan tingkat turbulensi minimal dan menyediakan sedikit

logam panas untuk mengisi (feed) coran selama pemadatan untuk

mencegah cacat penyusutan. Fungsi dari gating system pada cetakan pasir

antara lain:

Sebagai perangkap kotoran pada cairan logam.

Mencegah kerusakan pada rongga cetakan utama pada saat

penuangan.

Mencegah terjadinya pendinginan cepat.

Mencegah supaya tidak ada gas yang terjebak di dalam

rongga cetakan.

Mencegah terjadinya turbulensi cairan logam.

7. Bagian dan Ketentuan dalam Merancang Sistem Saluran

Gambar 13. Bagian dan Sistem Saluran Cetakan Pasir

Sumber: S. Kalpakjian, S.R. Schmid, dan H. Musa, Manufacturing Engineering and Technology. 6th ed. in SI units., Prentice Hall, Singapore, 2009, p. 263


20

Pouring basin (pouring cup).

Pouring basin (pouring cup) terletak di atas downsprue/sprue pada

cope cetakan. Pouring basin didesain berbentuk seperti cawan dan

digunakan sebagai lubang penuangan. Fungsi daripada pouring basin

adalah mengurangi percikan dan turbulensi cairan logam, serta

memastikan logam cair yang masuk ke sprue tidak terputus pada saat

penuangan. Selama penuangan logam cair dilakukan secara teratur pada

pouring basin, dross (campuran antara oksida dan logam) akan

mengapung dan tidak akan masuk ke rongga cetakan. Diameter pouring

basin/cup sebaiknya tiga kali ukuran diameter sprue.

Sprue.

Downsprue atau sprue adalah saluran masuk vertikal yang berbentuk

tirus di mana cairan logam akan turun mengalirinya. Bentuk tirus dari

sprue didesain agar cairan logam selalu mengalir melewati dinding sprue

(choked), sehingga tidak ada celah bagi udara untuk ikut masuk dan

terjebak ke dalam rongga cetakan maupun cairan logam. Tujuan

merancang sprue supaya aliran logam cair mencapai kecepatan yang

diperlukan. Selain itu dapat mencegah pembentukan dross yang berlebih.

Sprue juga dapat berfungsi sebagai riser untuk pengecoran-pengecoran

kecil. Aliran cepat yang menyebabkan turbulensi harus dihindari, namun

pengisian cetakan yang lebih cepat dari waktu pembekuan juga

dibutuhkan. Diameter sprue sebaiknya jangan terlalu besar.

Runner.

Runner merupakan saluran horizontal yang membawa cairan dari

downsprue menuju gate dan rongga cetakan. Runner menghubungkan

downsprue dengan gate. Posisi yang paling efektif adalah meletakkan

runner pada bagian cope cetakan. Pengecoran pada part sederhana dapat

menggunakan satu runner saja. Namun, pengecoran pada part yang

kompleks dapat menggunakan sistem runner ganda. Runner juga berfungsi

sebagai penahan dross atau campuran oksida dan logam yang terbentuk


21

pada permukaan logam, sehingga mencegah dross masuk ke rongga

cetakan.

Riser.

Riser atau feeder menurut letak penempatannya terdiri dari dua jenis,

yaitu open riser dan blind riser. Open riser terletak dipermukaan cetakan.

Riser jenis ini memiliki dua fungsi. Pertama sebagai tempat penyimpanan

(reservoir) cairan logam untuk menyuplai cairan logam tambahan pada

saat terjadi penyusutan (shrinkage) selama proses pembekuan

(solidification). Kedua sebagai indikator apabila rongga cetakan penuh.

Sedangkan jenis riser yang berada di dalam cetakan atau dikenal sebagai

blind riser hanya berfungsi sebagai reservoir saja. Riser sebagai reservoir

dapat mencegah terjadinya porosity pada hasil pengecoran. Namun, blind

riser merupakan fitur desain yang lebih baik dan mampu menjaga panas

lebih lama daripada open riser.

Aturan dasar perancangan riser :

1. Riser harus tidak membeku sebelum coran utama. Aturan ini

biasanya terpenuhi dengan menghindari penggunaan riser

berukuran kecil dan memakai riser silinder dengan rasio yang

kecil antara tinggi terhadap penampang. Riser bola merupakan

bentuk riser yang paling efektif, namun riser bola sulit untuk

dikerjakan.

2. Volume riser harus cukup besar untuk menyediakan sejumlah

logam cair yang cukup guna mengganti penyusutan pada coran.

3. Pertemuan antara coran dan riser sebaiknya tidak menghasilkan

lokasi yang panas di mana penyusutan porosity dapat terjadi.

4. Riser harus ditempatkan sedemikian rupa sehingga cairan logam

dapat disalurkan menuju lokasi di mana paling diperlukan.

5. Posisi riser harus cukup tekanan untuk menggerakkan cairan

logam ke dalam lokasi cetakan di mana itu diperlukan.


22

Pemakaian riser berguna untuk logam yang memiliki berat jenis

tinggi seperti baja dan besi tuang.

6. Tekanan dari riser dapat menekan pembentukan rongga dan

mendorong rongga terisi sempurna.

7. Logam yang mengisi riser harus panas untuk mengoptimalkan

logam pengisi berdasarkan pembekuan terarah.

Gate.

Gate merupakan bagian yang menghubungkan runner dan rongga

cetakan. Berikut adalah pertimbangan dalam merancang gate:

1. Multipel gate lebih baik digunakan untuk coran berukuran besar.

Multipel gate memiliki keunggulan untuk memperbolehkan

penuangan pada suhu yang lebih rendah. Selain itu, multipel gate juga

mengurangi gradien penurunan suhu pengecoran. Hal ini karena

jumlah gate yang banyak dapat mempercepat pengisian rongga

cetakan serta mencegah cold shot dan misrun.

2. Gate sebaiknya diletakkan pada bagian yang tebal cari coran.

3. Gate paling efektif berada pada drag cetakan, dan diletakkan

menyudut berlawanan arah dengan aliran logam pada runner.

4. Pertemuan antara gate dan rongga cetakan sebaiknya dibuat fillet.

Penggunaan fillet dapat mengurangi turbulensi.

5. Panjang minimal gate sebaiknya 3-5 kali diameter gate.

6. Penampang gate sebaiknya cukup besar untuk bisa mengisi rongga

cetakan, namun juga lebih kecil daripada penampang runner.

7. Gate yang melengkung sebaiknya dihindari. Namun bila gate

melengkung diperlukan, buatlah dan letakkan sedikit bagian gate yang

lurus dekat dengan rongga cetakan.

8. Hindari desain gate yang akan memercikkan logam ke dalam rongga

cetakan.

9. Jika memungkinkan gate dapat diletakkan melewati riser.


23

10. Bersihkan gate, beri perlakuan yang sama seperti pada rongga

cetakan.

Garis pemisah (parting line).

Garis pemisah atau parting line merupakan garis atau bidang yang

memisahkan cope dan drag. Garis pemisah ini sebaiknya berupa bidang

datar daripada berupa kontur tertentu. Apabila memungkinkan garis

pemisah sebaiknya berada di ujung coran daripada di bidang datar pada

tengah coran. Hal ini agar logam cair tidak menekan keluar melalui garis

pemisah serta tidak terlihat pada garis pemisah. Penentuan garis pemisah

sangat penting karena dapat memengaruhi desain cetakan, kemudahan

mencetak, jumlah dan bentuk inti (core) yang dibutuhkan, dan gating

system. Pola dengan bagian permukaan yang kritis atau kompleks

sebaiknya diletakkan terbalik atau di bagian bawah, hal ini karena

kemungkinan besar terjadi porosity berada di bagian atas coran.

Ventilasi (vent).

Selain sistem penyaluran tidak jarang cetakan pasir dilengkapi

dengan lubang ventilasi. Lubang ventilasi berfungsi untuk melepas gas dan

udara yang ada di dalam cetakan ketika cairan logam mengalir ke dalam.

Di samping itu gas dan udara di dalam cetakan juga bisa keluar melalui

pori-pori alami pada dinding cetakan pasir tersebut.

8. Langkah Kerja Penuangan Besi Tuang

Proses peleburan.

Bahan baku peleburan berupa scrap dimasukkan ke dapur induksi,

kemudian dapur induksi tersebut dinyalakan. Peleburan logam untuk

penuangan pertama diawali dengan proses pemanasan dapur induksi

selama 3-4 jam. Pemanasan di dalam dapur juga bisa ditambah dengan

menggunakan bara api pembakaran tempurung kelapa, untuk mempercepat

proses pemanasan.


24

Proses penuangan kedua dan selanjutnya, cairan logam pada dapur

induksi saat proses peleburan dan penuangan yang pertama atau

sebelumnya harus disisakan sekitar 15-20 kg. Hal ini dilakukan sebagai

preheating, sehingga pemanasan dapat dicapai selama 45-60 menit saja.

Proses pengukuran suhu cairan logam.

Suhu penuangan pada gray cast iron antara 1380-1450 °C,

sedangkan untuk ductile cast iron antara 1455-1570 °C. Suhu penuangan

diukur dengan menggunakan thermocouple. Sampel cairan logam dituang

ke dalam cawan ukur, lalu kurva suhu penuangan dan suhu pendinginan

dapat dibaca oleh operator pada layar komputer. Apabila cairan logam siap

untuk dituang, pada layar akan menunjukkan tanda bahwa cairan siap

untuk dituang.

Proses pengikatan kotoran pada cairan logam.

Setelah suhu penuangan siap, flux dimasukkan ke cairan logam

menggunakan pencedok atau sekop. Slag yang terbentuk kemudian

diangkat dari dalam dapur. Cairan logam dalam dapur lalu dituang ke

dalam crane ladle. Sebelum digunakan, syarat crane ladle juga harus

dalam keadaan panas. Pemanasan pada crane ladle dilakukan dengan kayu

yang dibakar dan dimasukkan ke dalam crane ladle. Hal tersebut

dilakukan agar suhu cairan logam tidak turun dengan cepat.

Cairan logam yang telah dituang ke dalam crane ladle kemudian

diberi flux lagi. Pembentukan slag pada permukaan cairan logam dapat

dimanfaatkan sebagai lapisan penahan suhu cairan logam dan filter pada

saat penuangan.


25

Proses penuangan logam cair.

Bagaimana cara menuang cairan logam akan memengaruhi hasil dan

kualitas coran. Cara penuangan yang tidak tepat dapat menyebabkan

kecelakaan kerja bagi penuang itu sendiri. Beberapa teknik dasar dalam

penuangan antara lain sebagai berikut:

Penuang harus dalam keadaan tenang.

Gunakan perlengkapan keselamatan kerja sesuai standar.

Jangan menuang cairan logam yang terlalu berat

menggunakan tangan atau secara manual. Saran

penggunaan untuk ladle satu orang maksimal 18 kg, ladle

dua orang maksimal 90 kg dan apabila lebih dapat

menggunakan crane ladle.

Ketika menuang dengan ladle satu orang, tahan pemegang

cawan menggunakan lutut. Posisi salah satu tangan berada

sedekat mungkin dengan ladle, sehingga mudah untuk

mengendalikan ladle.

Ketika menuang dengan ladle dua orang, pastikan untuk

tetap kompak antara kedua penuang.

Pada cetakan berukuran besar dapat dilakukan penuangan

secara bersamaan dengan dua ladle atau lebih. Tentu saja

jumlah pembuatan pouring cup juga disesuaikan dengan

jumlah penuangan yang diinginkan. Selain itu gating system

juga harus menyesuaikan pola penuangan tersebut.

Penuangan pada cetakan dalam jumlah banyak dilakukan

berurutan dari ujung satu hingga ujung lain. Selain itu, para

penuang juga harus saling menyokong (back up).

Gunakan cawan atau tangkai yang kuat sebagai ladle.

Jaga kebersihan area penuangan dan sediakan cukup ruang

untuk pijakan serta pergerakan tubuh.


26

Lakukan penuangan dengan penerangan yang cukup, jika

kurang terang beri tepung gandum pada pouring cup supaya

target penuangan lebih tampak.

Tuang logam cair menggunakan cerat ladle dan sebisa

mungkin dekat dengan pouring cup.

Selama menuang jaga supaya pouring cup selalu penuh.

Sekali sprue tertutup logam cair, jangan mengurangi aliran

logam atau membuka celah yang menyebabkan udara bisa

masuk.

Jangan mengganggu atau memutus aliran logam.

Jaga supaya cerat penuangan bersih untuk menghindari

kotoran maupun aliran ganda dari ladle.

Gunakan logam sedikit lebih banyak, karena lebih baik sisa

daripada kurang.

Tuang logam pada saat panas, banyak hasil pengecoran

yang kurang akibat penuangan terlalu dingin daripada

penuangan terlalu panas.

Apabila keadaan logam cair pada ladle sudah tidak lagi

terang, cerah maupun panas maka jangan menuangkan

logam itu.

Bila cetakan mulai mengeluarkan/memuntahkan logam dari

pouring cup atau ventilasi, maka hentikan penuangan.

Mengisi cetakan basah yang kemudian memuntahkan

kembali dapat menimbulkan ledakan.

Bila cetakan retak dan cairan logam mulai keluar, maka

jangan menyentuh atau berusaha memperbaiki cetakan.


2727

DAFTAR PUSTAKA

Ammen, C.W. (1979). The Complete Handbook of Sand Casting. New York: TAB Books Division of McGraw-Hill.

Callister, W.D. dan Rethwisch, D.G. (2010). Materials Science and Engineering an Introduction. 8th edition. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.

Chastain, S.D. (2004). Metal Casting: A Sand Casting Manual For the Small Foundry. Vol. 1. Jacksonville, FL.

Groover, M.P. (2010). Fundamentals of Modern Manufacturing Materials, Processes, and Systems. 4th edition. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.

Gupta, H.N., Gupta, R.C. dan Mittal, A. (2009). Manufacturing Processes. 2nd edition. New Delhi: New Age International (P) Ltd., Pub.

Kalpakjian, S., Schmid, S.R. dan Musa, H. (2009). Manufacturing Engineering and Technology. 6th edition in SI units. Singapore: Prentice Hall.

Khurmi, R.S. dan Gupta, J.K. (2005). A Textbook of Machine Design. 1st multicolour edition. New Delhi: Eurasia Publishing House (Pvt.) Ltd.

M.I. Khan dan S. Haque. (2011). Manufacturing Science. New Delhi: PHI Learning Private Ltd.

Sudjana, H. (2008). Teknik Pengecoran Logam. Jilid 2. Jakarta: Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan.

Surdia, T. dan Chijiiwa, K. (1980). Teknik Pengecoran Logam. Cetakan ke-3. Jakarta: Pradnya Paramita, PT.

Tiwan. (2009). Modul Mata Kuliah Bahan Teknik Dasar. Yogyakarta: Jurusan Pendidikan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Negeri Yogyakarta.

penuangan logam

Documents