Paper Praktikum Pengecoran Logam

Proses Solidifikasi pada Pengecoran AluminiumProses solidifikasi adalah proses transformasi dari struktur non-chrystallographic dan christallographic pada material logam dan paduannya. Pemahaman tentang proses mekanisme solidifikasi dan bagaimana proses tersebut dipengaruhi oleh beberapa parameter seperti distribusi temperatur, laju pendinginan dan paduannya, adalah hal yang sangat penting dalam mengontrol sifat-sifat dari produk casting. Proses solidifikasi logam, pada umumnya, akan dimulai dengan terbentuknya suatu inti padatan (nuclei) yang biasa disebut nucleation. Menurut waktu pembentukkannya, nucleation dibagi menjadi dua, yaitu homogenous nucleation dimana nuclei terbentuk dalam waktu yang bersamaan dan sebaliknya heterogeneous nucleation dimana nuclei terbentuk dalam rentang waktu yang berbeda. Proses homogeneous nuclesation merupakan proses yang hanya ada pada teori. Umunya proses nucleation adalah yang jenis heterogeneous. Proses solidifikasi dimulai dibawah temperatur melting-nya (Tm). Pada saat kondisi tersebut, terjadi driving force untuk terjadi proses solidifikasi (GL GS) dan solidifikasi terjadi secara spontan. Dimana GL dan GS adalah energi bebas Gibbs pada saat liquid dan solid. Pada gambar dibawah,pada G1 merupakan liquid. Tetapi pada saat terbentuk padatan, maka energi bebas berganti menjadi G2. 1) 3) 5) 2) 4) 6)

7)Gambar 1. Nucleation

Dari persamaan diatas didapat pada saat dG=0 atau r =r*, adalah kondisi dimana nuclei terbentuk dalam kondisi setimbang secara efektif di dalam liquid. Dilihat dari persamaan DG*, maka semakin rendah energi permukaannya, maka semakin mudah terjadinya solidifikasi. Hal ini, secara sederhana, terjadi pada solidifikasi pada cetakan. Liquid akan lebih cepat membeku pada bagian yang dekat dengan cetakan. Seperti pada gambar berikut: 8) 9) 10) 11)

Gambar 2. Heterogenous nucleation pada dinding cetakan yang datar. 12)

13)

Dimana

adalah sudut pembasahan. Oleh karena itu, energi aktivasi (G) pada heterogeneous .

nucleation lebih kecil daripada proses homogeneous nucleation karena faktor

Gambar 3. Perbandingan energi aktivasi

Gambar 4. Variasi delta G

Gambar 5. Laju nukleasi pada delta G yang sama

Dimana n* adalah jumlah atom yang kontak dengan dinding mold. f1 faktor frekuensi dan C1 adalah jumlah atom yang kontak dengan heterogenous nuclei per unit volume liquid.

Setelah terbentuknya nuclei, maka terjadi pertumbuhan solidifikasi. Atom-atom yang menempel pada nuclei akan tersolidifikasi dan seterusnya. Solidifikasi dari atom-atom logam ini akan membentuk suatu struktur yang biasa disebut dengan dendrit.

Gambar

6.

Model proses pembentukkan solidifikasi. Bagian (a) menunjukkan pembentukkan nuclei . Proses solidifikasi terus mengalami pertumbuhan ke (b), (c) dan kemudian membentuk dendrit seperti pada bagian (d)

Pada proses solidifikasi pada pengecoran dengan menggunakan mold, maka pembekuan pertama kali terjadi pada bagian yang kontak langsung dengan permukaan dinding mold. Pembekuan terus tumbuh hingga bagian dalam cetakan. Akibat laju pembekuan yang berbeda tersebut, terjadi perbedaan struktur mikro pada produk cetakan. Untuk lebih jelasnya perbedaan tersebut, dapat dilihat pada gambar dibawah.

Gambar 7. Skema struktur butir hasil pengecoran

Pada gambar diatas terlihat perbedaan skema struktur butir hasil pengecoran pada bagian dalam dan bagian luar. Terdapat empat daerah atau zona berbeda berdasarkan dengan laju pembekuan, yaitu Chill Zone, Columnar Zone dan Equiaxed Zone. Berikut adalah penjelasan untuk setiap zona: Chill Zone Pada saat penuangan logam cair kedalam cetakan, lelehan logam yang berkontak langsung dengan dinding cetakan akan membeku secara cepat dibawah temperatur cair, seperti pada gambar ---. Pembentukkan nuclei solid dimulai di dinding cetakan dan tumbuh kearah cairan. Variabel penting pada saat penuangan adalah temperatur penuangan, temperatur mold dan kecepatan penuangan. Columnar Zone Setelah terbentuk Chill Zone, maka solidifikasi terus terjadi diatas daerah tersebut. Pembekuan ini terus terjadi sampai kebagian tengah cetakan. Pertumbuhan elemen solid ini membentuk suatu columnar, oleh sebab itu disebut oleh columnar zone. Equaiaxed Zone Adalah daerah yang membeku paling terakhir, terletak ditengah-tengah cetakan.

Gambar 8. Pebentukkan Chill Zone

Gambar 9. Pebentukkan Collumnar Zone