Solidifikasi Pada Pengecoran Logam

Solidifikasi adalah suatu proses industri penting dalam proses pengecoran yang mana logam cair dimasukkan kedalam cetakan dan dibiarkan membeku dan menjadi produk akhir atau semi akhir.

Solidifikasi diawali dengan pembentukan inti yang stabil karena temperatur pada setiap bagian logam tidak sama setelah terbentuk inti dengan logam yang masih dalam fase cair sehingga terbentuklah butir karena logam cair sedikit demi sedikit berubah fase solid hingga terbentuk kristal sampai akhirnya logam cair tadi keseluruhannya berubah fase solid/padat. Proses pembekuan dari logam cair tadi menjadi padat adalah proses solidifikasi.

 

Gambar            : Proses solidifikasi

Sumber            : Beeley, 2001:833

 

                        Proses Solidifikasi

1.       Tahapan dalam Pembekuan Logam (Solidifikasi)

Tahapan dalam pembekuan logam ada 2, yaitu :

A.     Pembekuan Inti Stabil dalam Logam Cair

Terdapat 2 mekanisme pengintian dari partikel padat dalam logam cair :

a.       Pengintian dalam suatu logam cair terjadi saat logam menyediakan atom-atom untuk membentuk inti. Contohnya Saat logam murni cair didinginkan dibawah suhu pembekuannya beberapa derajat,inti-inti homogen sangat banyak terbentuk karena atom-atom yang bergerak lambat membuat inti bersama. Pengintian homogen biasanya membutuhkan beberapa pengintian bawah (undercooling) sekitar beberapa ratus derajat untuk beberapa logam. Suhu undercoooling adalah suhu beberapa derajat dibawah suhu cair.

 

Tabel : Nilai dari suatu pembekuan (suhu cair, panas fusi, energi permukaan maksimum undercooling untuk logam)

Sumber : Chaimer,1964:107

 

b.       Pengintian Heterogen (Heterogeneous Nucleation)

Adalah proses pengintian homogen hanya saja logam cair yang berada pada permukaan cetakan atau dalam logam cair yang tidak murni seperti logam paduan pengintian heterogen ini banyak terjadi pada proses pengecoran industri yang mana tidak ada undercooling yang besar yang biasanya berkisar antara 0,1 sampai 100C.

 

Gambar            : Pengintian heterogen

Sumber            : Brophy and Rose,1964:105

 

2.       Pembentukan Kristal  dalam  Logam Cair dan Pembentukan Struktur Butir

Setelah inti yang stabil terbentuk pada logam yang sedang memadat, kemudian inti tumbuh menjadi kristal seperti pada gambar dibawah pada setiap kristal atom berjajar beraturan sedangkan atom barisan berada antar satu kristal dengan yang lainnya. Saat pembekuan totol terjadi antara kristal saling bertemu membentuk batas butir (grain boudaris) dan butiran grain.

3.       Grafik Solidifikasi

 

Gambar            : Solidifikasi logam murni

Sumber            : Jain,1964:180

 

Dari grafik diatas menjelaskan perubahan fase dari suatu logam yang berupa fase fluida berubah ke fase padat sebagai berikut:

Poin  1 ke 2

Terjadi penurunan suhu akibat perbedaan temperatur logam cair disebut kalor desibel karena hanya terjadi penurunan suhu saja sampai titik 2 tanpa terjadi perubahan fase dalam hal ini fasenya tetap logam cair.

Poin 2 ke 3

Pada Poin 2 dimulainya proses perubahan fase dari liquid ke solide sampai titik 3 tetapi tanpa penurunan temperatur(kalor latten) pada titik 3 keseluruhan logam cair telah menjadi solid dan ini adalah titik akhir pembekuan.

Poin 3 ke 4

Terjadi penurunan suhu tetapi logam sudah berbentuk padat (solid) sampai pada titik 4 yaitu ketika suhu logam padat sudah sama dengan suhu lingkungan luarnya kalor yang terjadi adalah kalor decibel.

4.       Daerah pembekuan logam:

1.       Chill Zone

Selama proses penuangan logam cair ke dalam cetakan. Logam cair yang berkontak langsung dengan dinding cetakan akan mengalami pendinginan yang cepat dibawah temperatur liquidusnya. Akibatnya pada dinding cetakan tersebut timbul banyak inti padat dan selanjutnya tumbuh ke arah dalam logam.

2.       Columnar Zone

Sesaat setelah penuangan, gradien temperatur pada dinding cetakan menurun dan kristal. Pada daerah chill tumbuh memanjang dalam arah perpindahan panas yang disebut dengan dendrite. Setiap kristal dendrite mengandung banyak lengan - lengan dendrite sekunder dan tersier akan timbul dari lengan dendrite primer. Daerah yang terbentuk antara ujung dendrite dan titik dimana sisa cairan terakhir akan membeku disebut sebagai nushy zone atau party zone.

3.       Equiaxed Zone

Daearah ini terjadi dari butir - butir equiaxed yang tumbuh secara acak ditengah - tengah ingut.

 

 

Gambar   : Chill, Columnar, dan Equiaxed Zone

Sumber            : Diktat ajar Yudi Irawan, 2002 :107

5.       Macam-Macam Solidifikasi

A.     Solidifikasi Logam Murni

Logam murni melebur pada temperatur konstan, yaitu sama dengan temperatur pembekuannya. Seperti ditunjukan gambar 4.18

 

 

B.      Solidifikasi Logam Paduan

Logam paduan umumnya membeku pada daerah temperatur tertentu, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut ini :

 

Gambar   : Solidifikasi logam paduan

Sumber            : Groover, 2007 : 18

 

Garis awal terjadinya pembekuan disebut garis liquidus dan garis akhir pembekuan disebut garis solidus. Suatu paduan dengan komposisi tertentu bila didinginkan dalam waktu yang sangat lama, maka pembekuannya akan terjadi saat mencapai garis liquidus dan pembekuan berakhir pada saat emncapai garis solidus, setelah itu pendinginan akan berlangsung terus hingga mencapai temperatur ruangan.

 Perencanaan Pembuatan Pola

Hal - hal yang perlu diperhatikan dalam perencanaan pembuatan pola adalah menentukan kup dan drag dan permukaan pisah yang merupakan hal yang paling utama untuk menghasilkan coran yang baik. Keuntungan yang harus dipenuhi adalah:

1.       Pola harus mudah dikeluarkan dari cetakan, permukaan pisah harus satu bidang pada dasar kup dibuat agak dangkal;

2.       Penempatan inti harus mudah. Tempat inti dalam cetakan utama harus ditentukan secara teliti;

3.       Sistem saluran harus dibuat sesempurna mungkin untuk membuat ukuran logam yang optimu;

4.       Terlalu banyak permukaan pisah akan mengambil banyak waktu dalam proses pembuatan yang menyebabkan terjadi tonjolan sehingga pembuatan pola menjadi mahal.

Untuk membuat pola, kita juga harus memperhatikan toleransi penyusutan dan permesinan dari sebuah pola agar dimensi pola yang kita inginkan bisa sesuai. Hal - hal yang harus diperhatikan dalam pembuatan pola adalah:

a.       Penentuan Tambahan Penyusutan

Karena coran menyusut pada waktu pembekuan dan pendinginan, maka pembuatan pola perlu menggunakan toleransi sudut yang telah diperbesar sebelumnya sebanyak tambahan penyusutan pada ukuran pola. Besarnya penyusutan sering tidak konstan. Hal ini dipengaruhi oleh bahan coran, bentuk, tempat masuk coran, atau ukuran dan kekuatan inti. Harga - harga untuk tambahan penyusutan diberikan pada tabel berikut.

 

 

Tabel Toleransi penyusutan

 

Sumber: Heine (1976:81)

 

b.       Penentuan Tambahan Penyelesaian Mesin

Tempat dimana coran memerlukan penyelesaian mesin harus dibuat dengan kelebihan tebal seperlunya. Kelebihan tebalnya berbeda menurut bahan, ukuran, arah kup dan drag, serta pekerjaan mekanis. Harga - harga yang bisa untuk tambahan penyelesaian mesin seperti tabel dibawah ini:

 

 

Tabel Toleransi permesinan

Sumber: Heine (1976:81)

 

c.       Kemiringan Pola

Permukaan yang tegak pada pola dimiringkan dari permukaan pisah agar memudahkan pengangkatan pola dari cetakan. Sebagai contoh pada kayu membutuhkan kemiringan ¹/₃₀ sampai ¹/₁₀₀.

 

Gambar  Contoh kemiringan pola

Sumber: Surdia dan Chijiwa (1986:53)