Fluiditas Pada Pengecoran Logam

Secara umum fluiditas adalah kondisi logam cair yang mampu membuat logam cair mengalir melalui jalur cetakan dan mengisi semua celah cetakan. Fluiditas yang rendah mengarah pada cacat dan kegagalan pengecoran produk.

Fluiditas tidak dapat diukur dari sifat fisik individu, sehingga pengujian empiris dilakukan untuk mengukur semua karakteristik dan fluiditas logam cair dalam pengecoran dan pengukuran logam. Fluiditas diletakkan sebagai jarak yang telah dilalui logam cair dalam sistem saluran tertutup. Faktor yang mempengaruhi fluiditas antara lain:

 

1.       Viskositas

Adalah sebuah ukuran kapasitas sebuah cairan untuk mentransmisikan sebuah tegangan geser dinamis. Viskositas juga bisa didefinisikan sebagai gaya yang diperlukan untuk memindahkan sebuah permukaan dari unit luasan. Pada saat logam cair mengalir pada sebuah saluran tertutup, viskositas akan menentukan alirannya, mana drag atau hambatan yang ditimbulkan dinding saluran ditransmisikan ke logam cair, sehingga mempengaruhi kecepatan aliran logam pada cetakan. Jadi semakin tinggi viskositas maka fluiditasnya menurun dan sebaliknya jika viskositasnya rendah fluiditasnya meningkat.

2.       Temperatur Penuangan

Temperatur penuangan secara teoritis sama atau diatas garis liquidus. Jika lebih rendah, kemungkinan besar terjadi solidifikasi dalam sistem rongga.

3.       Komposisi Logam

Fluiditas yang tinggi umumnya terdapat pada logam cair murni dengan komposisi eutectoid. Paduan yang membentuk solid biasanya memenuhi rentang pembekuan yang panjang sehingga cenderung untuk memilih fluiditas  yang rendah.

4.       Mode Pembekuan

a.       Mode Pembekuan Plane Interface Mode

Gambar            : Mode pembekuan plane interface mode

Sumber            : Beeley, 2001:65

 

        i.            Cairan memasuki saluran dan pembentukan butir-butir kolom dengan aliran halus dimulai;

      ii.           Butir kolom terus tumbuh kearah hulu;

     iii.           Penyumbatan mulai terjadi;

     iv.           Sisa pengecoran membeku dengan pertumbuhan butir yang cepat.

b.       Mode Pembekuan Jagged Interface Mode

Gambar 4.22   : Mode pembekuan jagged interface mode

Sumber            : Beeley, 2001:66

 

        i.           Cairan memasuki saluran dan pembentukan butir-butir kolom bergerak padat cair dimulai;

      ii.           Butir-butir kolom terus tumbuh dan pembentukan atau terjadi diujung;

    iii.           Penyumbatan terjadi dipintu masuk aliran, meski penampang tidak terlalu padat;

     iv.           Sisa pengecoran membeku dan pembentukan rongga penyusutan terjadi di ujung.

c.       Mode Pembekuan Independent Crystallitation Mode

Gambar    : Mode pembekuan independent crystallitation mode

Sumber            : Beeley, 2001:66

 

 

        i.           Cairan memenuhi saluran dan pembentukan butir-butir kolom dimulai dan butiran-butiran halus membentuk atom;

      ii.           Butiran halus tumbuh pesat saat aliran terjadi;

    iii.           Aliran terhenti saat konsentrasi kritis dan butiran halus terjadi diujung;

     iv.           Sisa pengecoran membeku dan penyusutan kecil terdistribusi.

5.       Thermal Properties

Meskipun komposisi dan mode pembekuan adalah faktor besar yang mempengaruhi fluiditas dan menunjukkan hubungan yang mirip, tetapi hubungan antara fluiditas dan superheat tidak identik. Waktu yang dibutuhkan untuk pendinginan hingga suhu pembekuan tergantung pada kandungan panas dan sifat-sifat termal daripada suhu itu sendiri.

Kecepatan pendinginan hingga suhu aliran logam terhenti ditentukan oleh heat diffusivity dari material cetakan.

Keterangan:

D           : Difusifitas Thermal

k            : Konduktivitas Thermal

c            : Panas Spesifik

ρ  : Massa Jenis / Rapat Jenis

-  Difusifity thermal (D) adalah kemampuan suatu material mentransfer (kalor) secara difusi yang disebabkan terdapat perbedaan temperatur.

-  Konduktifitas thermal (k) adalah karakteristik suatu bahan untuk memindahkan suatu aliran kalor dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.

-  Panas spesifik (Cp) adalah karakteristik panas yang tergantung pada material yang menyatakan seberapa besar energi yang terkandung pada suatu material berupa energi panas.

-  Density adalah kerapatan massa jenis dari suatu zat

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.