Pasir Cetak - Pengecoran Logam

1. Definisi Pasir

Pasir adalah partikel granuler dari SiO₂, yang pada prinsipnya 50 – 95 % dari total material pada pasir cetak. Pada macam - macam pasir cetak, besar butir pasir cetak dapat dibedakan menajdi 3, yaitu:

1.       Ukuran butir rata - rata, distribusi besar butir, bentuk butir;

2.       Komposisi kimia;

3.       Kemampuan tahan panas.

(Heine, 1976:86)

 

                   Tabel  Komposisi kimia pasir cetak

Sumber: Heine, 1976:86

 

Komposisi kimia pasir yang cocok sangat diperlukan pada saat melakukan pengecoran logam. Hal ini dikarenakan pada saat butiran pasir bersentuhan dengan logam cair terjadi peristiwa kimia dan fisika akibat tingginya temperatur.

Pasir cetak yang lazim digunakan adalah pasir gunung, pasir pantai, dan pasir silika yang disediakan oleh alam. Bagian - bagian utama pasir ini adalah SiO₂ pasir rata - rata lebih dari 90 %. Disamping SiO₂, komponen senyawa kimia lainnya seperti Al₂O₃, T, O₂, MgO, dan CaO juga kadang dapat ditemukan dalam kandungan pasir. Disamping kandungan oksida pada pasair juga ditemui logam bebas, karbon, dan senyawa alkali lainnya.

 

2. Macam - macam Pasir

Pasir digolongkan menjadi pasir cetak alami dan buatan tergantung ikatan tanah liat material tersebut.

A.     Pasir Alami

Pasir alami adalah yang pertama kali digunakan dengan pengembangan industri pengecoran. Hal ini dikarenakan persiapan, penganaan, dan penggunaan yang sederhana. Pada pasir cetak alami dibedakan menjadi pasir yang dapat langsung digunakan dan tidak dapat langsung digunakan. Contoh pasir yang dapat langsung digunakan adalah pasir gunung. Contoh pasir yang tidak dapat langsung digunakan adalah pasir pantai, sungai, danau, dan silika alami.

B.      Pasir Buatan

Pasir buatan banyak digunakan karena memiliki keuntungan biaya lebih rendah dalam jumlah yang besar, ketersediaan yang banyak dan memungkinkan reklamasi serta pasir dapat digunakan kembali. Beberapa contoh dari pasir cetak buatan adalah pasir silika buatan, chromit, dan zircon.

 

3. Ukuran dan Dimensi Butiran Pasir Cetak

Ukuran dan dimensi butiran pasir cetak macamnya adalah: 

 

 

Gambar Ukuran dan dimensi butiran pasir cetak

Sumber        : Jain PL (1999:49)

 

1.       Bentuk Butir Pasir Bulat (Rounded Grain)

Butiran bulat terbentuk karena butiran - butiran yang sedang bergesekan berulang - ulang akibat adanya angin, gelombang ataupun aliran air sehingga menghasilkan bentuk bulat.

a.       Kelebihan

·        Permeabilitasnya tinggi karena bentuk butiran pasir yang bulat menyebabkan banyak rongga;

·        Jumlah pengikat sedikit karena siklus kontak antar butiran sehingga menghasilkan bentuk bulat.

b.      Kekurangan

·        Kekuatan kurang baik. Hal ini dikarenakan sudut kontak pada butir pasir bulat kecil.

2.       Bentuk Pasir Sebagian Bersudut (Subangular Grain)

Butiran pasir sebagian bersudut terjadi karena butiran bersudut saling bergerak dan bertabrakan sehingga sudutnya pecah dan membentuk subangular grain.

a.       Kelebihan

·        Kekuatan lebih tinggi dari butir pasir bulat, karena sudut yang ada membuat lebih sulit terjadinya slip.

b.      Kekurangan

·        Permeabilitasnya lebih rendah dari pasir bulat, karena rongga antar butir menjadi semakin kecil;

·        Jumlah pengikat lebih banyak dari butir pasir bulat, karena sudut kontak pada pasir sebagian bersudut semakin besar.

3.       Bentuk Butir Pasir Bersudut (Angular Grain)

Butiran bersudut terbentuk oleh dekomposisi bahan tanpa adanya gesekan.

a.       Kelebihan

·        Kekuatan lebih tinggi dari butir pasir sebagian bersudut, karena sudut kontaknya lebih besar dari butir pasir sebagian bersudut.

b.      Kekurangan

·        Permeabilitasnya lebih rendah dari butir pasir sebagian bersudut karena pasirnya memiliki rongga bersudut;

·        Jumlah pengikat lebih banyak dari butir pasir sebagian bersudut karena sudut kontak pada pasir bersudut semakin besar.

4.       Compound

Bentuk bidangnya memiliki luas bidang kontak yang sedikit. Pasir compound merupakan campuran dari pasir bersudut dan sebagian bersudut.

a.       Kelebihan

·        Kekuatan tinggi karena sudut kontaknya paling besar.

b.      Kekurangan

·        Permeabilitasnya buruk karena tidak mempunyai rongga antar butiran;

·        Jumlah pengikat banyak karena sudut kontak paling besar;

·        Rapuh (mudah pecah).

Pada kondisi ideal, jenis butiran pasir bulat lebih baik daripada butir pasir compound, karena butiran pasir bulat yang diperlukan lebih sedikit untuk mendapatkan kekuatan dan permeabilitas tertentu alirnya baik sekali.

 

4. Distribusi Besar Butir Pasir Cetak

Distribusi besar butir pasir cetak adalah persebaran butiran pasir atau persentase butiran pada pasir cetak. Suatu cara ukuran besarnya butiran pasir cetak ditunjukkan GFN (Grain Finnest Number) merupakan ukuran kehalusan rata - rata butiran pasir. Makin tinggi angkanya, maka pasir semakin halus dan daya salur udaranya (permeabilitas) relatif rendah.

Pada umumnya pasir tidak terdiri dari butiran - butiran dengan ukuran sama. Untuk mengetahui distribusi dari butir - butir yang mempunyai besar butir yang berbeda - beda maka dilakukan analisis ayak (sleve analysis). Distribusi ukuran butir pasir dapat dibagi menjadi 4 jenis:

a.       Distribusi ukuran butir sempit, artinya susunan butir hanya terdiri dari kurang lebih 2 fraksi saja;

b.       Distribusi ukuran butir sangat sempit, artinya 90 % dari ukuran besar butir terdiri dari 1 fraksi saja;

c.       Distribusi ukuran butir lebar, artinya susunan butiran terdiri lebih kurang 3 fraksi;

d.       Distribusi ukuran sangat lebar, artinya susunan - susunan ukuran butir terdiri dari 3 fraksi.

Distribusi butir sampai akan memberikan permeabilitas yang lebih tinggi dan sebaliknya distribusi ukuran butir berpengaruh juga pada kekuatan cetakan. Besar butiran yang diinginkan adalah sedemikian hingga ²/₃ dari butiran pasir yang mempunyai ukuran dari tiga mesh yang berurutan, dan sisanya dari ukuran mesh - mesh yang berikutnya. Jadi lebih baik tidak mempunyai besar butir yang seragam.(Surdia dan Chijiwa 1976:111).

 

   Tabel Distribusi AFS number

Sumber : Heine (1973:103)

 

Keterangan:

AFS Ne      : Nomor Kehalusan Butir Pasir Cetak Standard AFS

Wi              : Berat Pasir Pada Ayakan Ke-i

Mi              : Pelipat Dari Tabel

Distribusi pasir cetak dari AFS Number untuk ukuran 50 + 1 akan melewati 100 % mesh berukuran 40, akan melewati 95 % mesh berukuran 50 dan sisanya akan melewati mesh ukuran 70 dan 100.

Mesh adalah jumlah lubang per satuan linear inch.

 

Tabel Distribusi AFS number II

Sumber: Heine (1976:102)

 

Untuk butiran ukuran pasir yang ukurannya sama atau lebih besar dari ukuran mesh maka pasir tersebut tidak dapat lolos dari mesh tersebut. Sehingga ratio antara ukuran pasir dan ukuran mesh “American Foundry Society” distandarkan berdasarkan tabel diatas maka mesh menggunakan satuan micron per inch.

 

5. Syarat Pasir Cetak

a.       Mempunyai Sifat Mampu Bentuk

Sifat ini diperlukan agar dapat menyelesaikan pola dan supaya mampu dibentuk dan diuji sesuai kekuatan yang cocok, retakan yang dihasilkan harus kuat sehingga tidak mudah rusak karena dipindah - pindah dan dapat menahan logam cair waktu dituangkan ke dalamnya;

b.       Permeabilitas Yang Cocok

Pasir cetak harus mempunyai sifat ini agar bisa menyerap udara yang terjebak dalam coran. Namun jika terlalu baik, maka logam cair akan ikut masuk ke dalam lubang yang menyebabkan cacat;

c.       Distribusi Besar Butir Yang Cocok

Distribusi besar butir ini akan mempengaruhi hasil coran. Apabila distribusi besar butir pasir kurang baik dan terlalu padat maka udara akan sulit keluar sehingga akan menyebabkan cacat coran. Besar butir yang diinginkan ²/₃ dari mesh yang berurutan dan sisanya dari ukuranmesh - mesh yang berikutnya (Surdia dan Chijiwa 1987:111);

d.       Tahan Terhadap Temperatur Logam Yang Dituang

Butir pasir dan pengikat harus memiliki derajat tahan api tertentu terhadap temperatur tinggi karena pada saat logam cair dengan temperatur tinggi mempunyai daya tumbuk yang membuat kecepatan alir tinggi.

 

Tabel  Temperatur penuangan berbagai macam logam

Sumber: Surdia dan Chijiwa (1987:109)

 

e.       Komposisi Yang Cocok

Dalam pembuatan pasir cetak komposisi antara air, pasir, dan pengikat harus cocok. Air sebagai aktifator yang dapat mengaktifkan daya ikat pada pengikat sehingga butir pasir satu sama lainnya akan terikat karena pengikat dapat teraktifasi dengan baik;

f.        Mampu Dipakai Lagi

Dalam pembuatan pasir cetak hendaknya memiliki bahan yang dapat digunakan kembali sehingga dapat mengurangi biaya produksi.

 

6. Pengaruh Distribusi Besar Butir Pasir Cetak Terhadap Karakteristik Pasir Cetak

1.       Pengaruh Distribusi Besar Butir Pasir Cetak Terhadap Kekuatan

Jika bentuk butirannya homogen maka kekuatan tergantung ukuran butirannya. Semakin kecil ukuran butir pada pasir cetak, maka kekuatannya semakin tinggi. Hal ini dikarenakan lebih banyaknya luas bidang kontak sehingga kerapatan antar butir tinggi sehingga kekuatannya lebih besar daripada yang berbutir besar. Sedangkan jika ukuran butiran pasirnya seragam maka kekuatannya bergantung pada bentuk butirnya;

 

2.       Pengaruh Distribusi Besar Butir Pasir Cetak Terhadap Permeabilitas

Jika bentuk butirannya seragam, maka permeabilitasnya tergantung pada ukuran butirnya. Semakin besar ukuran butir pada pasir cetak maka permeabilitasnya semakin tinggi. Hal ini dikarenakan jika ukuran butir pasir besar, maka bidang kontaknya akan kecil, sehingga tercipta rongga - rongga dan kerapatannya rendah. Sedangkan pada pasir dengan butiran ukuran seragam, permeabilitasnya tergantung pada bentuk butirannya.

 Kadar Air Pasir Cetak pada Pengecoran Logam

Definisi dan Fungsi Kadar Air

A.     Pengertian Kadar Air

Kadar air adalah jumlah air yang terkandung suatu materi, yaitu pasir cetakdinyatakan dalam satuan presentase (%).

Dimana:

·        Kadar Air      : Banyaknya air yang diuapkan. Dinyatakan dalam    presentase (%);

·        Berat Pasir Cetak Awal        : Berat pasir cetak (basah) ditambah air dan bentonite dalam satuan gram (gr);

·        Berat Akhir   : Berat pasir cetak setelah dipanaskan dengan Moisture Analyzer dalam satuan gram (gr).

B.      Fungsi Kadar Air

Fungsi air pada pasir cetak ialah mengaktifkan daya ikat zat pengikat (bentonite) sehingga dapat digunakan untuk mengikat pasir cetak. Akan tetapi kadar air sebagai aktifator harus pada titik optimum (takaran yang tepat) agar pasir cetak dapat teraktifasi secara sempurna. Sebaliknya apabila kadar air melebihi titik optimum maka akan menjadi air bebas sehingga aktifasi pasir cetak berjalan tidak sempurna.

 

 

 

2 Macam - macam Air

Dalam konteks air yang mengisi celah – celah butir pasir cetak, air digolongkan menjadi:

1.       Air Terikat

Air terikat adalah air yang fungsinya sebagai zat yang mengaktifasi bentonite untuk mengikat pasir cetak

2.       Air Bebas

Air bebas adalah yang kehilangan fungsinya sebagain aktifator bentonite sehingga mengisi celah – celah pada pasir cetak.

 

3 Pengaruh Kadar Air Terhadap Pengujian Karakteristik Pasir Cetak

 

Gambar  Grafik hubungan kadar air dengan permeabilitas dan kekuatan pasir     cetak

Sumber            : Surdia dan Chijiwa (1976 : 112)

 

Pada grafik dapat kita lihat bagaimana hubungan antara pengaruh kadar air terhadap karakteristik pasir cetak, diantaranya adalah kekuatan kering, kekuatan basah, dan permeabilitas pasir cetak.

Pada hubungan kekuatan basah dengan kadar air, didapati grafik kencederungan menurun dengan nilai kekautan basah rendah dan kekuatan basah optimal pada titik tertentu. Pada kadar air rendah didapati kekuatan basah rendah karena bentonitebelum teraktivasi sempurna karena kadar air yang masih rendah. Pada kadar air yang sesuai didapatkan kekuatan basah yang optimal  karena kadar bentonitesudah terdistribusi secara sempurna oleh kadar air yang pas sehingga pasir terikat.Selanjutnya apabila kadar air terus ditambah kekuatan akan menurun karena banyaknya air bebas sehingga pasir centak menjadi lembek.

Pada hubungan permeabilitias pasir cetak dengan kadar air, didapat grafik kencederungan menurun dengan nilai permeabilitas redah dan permeabilitas optimal pada ttik tertentu. Pada kadar air rendah didapati permeabilitas rendah karena celah – celah butiran pasir terisi oleh bentonite yang belum teraktivasi., kemudian pada kadar air yang sesuai didapat permeabilitas yang optimal karena kadar air dan kadar bentonite  yang sudah pas sehingga permeabilitas juga optimal. Sedangkan apabila kadar air bertambah, permeabilitas nya akan menurun karena celah – celah pada pasir cetak diisi oleh air bebas.

Pada kekuatan kering didapati grafik yang terus meningkat seiring ditambahkannya kadar air dikarenakan semakin banyak kadar air menjadikan bentonite  menjadi cair sehinnga bentonite bisa terdistribusi merata ke celah antar butir pasir. Setelah bentonit yang teraktivasi oleh air sudah terdistribusi merata, diberi perlakuan panas sehingga air bebas yang menguap dan menjadikan kekuatan keringnya meningkat.

 

4 Faktor - faktor yang Mempengaruhi Penguapan Kadar Air

1.       Waktu Pemanasan

Ketika waktu pemanasan semakin lama, maka kalor yang terkumpul untuk memanaskan air semakin banyak sehingga air yang dapat diuapkan semakin banyak. Sebaliknya apabila waktu pemanasan hanya sebentar, maka kalor yang terkumpul untuk menguapkan air hanya sedikit sehingga kadar air yang diuapkan hanya sedikit;

2.       Temperatur Pemanasan

Jika temperatur pemanasan semakin tinggi maka penguapan yang terjadi akan semakin besar. Hal ini disebabkan oleh kecenderungan air untuk mengubah fase air menjadi fase gas ketika telah mencapai titik didihnya sehingga kadar air pada pasir cetak berkurang. Begitu juga sebaliknya ketika temperatur pemanasan rendah maka sulit mencapai titik didih air dan merubah fase air, sehingga hanya sedikit kadar air yang diuapkan. Pada praktikum kali ini suhu yang digunakan 110°C;

 

3.       Luas Penampang Permukaan Pasir Cetak

Semakin besar luas penampang permukaan, maka laju penguapan yang terjadi semakin tinggi. Hal ini dikarenakan pasir yang berkontak secara langsung menerima kalor semakin banyak sehingga kalor dapat menguapkan air yang berikatan dengan pasir lebih mudah daripada ketika luas penampang semakin kecil karena ketika luas penampang kecil kalor juga sedikit sehingga penguapan lebih sulit terjadi;

4.       Ukuran Dimensi

Butiran yang berukuran besar mempunyai laju penguapan yang lebih tinggi daripada butiran yang berukuran kecil. Hal ini dikarenakan butiran yang besar mempunyai rongga antar butir yang semakin besar, sehingga mudah terjadi penguapan. Dari bentuk butiran yang mempunyai laju penguapan tinggi adalah butiran pasir yang berbentuk bulat pasirnya dibandingkan butir pasir berbentuk kristal. Hal ini karena butir bentuk bulat mempunyai rongga - rongga yang lebih besar daripada butir kristal, sehingga mempunyai sifat mampu alir yang lebih baik dan ketika diberikan kalor, penguapan lebih cepat terjadi pada butiran pasir bulat;

5.       Kelembaban

Semakin tinggi kelembaban, maka kadar air yang ada di lingkungan semakin banyak sehingga uap air di lingkungan akan menjadi jenuh menyebabkan penguapan sulit terjadi. Sebaliknya jika kelembabannya rendah, maka uap air di lingkungan tidak terlalu banyak sehingga pada pasir cetak dapat terjadi penguapan;

6.       Tekanan

Tekanan yang berbeda ketika pengujian kadar air juga mempengaruhi. Pada dataran tinggi dan dataran rendah terdapat perbedaan tekanan atmosfer yang menyebabkan titik didih pada air menjadi berbeda. Hal ini berdampak pada penguapan yang dihasilkan. Pada dataran tinggi air lebih cepat mendidih sehingga lebih mudah menguap, sehingga penguapan yang dihasilkan lebih banyak.

Pengikat Cetakan Pengecoran Logam

1. Definisi dan Fungsi Kadar Pengikat

A.     Pengertian Kadar Pengikat

Kadar pengikat adalah banyak bahan yang digunakan untuk mengikat butir - butir pasir yang dinyatakan dalam persen (%).

Pengikat adalah material yang mempunyai daya tarik yang kuat terhadap air dan juga digunakan untuk mengikat butir - butir pasir cetak yang biasanya berukuran kurang dari 20 μm atau 0,0008 in  (Heine, 1976:100).

B.      Fungsi Kadar Pengikat

Fungsi kadar pengikat adalah untuk mengetahui perbandingan komposisi pasir cetak agar mencapai karakteristik yang optimal.

Dimana:

·        Kadar pengikat: Jumlah persentase pengikat yang terdapat pada pasir cetak;

·        Berat awal: Berat pasir cetak yang sudah bercampur dengan pengikat dan air (gram);

·        Berat akhir: Berat pasir cetak yang kadar bentonite dihilangkan dengan NaOH dan dikeringkan sehingga kadar air dan bentonite yang terkandung nol (gram).

 

2. Macam - macam Pengikat

Berdasarkan jenisnya, secara umum pengikat dibedakan ke dalam 2 jenis, yaitu lempung dan semen. Pada proses pengecoran logam ada dua buah tipe lempung yang digunakan, kaolinites atau fireclay dan montmorillonites atau bentonite. Lempung - lempung bentonite adalah “western atau sodium bentonite” dan “southern atau kalsium bentonite”. Tiap tipe dari lempung tersebut memiliki sifat - sifat spesifik yang membuatnya berguna bagi pengecor. Juga biasanya kombinasi dari masing - masing tipe lempung ini digunakan bersamaan untuk mencapai property (sifat - sifat) terbaik gabungan dari tiap - tiap lempung.

1.       Fireclay

Fireclay secara alami dapat ditemukan pada ikatan pasir cetak. Dia kadang digunakan pada pasir cetak jenis compound (yang telah dicampur) untuk menghasilkan kekuatan tekan panas yang tinggi atau untuk membuat pasir cetak lebih sensitif terhadap beragam tingkat kandungan kelembaban. Campuran dari fireclay dan westernbentonite dapat mencapai kekuatan tekan panas lebih dari 200 psi. Fireclay hanya memiliki ¹/₃ hingga ¹/₅ kekuatan ikatan lempung dari bentonite. Dia juga membutuhkan air lebih banyak. Sebuah campuran fireclay biasanya terkandung kira - kira 12 % hingga 15 % dari berat lempung dengan 5 % hingga 8 % air. Untuk kekuatan maksimum yang didapatkan fireclay memiliki titik lebur pada 3100°F;

2.       Bentonite

Bentonite yang mengikat pasir cetak biasanya memiliki kandungan berkisar antara 3 % hingga 6 % dari lempung dengan 2,5 % hingga 4 % air.

A.     Western Bentonite

Adalah lempung yang mengembang. Dia mengembang sekitar 10 hingga 20 kali dari volume aslinya. Dia juga memiliki kekuatan tekan panas yang dapat mencegah cutting dan erosi pada cetakan saat logam cair melewatinya. Westernbentonite memiliki kekuatan tekan panas sekitar 80 psi. Campuran westernbentonite memiliki flow ability yang lebih rendah atau dengan kata lain lebih lengket dan kaku daripada pasir cetak dengan lempung southernbentonite. Pasir cetak menjadi lebih elastis dan tidak boleh diletakkan terlalu pelan. Karena pasir menjadi memiliki green deformation (rubbery) yang lebih tinggi, pola lebih mudah dilepas (angkat) dari pasir cetak berpengikat westernbentonite. Westernbentonite memiliki sebuah kecenderungan untuk berbentuk clay balls. Titik lebur dari westernbentonite berkisar 2100°F hingga 2450°F;

 

B.     Southern Bentonite

Southernbentonite member flow ability yang bagus terhadap pasir cetak. Dia memiliki kemampuan tekan kering lebih tinggi dari westernbentonite, tetapi kemampuan tekan panasnya hanya berkisar 40 psi. Kemampuan tekan panas yang lebih rendah mengurangi tetesan - tetesan panas atau retak cetakan seperti pada cetakan dingin. Southernbentonite lebih mudah dipisahkan. Pemisahan dan pembersihan dari cetakan lebih mudah daripada westernbentonite. Titik lebur dari southernbentonite adalah 1800°F.

 

Tabel  Komposisi kadar pengikat pada pasir cetak

Sumber : Heine (1976:89)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Pengaruh Kadar Pengikat Terhadap Karakteristik Pasir Cetak

A.     Pengaruh Kadar Pengikat Terhadap Kekuatan

 

Gambar Grafik pengaruh kadar pengikat terhadap kekuatan pasir cetak

Sumber       : Heine, 1976:109

 

Pada grafik dapat kita lihat kekuatan pasir cetak akan meningkat jika pada pasir cetak dicampur bentonite sampai 10 %. Hal ini karena pasir cetak permukaan singgungnya saling bersentuhan dan diikat oleh bentonite. Jika lebih dari 10 % kekuatannya cenderung konstan. Hal ini disebabkan karena bentonite tidak hanya mengikat pasir, namun juga mengikat butiran antar bentonite. Pengaruh semakin banyak bentonite hanya menambah ketebalan karena sudah tidak ada yang diikat oleh bentonite lagi dan berbentuk seperti past;

B.      Pengaruh Kadar Pengikat Terhadap Permeabilitas

Pengaruh kandungan pengikat terhadap permeabilitas, Pada kadar air tetap dengan kadar bentonite lebih banyak atau tinggi maka tingkat permeabilitasnya semakin menurun. Hal ini dikarenakan semakin banyak kadar pengikat maka butiran antar pasirnya akan mengisi rongga - rongga antar butiran pasir tertutupi oleh pengikat yang tidak teraktifasi dan fluida yang ada dalam cetakan sulit untuk mengalir keluar melalui pasir cetak. Sebaliknya pada kadar air tetap dengan kadar pengikat lebih sedikit atau rendah maka tingkat permeabilitas semakin meningkat. Hal ini dikarenakan bentonite belum mengikat pasir secara sempurna sehingga daya ikat antar butir pasir lemah yang menyebabkan banyak rongga - rongga antar butir yang tidak tertutupi sehingga fluida dapat mengalir keluar.