TINJAUAN PUSTAKA
2.4 Pengertian pengecoran logam
2.4.4 Bahan baku pengecoran logam
Bahan baku logam untuk pengecoran dibagi menjadi 5 : a. Besi tuang (cast iron)
Besi tuang adalah paduan besi yang mengandung karbon, silisium, mangan, fosfor dan belerang.
Gambar 2.11 Berikut menunjukkan sebuah diagram fasa besi karbon menurut persentase berat karbon :
Mulai
Peleburan logam
Pembekuan logam cair Penuangan Pembongkaran cetakan Pembersihan produk Pemeriksaan produk Finishing Pembuatan cetakan Selesai
Gambar 2.11 Diagram fasa besi menurut jumlah persen karbonnya [23]
Besi memiliki struktur – struktur penyusun yang disebut alotrofi. Jenis –
jenis alotrofi tersebut diantaranya adalah sebagai berikut : i. Ferrite (besi α)
Merupakan struktur fasa yang memberikan sifat liat dan magnetis pada besi. Ferit terbentuk pada suhu dibawah 912 oC melalui pendinginan austenit yang lambat. Ferit memiliki nilai kekerasan 70 – 100 BHN
(Brinell Hardness Number). Memiliki struktur body - centered cubic ii. Austenit (besi γ)
Terbentuk dibawah suhu 1394 oC. Memberikan sifat liat, namun dapat
memisahkan karbon. Berstruktur face - centered cubic
iii. Besi delta (δ)
Fasa ini terbentuk ketika suhu pembekuan logam cair mencapai angka 1538 oC. Memiliki struktur body - centered cubic
iv. Besi karbida (sementit)
Struktur fasa ini merupakan senyawa karbon (6,67 %) dan besi (93,3 %) dengan struktur kimia Fe3C. Sementit bersifat keras dengan nilai kekerasan 65 – 68 RHN (Rockwell Hardness Number), namun juga menambah kerapuhan pada besi. Besi karbida banyak digunakan sebagai bahan paduan pahat HSS (high speed steel) karena ketahanan ausnya
Gambar 2.12 Kiri ke kanan : body centered cubic[9] dan face centered cubic[10]. Panah menunjukkan titik kisi (lattice point)
Besi tuang memiliki 6 jenis : besi tuang kelabu, besi tuang tempa, besi tuang bergrafit bulat, besi tuang dicil, besi tuang mutu tinggi dan besi tuang kelabu paduan.
Besi tuang kelabu memiliki warna keabuan dan memiliki struktur mikro berupa ferrite ataupun perlit dan serpihan karbon getas. Besi tuang ini memiliki kekuatan tensil 10-30 kgf/mm2, namun bersifat agak getas. Titik leburnya mencapai 1200 oC dan memiliki kemampuan cor yang baik sehingga banyak dipakai sebagai bahan baku pengecoran.
Besi tuang tempa terbuat dari besi tuang putih yang dilunakkan didalam tanur dalam waktu lama. Warna putih tersebut diberikan oleh struktur sementit. Melalui proses penempaan, sifat rapuh yang diberikan sementit berubah menjadi liat.
Besi tuang kelabu paduan memiliki unsur – unsur paduan (seperti krom, nikel, molibdenum, vanadium, titanium dan sebagainya) dan grafit. Secara umum, strukturnya stabil sehingga memiliki sifat – sifat yang lebih baik dibanding besi tuang paduan biasa.
Besi tuang bergrafit bulat dibuat dengan memadukan magnesium, kalsium atau serium kedalam cairan logam sehingga grafit bulat akan mengendap. Besi tuang ini memiliki kekuatan, keuletan, ketahanan aus dan ketahanan panas yang lebih baik dibanding besi tuang kelabu.
Besi tuang cil merupakan besi tuang putih yang bagian dalamnya terdiri dari struktur dengan endapan grafit. Keuletan dan ketahanan aus permukaannya sangat baik.
Besi tuang mutu tinggi mengandung lebih sedikit karbon dan silikon serta ukuran grafit bebasnya lebih kecil dibanding besi tuang kelabu sehingga memiliki kekuatan tensil 30-50 kgf/mm2.
Besi tuang digunakan untuk membuat komponen – komponen berikut : i. Komponen mobil : blok silinder, tutup silinder, poros engkol ii. Mesin perkakas : meja, pegangan, kursi
iii. Komponen mesin : katup, sambungan pipa, kopling, roda gigi iv. Mesin hidrolik : runner turbin, pompa, rumah pengalir
v. Mesin listrik : rumah motor, rangka motor
vi. Mesin cetak, pipa dan sebagainya b. Baja tuang (cast steel)
Baja tuang terdiri atas baja karbon dan baja paduan. Baja karbon terdiri atas baja karbon rendah (C < 0,2 %), baja karbon menengah (C = 0,2 – 0,5 %) dan baja karbon tinggi (C > 0,5 %). Kadar karbon yang rendah menyebabkan kekuatan (strength) rendah, perpanjangan (elongation) yang tinggi, harga bentur yang tinggi dan kemampuan las yang baik. Baja tuang memiliki sifat getas jika tidak mendapat perlakuan panas (heat treatment) sehingga memerlukan pelunakan untuk membuatnya menjadi ulet.
Baja tuang memiliki titik lebur berkisar pada 1500 oC dan sifat mampu cor yang lebih buruk dibanding besi tuang. Walaupun begitu, baja tuang lebih cocok dipakai pada berbagai bagian mesin karena ketahanannya.
Untuk memperbaiki sifatnya, baja tuang dapat dicampur dengan paduan –
paduan seperti khrom, molybdenum, vanadium dan lain lain. Salah satu perbaikan sifat yang sering diinginkan adalah ketahanan karat.
Baja tuang digunakan untuk membuat komponen – komponen berikut : i. Bagian – bagian mesin yang harus tahan lama
ii. Bagian kereta api : rangka, kopling
iii. Mesin pemindah bahan : backhoe, forklift, crane
iv. Mesin hidrolik : runner turbin, poros generator, pompa
v. Bagian kapal : kerangka, rudder, lambung
vi. Mesin pertambangan : mata bor
c. Paduan tembaga
Paduan tembaga digolongkan atas : perunggu, kuningan, perunggu aluminium dan sebagainya.
Perunggu adalah paduan tembaga dan timah. Titik leburnya mencapai 1000
oC dan kemampuan cornya hampir sama baiknya dengan besi tuang. Sifat
tahan karat dan tahan ausnya baik sehingga cocok dipakai pada bagian –
bagian mesin. Perunggu dibagi menjadi 2 macam : perunggu fosfor yang ketahanan ausnya diperbaiki penambahan fosfor, dan perunggu timbal yang cocok sebagai bahan bantalan.
Kuningan merupakan perpaduan tembaga (cuprum / Cu) dan seng (zinc / Zn). Logam ini dapat dilebur dengan tungku krus (crucible) dan tungku induksi frekuensi rendah. Menurut Ir. Tata Surdia dan Dr. Kenji Chijiiwa, titik lebur kuningan menurut 3 jenis persen paduan umum tercantum pada Tabel 2.3 berikut :
Tabel 2.3 Titik lebur dari 3 jenis persen paduan kuningan
Persen paduan (Cu / Zn) Titik lebur (oC)
85 % / 15 % 1150 – 1200
70 % / 30 % 1080 – 1130
60 % / 40 % 1030 – 1080
Sementara diagram fasa berikut menunjukkan titik titik lebur logam kuningan menurut persen Zn :
Gambar 2.13 Diagram fasa kuningan menurut persen Zn [19]. Garis merah menunjukkan titik pembekuan (Cu 60% / Zn 40%)
Kuningan memiliki alotrofi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.13 diatas :
i. Kuningan alpha (α)
Memiliki kandungan seng sebesar < 35 %. Bersifat mampu tempa dan dapat dikerjakan dingin (cold working)
ii. Kuningan alpha + beta (α+β)
Kandungan seng berkisar 35 % - 45 %. Sering disebut kuningan duplex. Bersifat lebih keras dibanding kuningan alpha, karenanya biasa dikerjakan panas (hot working)
α β α + β γ e h (Zn) γ + e ε + η δ + L L+γ L+β δ
iii. Kuningan beta (β)
Kandungan seng 45 % - 50 %. Bersifat lebih keras dibanding kedua jenis sebelumnya sehingga hanya bisa dikerjakan panas. Cocok untuk pengecoran logam
iv. Kuningan putih
Kandungan seng > 50 %. Bersifat terlalu rapuh untuk dapat digunakan Semakin besar kandungan tembaganya, maka warna kuningan tersebut semakin kemerahan.
Kuningan dengan kekuatan tinggi mampu dihasilkan melalui perpaduan tembaga, aluminium, besi mangan, nikel dan sebagainya. Namun, perpaduan ini memerlukan peleburan dengan tungku krus atau tungku nyala api berbahan bakar minyak kasar atau arang.
Kuningan memiliki sifat mampu tempa yang lebih baik dibanding perunggu. Sifat liatnya membuat kemampuan mengalirnya sangat baik saat dalam wujud cair yang akhirnya membuat sifat mampu cornya bagus.
Kuningan tidak memiliki sifat feromagnetis (sifat material yang mengakibatkan material tersebut mudah berinteraksi dengan sifat magnetis disekitarnya) sehingga ketika didaur ulang, zat pengotor besi dapat disingkirkan dengan menempatkan magnet yang kuat disekitar kuningan yang hendak didaur ulang.
Sifat tahan korosi dan kekuatan kuningan dapat ditingkatkan dengan penambahan aluminium. Dalam meningkatkan ketahanan korosi, aluminium tersebut menciptakan lapisan aluminium oksida (Al2O3) yang keras di
permukaan kuningan. Lapisan ini tipis, transparan dan mampu memperbaiki diri sendiri (self healing). Ketahanan korosi dari air laut dapat diperoleh melalui penambahan timah.
Aluminium perunggu merupakan logam paduan yang memiliki sifat – sifat ketahanan aus dan korosi yang baik.
i. Bagian mesin : bantalan, rumah katup, busi ii. Mesin hidrolik : pompa, runner turbin iii. Bagian kapal : propeller
d. Paduan ringan
Logam paduan ringan terdiri atas paduan aluminium, magnesium, silikon dan sebagainya dengan karakteristik umum berupa berat yang tergolong ringan.
Perpaduan aluminium silikon (dinamakan silumin) dimaksudkan untuk meningkatkan kekerasan aluminium. Gambar 2.14 berikut menunjukkan diagram fasa silumin :
Gambar 2.14 Diagram fasa silumin [16]
Pada diagram diatas terdapat titik eutektik (panah merah), yakni suhu pembekuan paduan (dalam hal ini aluminium dan silikon) yang paling rendah dibanding dengan suhu pembekuan pada persen berat komposisi lainnya untuk jenis paduan yang sama.
Paduan aluminium silikon memiliki aplikasi yang luas dalam industri. Salah satu produk aluminium silikon ialah kemasan kaleng untuk makanan sehingga kebutuhan akan paduan ini cukup tinggi.
Aluminium merupakan logam yang memiliki sifat mekanis dan mampu cor yang buruk, sehingga perlu diperbaiki dengan penambahan paduan seperti silikon, magnesium, tembaga dan lain – lain. Secara umum, aluminium paduan memiliki sifat penghantar panas yang baik serta beratnya yang ringan.
Paduan ringan digunakan untuk membuat komponen – komponen berikut : i. Bagian pesawat terbang : propeller, sayap, body, ekor
ii. Perkakas rumah tangga : piring, gelas, sendok
iii. Bagian kapal : propeller
e. Paduan lain
Contoh – contoh paduan ini ialah monel yang merupakan paduan nikel dan tembaga, serta hasteloy yang mengandung molibdenum, khrom dan silikon. Selain keduanya, terdapat juga paduan timah, tembaga dan stibium.
2.4.5 Cetakan (mold)
Cetakan adalah komponen pengecoran logam yang berfungsi sebagai pemberi bentuk produk pada logam cair. Berkat kemampuan mengalirnya, logam cair yang memasuki cetakan akan menyebar memenuhi rongga cetakan (mold cavity) yang memiliki bentuk produk. Proses pembekuan menyebabkan logam cair mengeras sehingga bentuknya didalam rongga cetakan dapat dipertahankan.
Cetakan untuk pengecoran logam biasanya terdiri dari 2 bagian yang disebut
cope dan drag. Kedua bagian ini masing – masing memiliki sebagian dari bentuk rongga cetakan, dan keduanya harus disatukan saat penuangan berlangsung dan dibiarkan demikian hingga logam cair membeku dan menjadi produk. Setelah logam cair membeku, keduanya dipisahkan untuk mengeluarkan produk. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa cetakan dibuat demikian untuk mempermudah pengeluaran produk yang telah dicor.
Selain elemen – elemen diatas, sebuah cetakan juga memiliki saluran – saluran untuk mengalirkan logam cair ke dalam rongga cetakan. Berikut ini adalah beberapa elemen yang dapat dimiliki oleh sebuah cetakan :
a. Pouring cup : lubang tempat memasukkan logam cair b. Riser : tempat penampungan logam cair, digunakan
untuk memastikan bahwa seluruh mold cavity
terisi logam cair
c. Mold Cavity : rongga cetakan berbentuk pola produk
d. Cope : bagian atas cetakan
e. Core : bagian pembentuk rongga produk
f. Flask : pembungkus cetakan
g. Drag : bagian alas cetakan
h. Gating system : saluran masuk menuju mold cavity
i. Runner : saluran menuju riser dan mold cavity
j. Downsprue : saluran turun menuju runner
Gambar 2.15 Bagian – bagian cetakan
Berdasarkan ketahanan cetakannya, pengecoran logam dibedakan menjadi 2 jenis, yakni :
a. Cetakan permanen
Cetakan ini tidak mudah rusak karena terbuat dari bahan – bahan yang keras seperti logam, namun bahan tersebut harus memiliki titik lebur yang lebih tinggi dibanding titik lebur logam cair yang akan memasukinya agar tidak ikut melebur bersama logam cair tersebut. Pembuatan cetakan permanen umunya dilakukan dengan proses pemesinan. Material logam yang umum dicor dengan cetakan ini ialah campuran aluminium, magnesium dan tembaga. Contoh – contoh proses pengecoran dengan cetakan permanen ialah die casting, centrifugal casting, semi-solid metal casting dan
continuous casting. Kelebihan cetakan permanen secara umum adalah sebagai berikut :
i. Karena ketahanannya, mampu digunakan berulang – ulang ii. Permukaan produk halus dan keakurasiannya relatif tinggi
iii. Cocok untuk produksi massal karena cetakan dapat dipakai berulang iv. Waktu produksi untuk sebuah produk relatif singkat
Gambar 2.16 Sebuah cetakan permanen untuk produk aluminium Kelemahan cetakan tidak permanen secara adalah sebagai berikut :
i. Tidak ekonomis untuk dipakai pada produksi yang berjumlah sedikit karena pembuatan cetakannya memerlukan waktu dan biaya yang tidak sedikit
ii. Logam cair yang dapat digunakan dibatasi oleh titik lebur bahan cetakan, misalnya baja tuang tidak dapat dicor dengan cetakan yang terbuat dari besi tuang
b. Cetakan tidak permanen
Cetakan tidak permanen dibuat dari bahan – bahan lunak seperti pasir, plastik dan lilin yang dicampur dengan bahan perekat sehingga mampu mempertahankan bentuknya. Cetakan ini harus dirusak untuk mengambil produk yang telah dicor sehingga tidak bisa digunakan berulang – ulang. Cetakan tidak permanen dibentuk dengan menggunakan pola (pattern) yang dibentuk dengan proses pemesinan dan proses lainnya. Contoh proses pengecoran dengan cetakan tidak permanen ialah sand casting (cetakan berbahan pasir), plaster mold casting (cetakan berbahan plaster), investment casting dan shell molding.
Kelebihan cetakan tidak permanen secara umum ialah : i. Kerusakan dapat diperbaiki dalam waktu relatif singkat ii. Tergolong ekonomis untuk produksi yang sedikit
iii. Pembuatan memerlukan waktu yang singkat dan pengerjaan yang tidak sesulit pemesinan
Kelemahan cetakan tidak permanen secara umum ialah :
i. Tidak cocok untuk produksi massal karena cetakan tersebut hancur saat produk yang selesai dicor diambil sehingga harus dibuat kembali ii. Karena mudah rusak, penempatan dan pemindahan harus dilakukan hati
- hati
iii. Hanya mampu membuat 1 buah produk