UNIT 3
JENIS-JENIS PROSES PENGECORAN
Bandung, 2009
3.1 Pendahuluan
Pengecoran logam telah ada pada awal 4000 SM. di mana pada awal perkembanganya proses pengecoran logam yang telah dilakukan adalah pengecoran emas dan tembaga karena logam tersebut mudah dibentuk dan ditempa pada temperatur kamar dan sangat diminati pada masa itu. Ahli sejarah memprediksikan bahwa tembaga salah satu logam pertama yang dibentuk melalui proses pengecoran dan diproses tempa untuk dibuat bentuk-bentuk tertentu, dalam perkembangan teknologi pengecoran logam secara tidak sengaja terjadi reduksi bijih tembaga yang dibentuk dengan dipukul-pukul (ditempa) hingga terbentuk suatu bentuk benda yang dapat dipergunakan seperti perhiasan, senjata, alat makan dan lain-lain. Hal ini terjadi pada peradaban mesopotamia dan teknologi pengolahan logam ini tersebar keberbagai penjuru dunia. Inovasi yang sangat signifikan dalam proses pengecoran logam adalah proses pemaduan logam, dan yang pertama dipadukan adalah tembaga dan tin (timah) hingga terbentuk suatu paduan perunggu (bronze) dan paduan ini lebih banyak diminati dan lebih luas lagi penggunaanya pada zaman perunggu (bronze age) selama kurang lebih 2000 tahun di mesir.
Gambar 3.1 Patung dewa zeus coran perunggu dari Artemision, Canada 500 tahun SM.8)
Pada perkembangan selanjutnya proses pengecoran logam menjadi lebih maju hingga produk hasil pengecoran semakin bervariasi seperti pembuatan bell yang diteruskan menjadi meriam (cannon) dan yang pertama dibuat di Ghent, Belgia pada tahun 1313 oleh seorang pendeta keagamaan yang membuat cannon berbahan perunggu
dengan menggunakan bore yang selanjutnya menggunakan suatu inti dan untuk akurasi penembakan proyektil peluru maka cannon tersebut diproses pemesinan yang disebut boring. Pada tahun 1550 di eropa di buat cannon pertama yang terbuat dari besi cor, dan peluru yang dibuat dari bahan yang sama mulai dibuat tahun 1568. namun, produk- produk tersebut hanya untuk kepentingan militer. Pada awal abad ke-16 hingga 17 dibuat produk cor seperti kompor dan pipa air yang terbuat dari besi cor dibuat untuk masarakat sipil. Hingga tahun 1700-an kompor dari besi cor adalah salah satu produk industri cor yang dianggap paling menguntungkan. Suksesnya nilai komersial dari kompor ini mengakibatkan seni dan teknologi pengecoran semakin berkembang pesat. Teknologi baru yang dirintis pada akhir tahun 1800 oleh O. Mergenthaler dan pertama dipatenkan oleh H. Doehler pada tahun 1905 yaitu Die-casting yang selanjutnya dikembangkan oleh E. Wagner tahun 1907 dengan desain Hot-chamber untuk membuat perlengkapan perang dunia ke-1 dengan membuat masker dan teropong (frame binocular). Data sejarah yang membuktikan bahwa metal casting telah dimulai 4000 tahun Sebelum Masehi dan bahwa logam untuk pertama kali digunakan didaerah laut Hitam yang terkenal dengan nama Eurasiatic step Belt, pegunungan Carpatin Rusia. Ringkasan dari sejarah proses pengecoran ini adalah sebagai berikut:
Emas merupakan logam yang pertama kali mendapat perhatian, disusul oleh tembaga (Cu) dan adalah logam yang pertama kali di cor. Setelah itu diketahui bahwa Cu sering tercampur dengan logam lain yang membuatnya lebih keras dan dikenal dengan nama perunggu, yaitu campuran tembaga dan timah (Sn).
Cetakannya terbuat dari batu atau tanah liat (fire clay) untuk membuat benda seperti: kepala anak panah, kepala kapak, dan alat-alat pertanian yang sederhana.
Proses casting berpindah kearah timur ke kawasan Orient, terus berkembang sampai ± 10 abad. Produk-produk benda seni yan rumit dan halus menunjukkan bahwa mereka sudah mengenal Lost Wax Technique. Jenis cetakan yang dipakai adalah cetakan batu tertutup, sectional Loam Mold. Pengrajin-pengrajin Cina memperoleh keahlian dalam pembuatan bronze casting dan pengetahuan ilmu metalurgi
Besi (Fe) di temukan 2000 BC. Pada awalnya di hasilkan dari bijih besi yang direduksi, kemudian dicampur dengan slag menjadi bentuk bola lalu ditempa.
Bangsa Cina dikenal telah dapat men-cor besi ± 600 BC.
Di India cast crucible steel pertama kali di buat pd thn ± 500 AD, proses tersebut kemudian menghilang dan baru di temu-kenali lagi oleh Benyamin Huntsman, di Inggris pada thn 1750.
Setelah berkembang kearah timur, proses casting berpindah kembali kearah barat ke daerah Timur Dekat (Near East), cekungan Mediterranean dan sisa daratan Eropa lainnya.
Bangsa Mesir mempebaiki apa yang telah dicapai oleh bangsa Cina. mereka mempunyai andil dalam menemukan proses lost wax untuk membentuk benda- benda coran. Penggunaan cope & drag, core molding, muncul pada awal pengembangan ‘Egyptian Artisan’ tentang metal casting.
Sampai ± abad ke 14 di Eropa logam besi belum dapat dibuat dengan proses cor.
Pada awal abad ke-13 perhatian utama para foundryman adalah membuat lonceng- lonceng gereja dengan proses yang di kenal dengan nama Loam Moulding/ Sweep Molding.
Tahun 1313, meriam pertama di buat di kota Ghent, Belgia oleh para Monk.
Benda-benda dan patung-patung artistik dibuat di Itali oleh Benvenuto
Cellini, yang memakai proses Loam Moulding yang dikombinasikan dengan lost- wax process.
Vannoccio Biringuccio(1480-1539), foundryman ‘tulen’ pertama yang pantas disebut sebagai Bapak ‘Foundry Industry’. Pada 1538 beliau menjadi kepala
‘Papal Foundry’ di Roma dan di kenal sebagai orang pertama yang mengejawantahkan keahliannya dalam bentuk tulisan secara detil. Bukunya yang berjudul ‘Pirotechnia’, tak disangsikan lagi dianggap sebagai buku yang mencakup semua aspek metalurgi dlm abad ke 16. Ketiga prinsip terpenting dalam membuat produk cor menurutnya adalah:
Making and arranging mold well
Smelting and liquefying the materials of the metals well, and
Making the composition of their association according to the result you wish to have.
1730, Abraham Darby, dari Coalbrookdale, Inggris mengawali pemakaian kokas sebagai bahan bakar utama dalam Iron-foundries.
1794, Cupola pertama didirikan, bentuknya seperti yang ada pada saat ini, oleh Wilkingson dari Inggris.
1642, Pabrik Pengecoran pertama di dirikan di Lynn, Massachusetts, Amerika ditepi sungai Saugus dan dikenal dengan nama ‘Saugus Iron Works’. Produk pertamanya dikenal dengan nama ‘Saugus Pot’.
1775, Paul Revere, mengoperasikan bell-and-fitting foundry di Boston, Amerika.
1847, Asa Whitney, dari Philadelphia, memperoleh paten dalam proses aniling roda mobil terbuat dari chilled-iron.
Baja cor untuk pertama kali di buat di India, dan kemudian di cor di Inggris, 1609.
1831, William Vickers dari Inggris berhasil membuat baja cor dari sekrap wrought-irondengan mencampurkan mangan oksida dan karbon.
1847, Krupp Works, di Jerman memproduksi senjata api terbuat dari baja
1818, baja cor dibuat dengan proses krusibel di pabrik cor Valley Forge
1865, Bessemer Converter pertama di dirikan di Troy, New York dengan menyandang nama Sir Henry Bessemer dari Inggris.
1870, Open-hearth furnace pertama didirikan di Amerika guna menunjang perkembangan industri baja cor.
Hingga saat ini proses pengecoran masih terus dikembangkan agar teknologi pengecoran semakin memiliki tingkat produktifitas tinggi dalam dunia industri pengolahan logam. Teknologi pengecoran yang terus di kembangkan antara lain, teknik pengecoran dengan vacuum process, continous casters dan proses pengecoran lainnya untuk peningkatan produktifitas pengecoran logam di industri.
3.2 Tinjauan Umum Proses Pengecoran
Apakah yang di maksud dengan Casting Process? Proses casting adalah proses pembentukan objek logam yang diperoleh dengan cara menuangkan logam cair kedalam cetakan berongga yang menyerupai bentuk benda yg di inginkan, dan membiarkannya membeku.
Proses pengecoran memiliki beberapa keuntungan dan kemampuan dalam proses manufaktur logam antara lain:
Mampu untuk membuat suatu komponen dengan bentuk geometri yang kompleks baik bentuk internal dan bentuk eksternalnya.
Proses pengecoran adalah salah satu proses manufaktur yang mampu menghasilkan produk yang telah memiliki bentuk seperti hasil akhirnya atau
mendekati hasil akhirnya, dan dapat dilajutkan dengan proses pemesinan untuk finishing-nya.
Pengecoran mampu memproduksi komponen dengan ukuran besar hingga memiliki berat lebih dari 100 ton hingga yang kecil dengan berat satu ons.
Pengecoran dapat dilakukan untuk banyak logam yang dapat dilakukan pemanasan hingga dalam keadaan cairnya.
Selain memiliki banyak keuntungan proses pengecoran juga memiliki beberapa kerugian antara lain terbatasnya target sifat mekanik yang ingin dicapai, porositas yang tinggi, akurasi dimensional yang jelek, dan memiliki tingkat bahaya yang cukup tinggi ketika memproses logam cair yang panas baik bagi manusia dan lingkungan.
Produk hasil pengecoran memiliki range ukuran dari mulai yang terkecil dengan berat hanya beberapa ons hingga produk berukuran besar dengan berat dalam ukuran ton.
Produk-produk tersebut antara lain adalah alat-alat dokter gigi, perhiasan, kompor bara kayu, blok mesin dan kepala silinder, frame mesin, rel kereta api, pipa dan rumah pompa.
Seluruh varietas logam baik ferrous dan non-ferrous dapat diproses cor. Suatu perlengkapan pabrikasi yang meliputi pembuatan cetakan, peleburan, pengontrolan logam cair hingga proses penuangan, dan finising biasa disebut foundry. Orang yang bekerja di pabrik pengecoran ini disebut dengan Foundrymen.
2.1 Pengecoran centrifugal
Pengecoran centrifugal adalah proses penuangan logam cair ke dalam cetakan yang berputar. Proses pengecoran ini dapat menghasilkan produk coran yang relatif bebas dari gas dan shrinkage porosity. Karena pengaruh dari gaya centrifugal hasil coran akan lebih padat, permukaan halus dan struktur logam yang dihasilkan akan memberikan sifat mekanik yang baik. Selain itu, pengotor yang memiliki berat jenis lebih rendah dibandingkan logamnya akan berkumpul di permukaan dalam dan dapat dibuang melalui proses pemesinan.
Sebuah mesin centrifugal casting harus dapat memenuhi empat operasi yang akurat dan dengan kemampuan yang dapat diulang – ulang:
1. Cetakan dapat berputar pada kecepatan yang telah ditentukan sebelumnya.
2. Harus ada sebuah alat untuk menuangkan logam cair pada cetakan yang berputar.
3. Ketika logam dituangkan, kecepatan pendinginan harus ditentukan di dalam cetakan.
4. Harus ada sebuah alat untuk mengeluarkan produk cor dari cetakan.
Pada proses penuangan, logam cair dapat dimasukan melalui salah satu ujung cetakan. Laju penuangan sangat bervariasi tergantung dari ukuran benda cor yang akan dibuat dan jenis logam yang digunakan. Apabila laju penuangan yang terlalu pelan akan menghasilkan formasi bertumpuk dan akan terbentuk porositas. Dan laju pembekuan yang sangat pelan merupakan salah satu penyebab terjadinya retakan ke arah longitudinal.
Pada temperatur pengecoran yang tinggi memerlukan kecepatan putar yang lebih tinggi untuk menghindari terjadinya sliding. Sedangkan pada temperatur pengecoran yang rendah menyebabkan permukaan bertumpuk dan porositas. Temperatur pengecoran juga mempengaruhi jumlah dari segregasi yang terjadi.
Kecepatan putar bervariasi pada setiap proses pengecoran. Proses putaran dapat dibagi menjadi tiga bagian :
a. Pada saat penuangan, cetakan diputar pada kecepatan yang cukup untuk melontarkan logam cair ke dinding cetakan.
b. Ketika logam mencapai ujung cetakan yang lain, kecepatan putar ditingkatkan.
c. Kecepatan putar dipertahankan konstan selama beberapa waktu sesudah penuangan, kecepatan konstan bervariasi sesuai dengan tipe cetakan, jenis logam cair dan ketebalan dinding yang dibutuhkan.
2.3 Jenis pengecoran centrifugal 2.3.1 Semi Centrifugal
Pada proses ini cetakan diisi penuh oleh logam cair dan biasanya diputar pada sumbu vertikal. Bila diperlukan dapat digunakan inti untuk menghasilkan produk cor yang berongga. Bagian tengah dari cetakan biasanya padat, akan tetapi strukturnya kurang padat dan memungkinkan adanya cacat inklusi.
Coran yang sulit dihasilkan melalui cara statis dapat dilakukan dengan metode ini, karena gaya centrifugal memasukan logam cair di bawah tekanan yang lebih tinggi jika dibandingkan pada pengecoran statis. Hal ini meningkatkan hasil coran secara menonjol (85-95%), benar-benar memenuhi lubang cetakan, dan menghasilkan coran berkualitas tinggi, bebas rongga dan porositas. Bagian coran yang lebih tipis dapat dibuat dengan metode ini dibanding dengan pengecoran statis. Aplikasi dari pengecoran semicentrifugal adalah untuk membuat gear blanks, pulley, roda, impelers dan rotor motor listrik.
2.3.2 Centrifuging
Centrifuging (pressure) memiliki aplikasi yang paling luas. Pada metode ini, lubang coran disusun disekitar pusat sumbu putaran seperti jari-jari roda, sehingga memungkinkan produksi coran lebih dari satu. Gaya centrifugal memberikan tekanan yang diperlukan logam cair seperti yang terdapat pada pengecoran semicentrifugal.
Metode pengecoran ini khususnya digunakan untuk memproduksi valve bodies, bonnet, plugs, yokes, bracketsdan banyak lagi pada industri pengecoran lainnya.
2.3.3 True centrifugal
True Centrifugal digunakan untuk menghasilkan coran turbular atau silindris dengan memutar cetakan pada sumbunya sendiri. Hasil coran memiliki pembekuan terarah atau pembekuan dari bagian luar coran menuju sumbu putaran (sumbu rotasi).
Pembekuan terarah ini menghasilkan coran berkualitas tinggi tanpa cacat penyusutan (shrinkage) yang merupakan penyebab utama cacat coran hasil cetakan pasir. Prosesnya sendiri biasanya secara vertikal atau horizontal.
a. Pengecoran centrifugal type horizontal.
Secara umum pengecoran centrifugal type horizontal digunakan untuk membuat produk seperti pipa, bushing, cylinder sleeves ( liner ), ring piston, roller, pulley, plat kopling. Produk coran dengan bentuk tidak silinder atau tidak simetris, tidak dapat dibuat dengan menggunakan proses ini.
Gambar 3.2 Mesin Horizontal Centrifugal Casting
b. Pengecoran centrifugal type vertical
Aplikasi dari pengecoran ini lebih luas jika dibandingkan dengan pengecoran centrifugal type horizontal. Selain dari produk berbentuk silinder, produk dengan bentuk yang tidak simetris dapat dibuat.
Gambar 3.3 Mesin vertical centrifugal casting.
2.3.4 Parameter pengecoran centrifugal
Parameter utama yang mempengaruhi kualitas coran adalah sebagai berikut:
a. Kecepatan putar.
Kecepatan putar dapat mempengaruhi struktur, umumnya efek dari peningkatan kecepatan putar dapat menaikkan penghalusan dan meningkatkan turbulensi. Sedangkan kecepatan putar yang sangat rendah akan menyebabkan logam cair menjadi tidak stabil.
Pengecoran centrifugal dengan cetakan pasir biasanya menggunakan kecepatan putar yang rendah dengan tujuan untuk mengurangi cacat erosi.
b. Temperatur penuangan.
Temperatur penuangan dapat mempengaruhi proses pembekuan yang terjadi dan struktur coran. Temperatur penuangan rendah akan menghasilkan butir halus dan equiaxial sedangkan pada temperatur penuangan tinggi akan menghasilkan bentuk butir columnar. Temperatur penuangan harus cukup tinggi untuk memastikan aliran logam cair dan bebas dari cold laps, menghindari struktur kasar dan hot tearing akibat kelebihan
superheat. Umumnya temperatur penuangan berkisar antara 500– 1000 C dari temperatur cair.
c. Kecepatan penuangan.
Tujuan utamannya adalah untuk mengatur kecepatan penuangan yang dibutuhkan sebelum logam cair membeku. Kecepatan penuangan yang terlalu tinggi menyebabkan turbulensi terlalu tinggi dan percikan logam cair sedangkan kecepatan penuangan yang rendah menghasilkan pembekuan yang terarah dan pengisian logam cair yang baik.
d. Temperatur cetakan.
Temperatur cetakan tidak begitu berpengaruh terhadap struktur coran. Yang berpengaruh adalah derajat ekspansi dari cetakan dengan pemanasan awal. Derajat ekspansi dapat mengurangi terjadinya tearing pada pengecoran true centrifugal.
2.4 Proses Die casting
Die casting merupakan permanent mold casting process, logam cair masuk ke dalam cetakan dengan cara diinjeksi atau ditekan dengan tekanan berkisar 7-350 MPa.
Tekanan dijaga sampai logam cair membeku dalam cetakan. Cetakan dalam proses pengecoran ini disebut dengan Die, oleh karena itu proses pengecorannya dinamai dengan Die casting. Penggunaan tekanan untuk mengalirkan logam cair ke dalam cetakan membedakan proses ini dengan proses pengecoran lain pada kelompok permanent mold casting.
Berdasarkan pada bagaimana logam cair diinjeksikan/ditekan ke dalam cetakan, die castingdibedakan atas:
1. Hot chamber process
Logam dicairkan dalam suatu wadah (chamber/pot) yang tergabung dalam mesin die casting, sebuah piston digunakan untuk menekan logam cair ke dalam cetakan dengan tekan yang tinggi, 7-35 MPa. Tekanan diberikan pada logam cair sampai dengan logam cair membeku di dalam cetakan. Proses ini umumnya digunakan untuk paduan logam dengan titik lebur rendah seperti: seng, timah dan timbal.
2. Cold chamber process
Logam dicairkan di luar mesin die casting dan dituang ke dalam wadah (chamber) yang tidak dipanaskan, digunakan sebuah piston untuk mengalirkan logam cair ke dalam cetakan dengan tekanan yang lebih tinggi antara 14-140MPa. Umumnya digunakan untuk paduan logam dengan titik lebur tinggi seperti: aluminium, magnesium dan tembaga.
