KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO BESI COR KELABU PADA PENGECORAN EVAPORATIVE DENGAN VARIASI UKURAN PASIR CETAK

13

KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO BESI COR KELABU PADA

PENGECORAN EVAPORATIVE DENGAN VARIASI UKURAN PASIR CETAK

Sutiyoko

1

, Lutiyatmi

2

1, 2

Jurusan Teknik Pengecoran Logam

Politeknik Manufaktur Ceper Klaten

E-mail : yoko_styk@yahoo.com

Abstrak

Pasir cetak memiliki peran penting dalam pengecoran logam. Komposisi, jenis dan ukuran masing-masing memberikan pengaruh terhadap kualitas hasil benda cor. Benda cor yang mengalami keropos mungkin dapat disebabkan oleh komposisi pasir cetak yang terlalu banyak air atau yang lain. Permasalahan ini harus dipelajari lebih mendetail pada tiap parameternya.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui kekerasan dan struktur mikro yang terjadi pada pengecoran evaporative dengan melakukan variasi pada ukuran butir pasir cetak. Penelitian ini menggunakan styrofoam dengan massa jenis 16 kg/m3, temperatur tuang sekitar 1370-1400 oC, mesin getar dengan amplitudo 3 mm, frekuensi 23 Hz, lama penggetaran 120 detik dan ukuran mesh pasir yang digunakan adalah -12/+20, -20/+30, -30/+40 dan -40/+50. Pola styrofoam dibuat dengan lebar 10 mm, tebal 4 mm.

Kekerasan besi cor kelabu mengalami penurunan dengan semakin meningkatnya ukuran mesh pasir, dengan kata lain semakin kecil ukuran pasir maka benda cor akan semakin lunak. Permeabilitas pasir semakin kecil dengan mengecilnya ukuran pasir. Hal ini menyebabkan udara lebih lama tertahan di dalam cavity sehingga pembekuan cairan lebih lama. Pembekuan cairan yang lebih lama memberikan kesempatan silikon untuk melepas karbon dari besi untuk membentuk grafit. Semakin banyak terbentuk grafit maka kekerasan benda cor akan semakin menurun.

Kata kunci: styrofoam, pengecoran evaporative, besi cor kelabu

A. PENDAHULUAN

Styrofoam dapat digunakan sebagai

pola dalam pengecoran logam. Pola berbahan

styrofoam ditanam dalam pasir silika yang

berada

dalam

kotak

cetakan

tanpa

menggunakan bahan pengikat. Cairan akan

mengisi pola yang terbuat dari styrofoam.

Pola mengalami pencairan dan penguapan

saat cairan masuk. Metode pengecoran ini

dipatenkan oleh Shroyer pada tahun 1958

(Kumar dkk, 2008). Pemadatan cetakan

dilakukan

dengan

penggetaran

cetakan

dengan frekuensi dan amplitude tertentu.

Beberapa

pola

dapat

dilakukan

pengecoran dengan dirangkai dalam satu

sistem saluran. Pola yang telah terangkai

dengan sistem saluran diistilahkan dengan

cluster (Brawn, 1992). Pola dan sistem

saluran dilakukan pelapisan (coating) dengan

cara dimasukkan ke larutan pelapis dari

bahan tahan panas (refractory) atau larutan

refractory tersebut langsung dicatkan pada

pola dan sistem saluran lalu dikeringkan.

Penambah, pengalir dan saluran masuk

ditempatkan pada tempat yang diperlukan

(Butler, 1964).

Kelebihan

pengecoran

evaporative

diantaranya

proses

perbersihan

dan

pemesinan dapat dikurangi secara dramatis

(Kumar dkk, 2007). Pencemaran lingkungan

karena emisi bahan-bahan pengikat dan

pembuangan pasir dapat dikurangi karena

tidak menggunakan bahan pengikat dan pasir

dapat langsung digunakan kembali (Kumar

dkk, 2007).

Tsai dan Chen (1988), Hirt dan

Barkhudarov

(1998),

Liu

dkk (2002)

menentukan koefisien perpindahan panas

konstan pada pertemuan antara logam cair

dan

styrofoam.

Mereka

menghitung

kecepatan aliran

cairan

muka

dengan

menghubungkan fluks panas yang diperloleh

terhadap energi dekomposisi styrofoam.

Wang dkk (1993) dan Gurdogan dkk (1996)

mengasumsikan kecepatan aliran

muka

cairan

sebagai

fungsi

linier

terhadap

14

temperatur dan tekanan logam dengan suatu

koefisien empiris yang diperoleh dalam

percobaan pengisian cairan satu dimensi.

Urutan pengisian cetakan pada pengecoran

lost foam berbeda dengan pengecoran

konvesional. Konsekuensinya porositas pada

pengecoran lost foam lebih tinggi dari

pengecoran biasa karena pola yang terbakar

saat cairan dimasukkan (Kim dan Lee, 2007).

Pasir cetak dapat digunakan secara

terus menerus selama masih mampu menahan

temperatur cairan ketika dituangkan (Lal,

1981). Penggunaan pasir yang mahal seperti

pasir zirkon dan kromite dapat dilakukan

untuk mendapatkan tingkat reklamasi pasir

yang tinggi (Clegg, 1985). Perubahan bentuk

pasir

dari

angular

ke

rounded

akan

menaikkan densitasnya sekitar 8-10% (Hoyt

dkk, 1991). Densitas pasir cetak dapat

ditingkatkan

dengan

digetarkan.

Pasir

leighton buzzard dapat dinaikkan densitasnya

sebesar 12,5% dengan digetarkan (Butler,

1964). Kekuatan cetakan pasir ditentukan

oleh resistansi gesek antar butir pasir.

Kekuatan cetakan pasir akan lebih tinggi jika

menggunakan pasir dengan bentuk angular

walaupun jika menggunakan bentuk rounded/

bulat akan memberikan densitas yang lebih

tinggi (Dieter, 1967; Green, 1982)

Pasir cetak yang memiliki ukuran lebih

kecil akan menyebabkan waktu pengisian

logam cair ke dalam cetakan akan lebih lama.

Kecepatan penuangan semakin besar dengan

bertambahnya ukuran pasir cetak (Sands dan

shivkumar, 2003). Hal ini karena

rongga-rongga antar pasir akan semakin kecil dengan

mengecilnya ukuran pasir sehingga gas hasil

degradasi lebih sulit keluar melalui pasir.

Ukuran butir pasir yang dipilih tergantung

pada kualitas dan ketebalan lapisan coating.

Ukuran butir pasir AFS 30-45 menjamin

permeabilitas yang baik untuk pola yang

terdekomposisi menjadi gas dan cairan

(Acimovic, 1991). Pada pengecoran

Al-7%Si, ukuran pasir cetak memiliki faktor

dominan dalam menentukan nilai tegangan

tarik dan elongasi benda cor (Kumar dkk,

2008). Pemilihan jenis pasir cetak dan

metode pemadatan sangat penting untuk

mendapatkan permeabilitas yang tepat dan

mencegah deformasi pola.

Perbedaan

ukuran

pasir

akan

mempengaruhi karakteristik hasil benda cor

dengan pengecoran evaporative. Penelitian

ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik

kekerasan dan struktur mikro dari pengecoran

evaporative jika menggunakan ukuran pasir

berbeda.

B. METODOLOGI

Penelitian ini menggunakan pola dari

bahan styrofoam dengan massa jenis 16

kg/m

3

. Pola dipotong dengan ukuran panjang,

300 mm, lebar 10 mm dan tebal 4 mm. pola

dirangkai menjadi satu dengan empat cabang

seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Pola benda cor

Pola dimasukkan dalam kotak cetakan

yang telah diisi pasir pada keempat sisinya

dengan ukuran pasir berbeda. Pasir diisikan

pada awalnya sebagai landasan/ dasar agar

cairan tidak mengenai kotak cetakan. Pola

diletakkan diatasnya dan ditimbun dengan

pasir yang sesuai dengan ukurannya untuk

setiap sisi. Ukuran pasir yang digunakan

adalah 12/+20, 20/+30, 30/+40 dan

-40/+50. Pengertian -12/+20 adalah pasir

tesebut dapat lewat pada mesh 12 tetapi tidak

dapat lewat pada mesh 20. Pada sekitar

daerah saluran turun dibuat pembatas dari

cetakan CO

2

agar tidak tercampur antara

ukuran pasir yang satu dengan yang lain

seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

15

Gambar 2. Cetakan yang telah diisi pasir

dengan ukuran berbeda

Cetakan

yang

telah

terisi

pasir

dilakukan pemadatan dengan penggetaran

pada mesin getar. Penggetaran dilakukan

selama 120 detik dengan amplitude 3 mm.

bahan besi cor adalah campuran dari sekrap

baja karbon rendah dan besi cor.

Pencairan

dilakukan

dengan

menggunakan tanur induksi kapasitas 40 kg.

cairan dituang pada suhu sekitar 1375

o

C.

sebelum dilakukan penuangan, pengukuran

karbon

ekuivalen

dilakukan

untuk

mengetahui kandungan karbon dan silicon

dalam cairan.

Pengujian kekerasan dilakukan dengan

memotong specimen pada jarak 20 mm dari

pangkal dan dipotong sepanjang 30 mm.

setiap

specimen

dilakukan

pengukuran

kekerasan sebanyak 5 titik dan diambil

rata-ratanya. Jenis kekerasan yang digunakan

adalah kekerasan Rockwell dengan indentor

berbentuk cone (HRC). Srtuktur mikro juga

diambil dari perwakilan specimen untuk

setiap ukuran pasir dan dilakukan foto

sebelum dan setelah dietsa. Hasil data

dilakukan analisa pada kekerasan dan

struktur mikronya.

.

C. HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses

Pengujian

kekerasan

benda cor dilakukan dengan mengambil

rerata dari lima titik pada setiap

specimen. Hasil pengukuran kekerasan

benda cor ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Kekerasan benda cor pada

beberapa ukuran pasir cetak

Berdasarkan Gambar 3, kekerasan

benda cor cenderung semakin berkurang

dengan meningkatnya ukuran mesh pasir

atau

ukuran

pasir

semakin

kecil.

Penurunan kekerasan ini dipengaruhi oleh

kecepatan pendinginan pada ukuran pasir

berbeda. Ukuran pasir yang semakin kecil

menyebabkan celah antar pasir semakin

kecil. Kecilnya celah ini mengurangi

jumlah kontak cairan dengan udara yang

berada diantara pasir atau jumlah cairan

yang kontak dengan pasir lebih banyak.

Kecepatan panas mengalir melalui pasir

lebih lambat jika dibandingkan dengan

udara. Hal ini menyebabkan cairan lebih

lama membeku pada cetakan dengan

ukuran pasir lebih kecil.

Pendinginan yang lebih lama

menyebabkan kesempatan terbentuknya

grafit pada besi cor kelabu semakin besar.

Semakin banyak terbentuk grafit akan

menyebabkan

kekerasan

semakin

menurun karena grafit lebih lunak

dibandingkan sementit.

Pengujian

struktur

mikro

dilakukan pada beberapa sampel yang

menggunakan ukuran pasir berbeda.

Pengukuran jumlah grafit yang terbentuk

belum dapat diuraikan dengan angka

pasti. Namun, nilai kekerasan yang

semakin berkurang dengan meningkatnya

ukuran mesh pasir menunjukkan jumlah

grafit yang terbentuk semakin banyak.

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 -12/+20 -20/+30 -30/+40 -40/+50 K ek e ra sa n (H R C )

16

Foto struktur mikro hasil pengujian

ditunjukkan pada Gambar 4 untuk yang

sebelum dietsa dan Gambar 5 untuk yang

setelah dietsa.

Gambar 4. Struktur mikro besi cor kelabu

pada ukuran mesh pasir yang berbeda

(sebelum dietsa)

Gambar 5. Struktur mikro besi cor kelabu

pada ukuran mesh pasir yang berbeda

(setelah dietsa)

Berdasarkan

Gambar

4

banyak

terbentuk grafit pada semua jenis ukuran

pasir. Struktur ferit dan perlit juga banyak

terbentuk pada keempat struktur mikro

setelah dietsa. Kemungkinan jumlah grafit

yang

terbentuk

juga

semakin

banyak

berdasarkan nilai kekerasannya. semakin

kecil ukuran pasir maka celah antar pasir

semakin kecil dan menyebabkan cairan

pendinginan cairan lebih lama. Semakin lama

pendinginan

besi

cor

kelabu

maka

kesempatan lepasnya grafit dari sementit

semakin besar sehingga grafit yang terbentuk

semakin banyak.

.

D. KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari

penelitian ini adalah semakin kecil ukuran

pasir maka kekerasan benda cor akan

semakin menurun, dan kemungkinan grafit

yang terbentuk juga semakin banyak.

Pengukuran secara nomimal jumlah grafit

ataupun perlit/ sementit yang terbentuk

belum dapat dilakukan secara eksak karena

terbatasnya

alat

yang

dimiliki

dalam

pengukuran ini.

DAFTAR PUSTAKA

American

Foundrymen's

Society,1974,

Analysis of Casting Defects, Amerika.

Acimović, Z., 1991, Influence of the relevant

technological parameters on the quality

of the castings obtained by the Lost

foam process, PhD tesis, Faculty of

Technology and Metallurgy, Belgrade.

Brown, J. R., 1992, The lost foam casting

process, Metallurgy Material, Vol. 8,

pp. 550–555.

Butler, R. D., 1964, The full mold casting

process, British Foundrymen, pp. 265–

273.

Clegg, A. J., 1985, Expanded polystyrene

molding, Foundry Trade Journal, pp.

177–196.

Dieter, H. B., 1967, Sand without binder for

making full mold castings, Modern

Casting, Vol. 51, pp. 133–146.

Green, G. A., 1982, Superior castings and

improved

environment

from

V

process, Castings Vol. 28, pp. 30–36.

Gurdogan, O., Huang, H., Akay, H. U.,

Fincher, W. W., Wilson, V. E., 1996,

Mold- lling analysis for ductile iron

lost

foam

castings,

American.

Foundryman Society Transaction, Vol.

104, pp. 451–459.

Hirt, C. W., Barkhudarov, M. R., 1998, Lost

foam casting simulation with defect

prediction, in: B.G. Thomas, C.

Beckermann (Eds.), Modeling of

17

Welding,

Casting

and

Advanced

Solidi cation Processes VIII, TMS,

Warrendale, pp. 51–57.

Hoyt, D. F., Dziekonski, P., 1991, Sand

properties and their relationship to

compaction for the expandable pattern

casting

process,

American.

Foundryman Society Transaction, Vol.

99, pp. 221–230.

Kim, K., and Lee, K., 2005, E

ff

ect of Pro

cess Parameters

on Porosity in

Aluminum

Lost

Foam

Process,

Journal Material Scipta Technology,

Vol. 21 No.5, pp. 681-685.

Kumar, P. and Shan, H.S., 2008, Optimation

of Tensile Properties of Evaporative

Casting Process through Taguchi’s

Method,

Journal

of

Materials

Processing Technology, Vol. 204, pp.

59-69.

Kumar, S., Kumar, P., Shan, H. S., 2007,

Effect of evaporative pattern casting

process parameters on the surface

roughness of Al–7% Si alloy castings,

Journal

of

Materials

Processing

Technology, Vol. 182, pp. 615–623.

Lal, S., Khan, R. H., 1998, Current status of

vacuum

sealed

molding

process,

Indian Foundry Journal, Vol. 27, pp.

12–18.

Liu, Z., Hu, J., Wang, Q., Ding, W., Zhu, Y.,

Lu, Y., Chen, W., 2002, Evaluation of

the effect of vacuum on mold lling in

the magnesium EPC process, Journal

Material Processing Technology, Vol.

120, pp. 94–110.

Sand, S., Shivkumar, S., 2003, In uence of

coating thickness and sand neness on

mold lling in the lost foam casting

process, Journal of Materials Science,

Vol. 38, pp. 667– 673.

Tsai, H. L., Chen, T. S., 1988, Modeling of

evaporative pattern process, Part I:

Metal ow and heat transfer during the

lling stage, American. Foundryman

Society Transaction, Vol. 96, pp. 881–

890.

Wang, C. M., Paul, A. J., Fincher, W. W.,

Huey, O. J., 1993, Computational uid

ow and heat transfer during the EPC

process,

American.

Foundryman

Society Transaction, Vol. 101, pp.

897–904.