TI-2121: Proses Manufaktur

(1)

1

TI-2121: Proses Manufaktur

Dasar-dasar Pengecoran Logam

Laboratorium

LaboratoriumSistemSistemProduksiProduksi www.lspitb.org

www.lspitb.org

©

TI2121 - Proses Manufaktur - Minggu 2 2 Departemen Teknik Industri FTI-ITB

1. Hasil Pembelajaran

• Umum:

Memberikan mahasiswa pengetahuan yang

komprehensif tentang dasar-dasar proses pemesinan dan mesin perkakas, proses forming dan molding, metrology dan aplikasi terhadap kualitas produk dan analisis system manufaktur.

• Khusus:

(2)

2 Definisi

•

Pengecoran adalah proses penuanganlogam leburke dalamcetakan, kemudianmengeras sesuai dengan bentuk rongga cetakan

•

Contoh produk:

blok mesin, pipa, roda kereta api, kerangka mesin, perhiasan, mahkota gigi dll.

•

Kamus:

 Pengecoran = casting  Cetakan = mold

 Rongga cetakan = cavity mold  Logam = metal

 Pengerasan = solidification  Pabrik pengecoran = foundry  Penyusutan = shrinkage

(3)

3

TI2121 - Proses Manufaktur - Minggu 2 5

Peleburan Logam

(4)

4 Peleburan Logam

(5)

5 Pengecoran

(6)

6 Pembuatan Cetakan

(7)

7 Pembuatan Cetakan

(8)

8 Pembuatan Cetakan

(9)

9 Pembuatan Cetakan

(10)

10 Pembuatan Cetakan

(11)

11 Kemampuan dan Keuntungan Pengecoran

Pengecoran dapat membentuk komponen dengan

geometri eksternal/internal yang komplek Beberapa proses pengecoran dapat langsung

membentuk geometri akhir produk (net shape) sehingga tidak memerlukan proses manufaktur lainnya

Pengecoran dapat digunakan untuk membuat komponen yang sangat besar (>100 ton)

Proses pengecoran dapat dilakukan menggunakan berbagai jenis logam yang dapat dipanaskan hingga lebur (liquid state)

Beberapa metoda pengecoran cocok untuk produksi masal

Kekurangan

• Sifat menyerap/merembes (porosity)

• Keakuratan demensi geometrik dan kerataan

permukaan yang rendah

• Bahaya/resiko keselamatan kerja saat peleburan

logam

(12)

12 Proses Pengecoran (1)

• Cetakan memiliki rongga sesuai dengan

dimensi/bentuk komponen yang ingin dibentuk

• Dimensi rongga sedikit lebih besar untuk

mengkonpensasi penyusutan saat logam

mengalami proses pendinginan dan pengerasan

• Setiap logam memiliki karakteristik penyusutan

yang berbeda

• Bahan cetakan: pasir (sand), gips (plaster),

keramik (ceramic) dan logam (metal)

Proses Pengecoran (2)

• Tahapan pengecoran:

Logam dilebur pada temperatur tinggi hingga berubah menjadi zat cair

Logam cair dituangkan kedalam cetakan Logam cair dalam cetakan mengalami proses

pendinginan.

Seiring dengan menurunnya tempratur, logam akan mengeras.

Selama proses pengerasan terjadi perubahan fasa pada logam (membentuk karakteristik/properti hasil

pengecoran)

Jika pendinginan/pengerasan selesai, cetakan dilepas.  Proses lanjutan: trimming, cleaning, inspecting dan heat

(13)

13 Proses Pengecoran (3)

• Cetakan terbuka: berbentuk

kontainer

•

Cetakan tertutup: memerlukan saluran (passageway) menuju rongga

Proses Pengecoran (4)

• Klasifikasi proses pengecoran

 Cetakan habis pakai (expendable mold)

– Cetakan harus dirusak untuk mengeluarkan komponen hasil pengecoran

– Cetakan yang terbuat dari: pasir, gips atau yang menggunakan bahan-bahan perekat

 Cetakan permanen (permanent mold)

– Dapat digunakan berulang-ulang – Cetakan terbuat dari logam

– Cetakan terbuat dari dua atau lebih bagian yang dapat dibuka untuk mengeluarkan komponen cor

(14)

14 Cetakan Pasir

•

Rongga dibentuk menggunakan sebuah pola (pattern)

•

Pola terbuat dari kayu, plastik atau material lain berbentuk

komponen yang akan dicor

Pola membentuk geometri ekternal Inti (core) membentuk geomatri internal

•

Riser digunakan sebagai penampung (reservoir)

Untuk mengisi rongga akibat penyusutan

Dirancang agar logam lebur dalam riser mengalami pendinginan/pengerasan yang lebih lama daripada rongga cetakan

•

Pasir bersifat basah dan memiliki perekat untuk mempertahankan bentuk

•

Sifat porositas pasir memungkinkan udara dan gas (hasil reaksi logam lebur) yang terperangkap dalam rongga saat logam lebur dituang untuk keluar melalui dinding cetakan

Peleburan Logam

•

Energi panas yang

diperlukan:

Panas untuk menaikkan

temperatur hingga titik lebur

Panas fusi untuk merubah zat padat menjadi zat cair Panas untuk menaikkan logam lebur hingga temparatur penuangan yang diinginkan

(

)

(

)

{

}

3 o p o l f o o o m o s cm heated; being metal of volume V C re; temparatu pouring T C J/g-metal; liquid the of heat specific weight C J/g fusion; of heat H C re; temperatu starting T C re; temperatu melting T C J/g-metal; solid for the heat specific weight C g/cm3 density; J required; heat Total = = = = = = = = = − + + − = ρ ρ H V H

_C

_s

_T

_m

_T

_o

_H

_f

_C

_l

_T

_p

_T

_m

(15)

15 Penuangan Logam Lebur

• Faktor-faktor yang mempengaruhi kegiatan

penuangan:

Temperatur penuangan

– Menentukan jumlah penurunan temperatur yang diperlukan hingga logam mengeras

– Superheat: perbedaan antara temperatur penuangan dan temperatur saat logam mulai mengeras

Kecepatan penuangan

– Jika terlalu lambat, logam akan mengeras sebelum mengisi rongga

– Jika terlalu cepat, akan menimbulkan turbulensi

Turbulensi

– Kecepatan dan arah aliran fluida yang tidak menentu – Mempercepat terbentuknya oxida logam dan terperangkat

dalam proses pengerasan sehingga kualitas cor menurun – Menimbulkan erosi cetakan (mold erosion) sehingga

cetakan mudah terkikis/habis

Contoh Perhitungan Penuangan

• Diketahui:

Panjang sprue = 20cm Luas sprue = 2.5cm2

Volume rongga cetakan = 1560cm3

• Perhitungan:

Kecepatan penuangan:

Kecepatan volume penuangan:

Waktu penuangan:

s

cm

gh

v

=

2 =

2 (

981 )(

29 )

=

198 .

1 /

s

cm

vA

Q

=

(

2 .

5 )(

198 .

1 )

=

495

3

/

s

Q

V

MFT

=

1560

/

495 =

3 .

2

(16)

16 Pengerasan Logam (1)

Kurva pendinginan logam murni pada pengecoran

Pengerasan Logam (2)

•

Proses pengerasan:

 Lapisan tipis logam cor (initial skin) akan terbentuk akibat pendinginan oleh dinding cetakan.

– Mengakibatkan granular pada permukaan bersifat bersifat halus, ukuran sama dan berorientasi acak

Pengerasan berlanjut menuju titik tengah rongga cetakan

– Formasi granular membentuk jarum dan pertumbuhan menjauhi arah transfer panas (dendritic

(17)

17 Pengerasan Logam (2)

• Diagram fasa copper-nickel alloy

•

Kurva pendinginan untuk

komposisi 50%Ni-50%Cu

•

Hampir semua alloy mengeras pada rentang temperatur bukan pada titik temperatur tertentu

Waktu Pengerasan

• Aturan Chvorinov’s

•

C_m bergantung dari:

Material cetakan (mis: konduktivitas termal, panas)

Sifat termal logam cor (mis: panas fusi, konduktivitas termal) Temperatur penuangan relatif terhadap temperatur cair

•

Volume riser dirancang lebih besar daripada volume rongga cetakan agar logam di rongga cetakan mengeras terlebih dahulu (chovrinov rule)

2 3 2 m cm casting; the of area surface A cm casting; the of volume V min/cm constant; mold C tion time solidifica total TST = = = = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = n m A V C TST

(18)

18 Penyusutan (1)

• Penyusutan terjadi dalam tiga tahap:

Kontraksi cairan pada saat pendinginan dan sebelum pengerasan

Kontraksi pada fasa perubahan dari cair ke padat (solidification shrinkage)

Kontraksi termal pada saat cor telah mengeras dan mengalami pendinginan hingga temperatur ruangan

(19)

19 Penyusutan (3)

Volume kontraksi untuk berbagai jenis pengecoran logam

6.0 5.5 Bronze (Cu-Sn) 7.5 4.5 Copper 7.2 3.0

Low C cast steel

3.0 0

Gray cast iron, high C

3.0 1.8

Gray cast iron

5.0 7.0 Al alloy 5.6 7.0 Aluminum Solid Thermal Contraction, % Solidification Shrinkage, % Metal

Volumetric contraction due to:

Pengerasan Terarah (1)

• Untuk meminimasi produk cacat akibat

pengerasan:

 Bagian rongga yang terletak jauh dari riser diharapkan mengalami proses pengerasan terlebih dahulu

 Jika penyusutan terjadi, logam lebur dalam riser masih dapat mengisi volume penyusutan tersebut

Perlu pengerasan terarah

• Pengerasan terarah

Riser dirancang menjauhi bagian rongga yang memiliki rasio V/A kecil

Chills: penyerap panas untuk mempercepat proses pendinginan (internal chills dan external chills)

(20)

20 Pengerasan Terarah (2)

(a) External chill to encourage rapid freezing of the molten metal in a thin section of the casting

(b) the likely result if the external chill were not used.

Perancangan Riser

•

Dimensi pengecoran: 7.5 x 12.5 x 2.0 cm

•

TST = 1.6 min

•

Riser berbentuk silinder dengan rasio diameter : tinggi = 1

•

Tentukan dimensi riser agar TST = 2 min

(

) (

)

4.7cm H cm 7 . 4 09056 . 0 0 . 2 09056 . 0 6 26 . 3 0 . 2 6 4 2 4 cm min/ 26 . 3 5 . 267 5 . 187 6 . 1 2 2 2 2 2 2 2 2 = = = = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = = = + = = = = D D D TST D D D h D A V A V TST Cm π π π

(21)

21 Tugas 2

• Pilih salah satu komponen/produk cor

• Gambarkan / sketsa dan ukuran produk tersebut

• Tugas kelompok

1 kelompok 2 orang

Nim genap dan ganjil dari kelas yang berbeda

• Dikumpulkan:

Senin, 8 September 2003 Jam: 10.00