View of TM RISER (PENAMBAH) DALAM PENGECORAN BESI COR KELABU DENGAN METODE PENGECORAN LOST FOAM

(1)

POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS Juli 2012

Riser (Penambah) Dalam Pengecoran… 24

RISER (PENAMBAH) DALAM PENGECORAN BESI COR KELABU DENGAN METODE PENGECORAN LOST FOAM

Sutiyoko1_, _Suyitno2

1_{Jurusan Teknik Pengecoran Logam, Politeknik Manufaktur Ceper, Klaten} 2_{Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta}

ABSTRACT

The riser is needed in casting to supply liquid metal because of shrinkage in solidification. The objective of this research is to investigate the shrinkage of gray cast iron in lost foam casting. The variabels in this research were pouring temperature and pattern thickness. The pouring temperature variation and the pattern thickness were 1300-1400 oC and 2-6.5 mm respectively. There is not a reduction size in the casting product than the pattern. This phenomenon is founded in all the pouring temperature and the pattern thickness. In the lost foam casting of gray cast iron, the riser is not necessary. Effect of the unbounded sand and the graphite expansion causes the shrinkage in solidification of gray cast iron can be ignored.

Keywords: shrinkage, pouring temperature, riser, lost foam casting, solidification

PENDAHULUAN

Pengecoran lost foam adalah

metode pengecoran yang

menggunakan bahan polystyrene

foam sebagai bahan untuk

membuat pola dan ditanam dalam pasir silika menjadi cetakan.

Polystyrene foam akan mencair dan menguap ketika cairan dituangkan ke dalam cetakan sehingga tempat itu akan diisi oleh cairan logam (Askeland, 2001).

Metode pengecoran lost foam

dipatenkan oleh Shroyer pada tahun 1958 (Kumar dkk, 2008).

Pengecoran lost foam

memiliki banyak keuntungan.

Pengecoran lost foam dapat

memproduksi benda yang

kompleks/ bentuknya rumit, tidak ada pembagian cetakan, tidak memakai inti, mengurangi tenaga

kerja dalam pengecorannya

(Monroe, 1992) sehingga cepat untuk membuat benda-benda

prototip. Pengecoran lost foam

(2)

ringan (Kim dan Lee, 2005) dan penambah pada dasarnya tidak diperlukan untuk mengontrol

penyusutan saat pembekuan

(Askeland, 2001). Cetakan dari

pola berbahan polystyrene foam

mudah dibuat dan murah (Barone, 2005). Pasir yang digunakan dapat dengan mudah digunakan lagi

karena tidak menggunakan

pengikat (Behm dkk, 2003).

Penggunaan cetakan foam

meningkatkan keakuratan dimensi dan memberikan peningkatan

kualitas coran dibandingkan

dengan cetakan konvensional (Monroe, 1992). Sudut-sudut kemiringan draf dapat dikurangi atau dieliminasi (Barone, 2005).

Proses pembersihan 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).

Pengecoran lost foam juga

memiliki beberapa kekurangan. Pasir yang tidak diikat akan memicu terjadinya cacat pada benda cor karena pasir yang jatuh ke logam cair (Kumar dkk, 2007).

Usaha untuk mengikat cetakan lost

foam adalah dengan membuat

cetakan tersebut vakum dimana cetakan dilapisi dengan lapisan

polietilen. Proses ini

menghasilkan emisi ke gas hasil

pembakaran polystyrene foam

yang dapat membahayakan

lingkungan dan kesehatan pekerja (Behm dkk, 2003). Porositas dalam pengecoran aluminium dengan

pola polystyrene foam lebih tinggi

dibandingkan dengan cetakan CO2.

Hal ini menunjukkan bahwa sulit untuk mendapatkan kekuatan mekanik yang lebih baik pada pengecoran aluminium tanpa perlakuan tertentu (Kim dan Lee, 2007).

Kualitas hasil pengecoran lost

foam dipengaruhi oleh banyak

parameter. Parameter-parameter

tersebut diantaranya temperatur penuangan, ukuran pasir silika,

massa jenis polystyrene foam, lama

penggetaran cetakan, ukuran benda dan komposisi material yang dituang. Superheat (suhu diatas temperatur cair) yang lebih tinggi

akan menurunkan tegangan

permukaan cairan logam (Kumar dkk, 2007). Temperatur tuang memiliki faktor dominan dalam menentukan nilai tegangan tarik dan elongasi benda cor (Kumar dkk, 2008). Gas yang terbentuk meningkat 230% pada temperatur

750 – 1300 oC (Yao dkk, 1997).

(3)

temperatur tinggi akan menurun dengan meningkatnya temperatur dikarenakan volume gas yang

terbentuk meningkat secara

(Khodai dan Parvin, 2008). Laju aliran logam meningkat sebanding dengan peningkatan temperatur

hingga 1150 oC (Shivkumar dkk,

1995). Ketebalan pola bertambah besar akan meningkatkan panjang mampu alir logam (Shin dan Lee, 2004).

Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh ketebalan benda dan temperatur penuangan terhadap ukuran benda cor dibanding ukuran polanya. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui perbandingan ukuran benda cor dengan ukuran pola. Manfaat

penelitian ini agar dapat

menentukan penggunaan

penambah dalam pengecoran besi cor kelabu dengan metode pengecoran lost foam.

METODOLOGI PENELITIAN Bahan baku utama yang dipakai adalah sekrap besi cor. Jenis besi cor yang menjadi target dalam penelitian ini adalah besi cor Ferro Carbon (FC) 20-30. Kandungan Karbon dan Silikon pada FC 20-30 adalah 2,9-3,4% C dan 1,6-2,5 % Si sehingga rata-rata kandungan Karbon adalah 3,15%

dan Silikon 2,05%. Ferrosilikon digunakan untuk menambahkan unsur silikon agar terbentuk grafit pada pembuatan besi cor kelabu.

Ferrosilikon yang digunakan

adalah FeSi75 dengan kandungan silikon 75% dan Karbon 0,15%. Polystyrene foam yang digunakan

adalah polystyrene dengan

kerapatan berkisar 9 kg/m3 karena

banyak dijual di toko-toko. Hal ini dengan pertimbangan jika hasil penelitian ini diaplikasikan pada industri kecil maka akan mudah memperoleh bahan yang sesuai dengan penelitian. Pasir silika yang digunakan memiliki ukuran

AFS grain fineness number 51.

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah tanur induksi kapasitas 40 kg, ladel kapasitas 15 kg, kotak kayu wadah

cetakan, pemotong polystyrene

elektrik, jangka sorong, timbangan digital ketelitian 1 miligram,

(4)

Gambar 1. Pola benda cor (ukuran dalam mm)

Pengukuran ukuran benda cor dan ukuran pola diambil dengan mengukur luas penampang pola dan benda cor pada jarak 20 mm dari pangkal saluran turun. Pada setiap temperatur penuangan dan ketebalan benda cor diukur luasnya dan dibandingkan dengan luas

pola. Hasil perbandingan

dinyatakan dalam prosentase. Luas penampang benda cor yang mengalami pembesaran dibanding luas penampang pola maka nilai

prosentasenya adalah positif.

Sebaliknya, luas penampang benda cor yang lebih kecil dari luas penampang pola maka nilai prosentasenya adalah negatif.

Perbandingan luas penampang benda cor dengan luas penampang

pola dalam penelitian ini

diistilahkan dengan akurasi

ukuran. Secara umum di dalam pengecoran akurasi ukuran benda cor bernilai negatif, yakni terjadi penyusutan dari ukuran polanya.

HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran CE meter menunjukkan nilai Karbon sebesar 3,27 % dan Silikon sebesar 2,12 %. Nilai pengukuran ini sudah sesuai dengan target komposisi yang direncanakan yakni Karbon 3,0-3,5 % dan Silikon 1,8 – 2,4 % karena jika diambil nilai tengahnya maka komposisi Karbon 3,25 % dan Silikon 2,1 %. Komposisi ini adalah kelompok besi cor kelabu kelas 30 dan banyak diproduksi oleh industri pengecoran logam di

dunia (ASM Handbook Commitee

Vol.15, 1998).

Tabel 1. Komposisi besi cor kelabu hasil pengecoran

Unsur Fe C Si Mn P S

Prosentase 93.1 3.35 2.29 0.449 0.189 0.048

(5)

kelabu padat dilakukan pada sebuah specimen chill test dengan cetakan logam agar terjadi pendinginan cepat.

Perbandingan ukuran benda cor dengan pola (akurasi ukuran)

pada setiap ketebalan dan

temperatur penuangan ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Hubungan temperatur tuang terhadap akurasi ukuran

pada tiap ketebalan pola Akurasi ukuran pada semua temperatur tuang memberikan hasil positif. Hal ini menunjukkan bahwa pada pengecoran besi cor kelabu dengan menggunakan pola

polystyrene foam memberikan

hasil ukuran benda cor lebih besar dibandingkan dengan ukuran polanya. Secara detail hasil perbandingan ukuran benda cor dengan ukuran pola tampak pada ketebalan pola juga memberikan harga positif. Hal ini berarti ketebalan benda berapapun akan memberikan pengaruh ukuran benda cor lebih besar dari ukuran pola.

Logam cair yang mengalami

pembekuan akan mengalami

penurunan volume akibat adanya penyusutan karena pembekuan. Pembahasan tentang pembekuan

dan perkembangan kristal

didahului dengan perbandingan antara susunan kristal pada saat padat dan apa yang terjadi pada keadaan cair. Proses pembekuan mengalami perubahan viskositas yang sangat drastis antara keadaan cair dan padat (Glicksman, 2011). Walaupun logam cair tidak terlihat mata adanya kekosongan tempat, tetapi disana terdapat sangat banyak volume-volume kosong

yang memungkinkan terjadi

(6)

Model struktur cairan logam telah diajukan oleh Frenkel, seorang ahli fisika Rusia, pada pertengahan

tahun 1930-an. Frenkel

memformulasikan bahwa terjadi perubahan volume 1-10 % ketika logam mengalami pencairan yang dihitung berdasarkan luas gap yang terbentuk antar atom (Frenkel, 1955).

Banyak faktor yang

mempengaruhi pembesaran ukuran

benda hasil cor dengan

menggunakan pola polystyrene

foam. Pengecoran besi cor kelabu

menghasilkan struktur grafit.

Grafit adalah karbon (C) yang

terpisah dari sementit (Fe3C) pada

saat proses pembekuan. Grafit

yang terbentuk pada hasil

pengecoran memiliki sifat

ekspansif (Sparkman, 2006). Sifat ekspansif akan menyebabkan ukuran benda cor mengalami pembesaran jika lebih besar daripada penyusutan cairan ketika membeku. Sifat ekspansif grafit akan mendesak pasir cetak di

dinding cavity (ruang kosong

berbentuk pola benda cor) ke arah luar cavity.

Faktor lain yang menyebabkan

penambahan ukuran adalah

desakan cairan logam terhadap

dinding cavity. Panas yang timbul

dari cairan logam dan cairan logam itu sendiri akan mendorong pasir

cetak di dinding cavity. Pasir cetak

yang dipadatkan dengan getaran dan tidak memakai bahan pengikat akan lebih mudah terdesak keluar

cavity. Gabungan desakan terhadap

dinding cavity akibat ekspansi

grafit dan cairan yang masuk ke

cavity lebih besar daripada penyusutan besi cor kelabu saat membeku. Hal ini menyebabkan ukuran hasil benda cor lebih besar dibandingkan dengan ukuran polanya.

Pengaruh perbedaan temperatur penuangan terhadap besarnya penambahan ukuran benda cor pada penelitian ini tidak dapat diambil suatu hubungan tertentu

secara jelas. Pada semua

temperatur penuangan, benda cor mengalami pembesaran ukuran dibanding ukuran polanya. Secara teori semakin tinggi temperatur penuangan akan semakin lama waktu pembekuan cairan. Waktu pembekuan yang lebih lama memberikan kesempatan terbentuk grafit lebih banyak sehingga

desakan ke dinding cavity lebih

kuat. Desakan yang lebih kuat

mengakibatkan penambahan

(7)

memberikan nilai akurasi positif. Hal ini berarti terjadi pembesaran ukuran walaupun bendanya tipis.

Fenomena ini mungkin

dikarenakan ukuran benda terlalu kecil dan tipis sehingga pengaruh grafit karena perbedaan temperatur penuangan dan ketebalan benda tidak terdeteksi.

KESIMPULAN

Pengecoran lost foam memiliki karakteristik yang berbeda dengan metode pengecoran lain. Metode ini tidak menggunakan pengikat

pasir dalam pembuatan

cetakannya. Pengikatan pasir dilakukan dengan penggetaran pasir dalam cetakan. Beberapa variasi temperatur penuangan dan ketebalan benda dilakukan untuk mempelajari kebutuhan penambah pada metode ini. Perbandingan ukuran pola dan benda cor pada kedua variasi ini menunjukkan bahwa ukuran benda cor selalu lebih besar dari ukuran pola. Berdasarkan fakta ini, kesimpulan

yang dapat diambil yakni

pengecoran lost foam tidak membutuhkan penambah dalam

mensuplai cairan akibat

penyusutan.

Daftar Pustaka

Askeland, D.R., Encylopedia of

Materials: Science and

Technology, 2001, Elsevier Science Ltd.

ASM Handbook Commitee, ASM

Metals Handbook . Casting, Vol.15, 9th edition, 1998, ASM International.

Barone, M. R., Caulk, D. A., A

foam ablation model for lost foam casting of aluminum,

International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, Vol. 48, pp. 4132–4149.

Behm, S.U., Gunter, K.L. and

Sutherland, J.W., An

Investigation into The Effect of Process Parameter Setting on Air Emission Characteristics in The Lost Foam Casting Process

,2003, American Foundry

Society.

Solids: Field Theory,

Solid-State Principles and

Applications, Wiley

Interscience Publishers, 2000, New York.

Glicksman, M. E., Principles o f

Solidiﬁcation An Introduction to Modern Casting and Crystal

Growth Concepts, Springer

New York Dordrecht

(8)

Springer Science+Business

Media.

Khodai, M. and Parvin, N.,

Pressure Measurement and Some Observation in Lost Foam Casting, Journal of Material Processing and Technology, 2008, Vol. 206, pp.1-8.

Kim, K., and Lee, K., Eﬀect of

Pro cess Parameters on Porosity in Aluminum Lost Foam

Process, Journal Material

Science Technology, 2005,Vol. 21 No.5, pp. 681-685.

Kumar, S., Kumar, P. and Shan,

H.S., Optimation of Tensile

Properties of Evaporative

Casting Process through

Taguchi’s Method, Journal of

Materials Processing

Technology, 2008, Vol. 204, pp. 59-69.

Kumar, S., Kumar, P. and Shan,

K.S., Effect of Evaporative

Pattern Casting Process

Parameters on The Surface Roughness of Al-7%Si Alloy Casting, Journal of Materials Processing Technology, 2007, Vol. 182, pp. 615-623.

Monroe, R.M., Expandable

Patterns Casting, American Foundryman’s Society Inc., 1992, p.84.

Shin, S.R. and Lee, Z.H., Hidrogen

Gas Pic-Up of Alloy Melt During Lost Foam Casting,

Journal of Material Science, 2004, Vol.39, pp. 1536-1569 Shivkumar, S., Yao, X., and

Makhlouf, M., Polymer Melt

Interactions During Formation in The Lost Foam Process,

Scripta Metallurgica et

Materialia, 1995, Vol. 33, pp. 39-46.

Sparkman, D., Offsetting

Shrinkage in Ductile Iron What Thermal Analysis Shows,2006, 11th.

Yao, X., Shivkumar, S., Molding

filling characteristics in lost foam casting process, Materials

science and Technology,