1 Pengecoran logam Dr. Ir. Koswara MSc
Oct 23, 2015
2
Bab. 1. Pendahuluan
• Pengecoran adalah proses pembuatan produk dari logam cair, langsungmenjadi produk jadi.
– Dalam bahasa Inggris proses ini disebut Foundry• Syarat agar logam mampu dicor dengan baik
– Ditunjukkan dengan mampu alir atau fluiditas yang tinggi• Logam yang umum dicor adalah:
– Besi cor– Aluminium– Tembaga– Magnesium– Zinc
3
Bab. 1. Pendahuluan
• Jenis jenis engecoran:– Sand casting– Permanent mold gravity casting– Investment casting– Tixo forming– High Pressure Die Casting– Centrifugal casting
4
Bab. 1. Pendahuluan
• Besi cor kelabu:– Construction castings– Motor vehicles– Farm equipment– Engines– Refrigeration and heating– Construction machinery– Valves– Soil pipe– Pumps and compressors
• Besi cor maleable– Motor vehicles– Valves and fittings– Construction machinery– Railroad equipment– Engines– Mining equipment
• Besi cor ductile– Pressure pipe– Motor vehicles– Farm machinery– Engines– Pumps and compressors– Valves and fittings– Metalworking machinery– Construction machinery
• Baja– Railroad equipment– Construction equipment– Mining machinery– Valves and fittings– General and special
industrial machinery– Motor vehicles– Metalworking machinery
Logam cor yang paling banyak dipakai adalah:
5
Bab. 1. Pendahuluan
• Aluminium:– Auto and light truck– Aircraft and aerospace– Other transportation– Engines– Household appliances– Office machinery– Power tools– Refrigeration, heating, – air conditioning
• Magnesium– Power tools– Sporting goods– Anodes– Automotive
• Tembaga:– Valves and fittings– Plumbing brass goods– Electrical equipment– Pumps and compressors– Power transmission equipment– General machinery– Transportation equipment
• Zinc– Automotive– Building hardware– Electrical components– Machinery– Household appliances
6
Bab. 1. Pendahuluan
Turbin Pelton, stainless steel, 35 ton
Transmision case, Die casting, aluminium
Blok mesin, 12 silinder, besi cor kelabu
Clamp, ductile iron
Video Camera case, Die casting, Magnesium
Door handle, Die casting, Zinc
7
Bab. 1. Pendahuluan
Control Arm, Nodular cast iron Control Arm, Nodular cast iron housing, cmpacted graphite cast iron
8
Bab. 2. Pembekuan pada logam
Perubahan bentuk daries menjadi air
Pembekuan pada logam murni dan padalogam paduan
Pembekuan danpencairan pada logam
murni
10
Bab. 2. Pembekuan pada logam
Penyusunan diagram fasa berdasarkan kurva pembekuanTitik 1 dan 5 adalah logam murni, Titik 4 adalah eutektikTitik 4 adalah titik dengan temperatur pembekuan paling rendah
Pembekuan dua tahaplogam paduan
11
Bab. 2. Pembekuan pada logam
eutektik
Diagram fasa dua unsuryang memiliki eutektik
Diagram skematisterbektuknya
struktur eutektikStruktur eutektik Al-Al2Cu
dg orientasi berbeda
ASM Metals handbook vol 15
12
Bab. 2. Pembekuan pada logam
Bererapa struktur eutektik
Struktur eutektik besicor kelabu
Struktur eutektikbesi cor nodular
Struktur eutektik hurufcina (chinese script) Mg2Sn pada matrix Mg
ASM Metals handbook vol 15
13
Bab. 2. Pembekuan pada logam
CASTING ALUMINIUM ALLOY
Diagram Fe-Fe3C Diagram Fe-Fe3C dengan pengaruh 2,5% Si
15
Bab. 2. Pembekuan pada logam
REF. FOUNDRY TECHNOLOGY
Pembentukan struktur kolumnarsaat pembekuan pada logammurni
17
Bab. 2. Pengaruh Kecepatan Pembekuan
REF. FOUNDRY TECHNOLOGY
Pengertian undercooling
TE = Temperatur equilibrium (pembekuan) pada komposisi tertentu
T = Temperatur Logam pada jarak tertentu
18
Bab. 2. Pengaruh Kecepatan Pembekuan
REF. FOUNDRY TECHNOLOGY
Perbedaan komposisi antarafasa padat dan fasa cair saatpembekuan
Akibat dari komposisi naik (point 2), maka, TEturun, makin jauh dari perbatasan solid-liquid, komposisi CL turun, dan TE naik
19
Bab. 2. Pengaruh Kecepatan Pembekuan
REF. FOUNDRY TECHNOLOGY
Pengertian zona undercooling dengan 2 cara melihat yg berbeda
20
Bab. 2. Pengaruh Kecepatan Pembekuan
REF. FOUNDRY TECHNOLOGY
Pengaruh kecepatan pembekuan padastrukturG = Perbedaan temperaturR = Kecepatan pembekuan
(a) Planar interface, (b) Celullar interface, (c ) denditric growth (d) independent nucleation
Pengaruh perbedaan temperatur (Gradient) terhadap struktur bekuan
21
Bab. 2. Pengaruh Kecepatan Pembekuan
REF. FOUNDRY TECHNOLOGY
Struktur eutektik bila satu fasa tidak stabil dan menjadi dendrit (a) dan bila kedua fasatidak stabil (b)
23
Bab. 2. Fluiditas
REF. FOUNDRY TECHNOLOGY
Fluiditas merupakan faktor penting dalampengecoran
Alat ukur fluiditas
24
Bab. 2. Fluiditas
Pengaruh superheat pada fluiditas logam.Superheat adalah perbedaan temperatur antara titik bekudan temperatur saat penuangan
Pengaruh komposisi terhadap fluiditas:
26
Bab. 3. Besi cor
ASM Metals handbook vol 09
Besi cor adalah paduan Fe-C dengan C antara 3,5 dari 4,3%.Pendinginan pada besi cor mengikuti reaksi eutektik
Persamaan umum reaksi eutektik adalah: L α + β
Ada 2 jenis eutektik:Cooperative growth: Kedua fasa dari eutektiktumbuh bersamaan sebagai pasangan difusi .Divorced growth: kedua fasa dari eutektiktumbuh secara terpisah. Tidak ada pertukaranlangsung diantara kedua fasa padat
27
Bab. 3. Besi cor
ASM Metals handbook vol 09
Cooperatitve eutectic ada dua jenis:1.nonfacet/nonfacet (metal/metal)2.Facet/nonfacet (nonmetal/metal)
Jika perbandingan volume antarafasa α dan β hampir sama, makapertumbuhan kedua fasa metal/metal lurus. Tapi bila perbandingan volume antara fasa α dan β berbeda jauh, maka fasa yang kecil tumbuh sepertiserat. Apabila fasa terkecil adalah nonmetal (facet), maka fasa ini tumbuh secaratidak beraturan (irregullar) . Contohnya adalah paduan Besi cordan aluminium silikonBesi cor tumbuh umumnya secaracooperative dan tidak beraturan. Sedangkan besi cor nudular tumbuhsecara divorce, dimana fasa austenitdan grafit tumbuh masing masing.
28
Bab. 3. Besi cor
ASM Metals handbook vol 15
Besi cor adalah paduan Fe-C dengan C antara 3,5 dari 4,3%.Pendinginan pada besi cor mengikuti reaksi eutektikPersamaan umum reaksi eutektik adalah: L γ+ Graphite
30
Bab. 3. Besi cor
Perbedaan antara besi cor dengan baja adalah, pada besi cor terjadi grafitisasi sedangkan padabaja tidak terjadi grafitisasi.Unsur yang membentuk grafitisasi adalah unsurdengan ΔP negatif.
ΔP positif menunjukkan logam bersifat carbide promoter, dan ΔP negatif bersifat Graphite promoter. Si merupakan Graphite Promoter paling tinggi.
Ti, Al dan Si berada di luar garis karena ketigaunsur ini bisa mengikat nitrogen. Apabilakandungan nitrogen di logam cair tinggi, makapembentukan grafit berubah.
Namun, nitrida bersifat sebagai nuklei (awalpembentukan) grafit. Maka, khusus Ti, selainbersifat sebagai carbide promoter, juga sebagaigraphite promoter, tergantung kandungan N dilogam cair
31
Bab. 3. Besi cor
Unsur yang ditambahkan ke dalam besicair, bersifat carbide promotor ataugraphite promotor. Unsur yang bersifatgraphite promotor menurunkankelarutan C di dalam besi danmemaksa C berkelompok sehinggamemudahkan terbentuknya graphite.
32
Bab. 3. Besi cor kelabu
Standar bentuk flake (serpih) besi cor kelabu dengan distribusi uniform
Besi cor kelabu adalah besi cor dengan grafit berbentuk flake (serpih)
34
Bab. 3. Besi cor kelabu
Struktur dan nilai kekerasanbesi cor pada sampelpiramida
Klasifikasi kekuatan tarikbesi cor kelabu
Klasifikasi besi cor kelabuberdasarkan komposisi C dan Si
35
Bab. 3. Besi cor kelabu
Pengaruh inokulasi padapembentukan serpih besi corkelabu, dengan variasi S
(ASM vol 15 hal 1368)
Dengan inokulasi, jumlah cell count konstan dan chill depth menurun
Pengaruh inokulan terhadap chill depth
36
Bab. 3. Besi cor nodular
Nodularity besi cor nodular
Pengaruh nodularity thdkekuatan tarik
Bahanbaku besi cor nodular: Pig iron dg komposisi sbb:
Besi cor nodular adalah besi cor dengan grafit berbentuk nodule (bulatan)
37
Bab. 3. Besi cor nodularBesi cor nodular adalah besi cor dengan grafit berbentuk nodule (bulatan)
38
Bab. 3. Besi cor nodularBesi cor nodular adalah besi cor dengan grafit berbentuk nodule (bulatan)
40
Bab. 3. Besi cor nodular
Proses inokulasi belangsung 2 x1. Penambahan magnesium2. Penambahan silikon (after inoculation)
Pengaruh jumlah Mg terhadapnodulaity
Inokulan dengan silikon
Proses inokulasi pd plat tebal 3 mm lebih baik
41
Bab. 3. Besi cor nodular
Pengaruh after inoculation (inokulasitahap II), terhadap waktu
Inokulasi tahap keduadilakukan dalam mold
42
Bab. 3. Besi cor nodular
Pengaruh nodularity dan pearlite thd sifat mekanik (tensile strength dan yield strength
43
Bab. 3. Compacted Graphite Iron
Korelasi antara Si dan C untuk memperoleh strukturcompacted graphiteStruktur mikro CG dengan
mikroskop optik dan SEM. Struktur mikro SEM diperolehdengan cara selected etching
44
Bab. 3. Compacted Graphite Iron
Pengaruh Mg terhadapterbentuknya CG
Pengaruh Mg terhadapterbentuknya CG
Pengaruh Ni, Cu dan Snterhadap fasa pearlit padaCG
46
Bab. 3. Perbandingan fluiditas
Perbandingan fluiditas Flake Graphite, Compacted Graphite dan Nodular Graphite
47
Bab. 3. Besi cor malleable
Struktur besi cor malleable setelahproses perlakuan panas
Struktur besi cor malleable sebelumproses perlakuan panas, masihberbentuk besi cor putih
48
Bab. 3. Besi cor malleable
• besi cor putih terbentuk bila produk berukuran tipis.
• Produk ukuran tebal, akan membuat bagian tengahberbentuk besi cor kelabu
• Proses annealing menentukan keberhasilan pembuatan besicor malleable
Ada 2 tahap annealing
1. Pemanasan pada temperatur 9400C selama 3 jam atau lebih, tergantung kandungan Si
2. Pendinginan cepat ke 7400C – 7600C
3. Pendinginan perlahan lahan dengan kecepatan 30C – 110C per jam
49
Bab. 3. Besi cor malleable
Struktur malleable cast iron dengan (a) pendinginan udaradan (b) dengan tiupan angin
Struktur malleable cast iron dengan pendinginan cepatpada medium oli setelah annealing tahap I danpenahanan pada 8400C selama 30 menit
51
Bab. 4. Aluminium
Aluminium adalah logam ringan yang banyak dipakai untuk kebutuhan manusiaAluminium cor memiliki klasifikasi berikut:
1xx.x: Controlled unalloyed compositions2xx.x: Aluminum alloys containing copper as the major alloying element3xx.x: Aluminum-silicon alloys also containing magnesium and/or copper4xx.x: Binary aluminum-silicon alloys5xx.x: Aluminum alloys containing magnesium as the major alloying element6xx.x: Currently unused7xx.x: Aluminum alloys containing zinc as the major alloying element, usually also containing
additions of either copper, magnesium, chromium, manganese, or combinations of these elements
8xx.x: Aluminum alloys containing tin as the major alloying element9xx.x: Currently unused
52
Bab. 4. Aluminium1. Paduan dengan “solid solution type’’
(contoh, paduan Al–Cu dan Al–Mg).2. Paduan Hypo-eutectic adalah paduan
dengan komponen eutectic yang memilikidua struktur, yaitu Al dan eutektik(contoh, paduan Al–Si dengan 7%Si).
3. Paduan Eutectic adalah paduan denganstruktur eutectic merupakan komponenutama (contoh, paduan Al–Si dengan12%Si).
4. Paduan hyper eutektik adalah paduanyang memiliki kristal primer (constituent particles) (contoh, contoh, paduan Al–Sidengan > 12%Si).
53
Bab. 4. Aluminium
Paduan Al-SiPaduan Al-Si adalah paduanantara dua unsur yang salingtidak melarutkan dan tidakmembentuk senyawaEutektik terbentuk padakomposisi Si 12,6%Di atas 12,6%Si terbentukstruktur Si berbentuk block (blocky structure)
54
Bab. 4. Aluminium
Struktur mikro paduan Al-Si dengan pengaruh unsur lain
Paduan Al-Si denganpengaruh Fe
Paduan Al-Si denganpengaruh Cu terbentukstruktur Al2Cu berbentukchinese script
Paduan Al-Si denganpengaruh Ni terbentukstruktur Al3Ni (biru) danAl2FeNi (gelap) berbentukchinese script
55
Bab. 4. Aluminium
Pengaruh kecepatan pendinginan terhadap struktur mikro paduan Al 7%Si (A 356)(a)Pendinginan cepat. (b)Pendinginan lambat . (c)Pendinginan dengan teknik semisolid casting (sangat cepat)Pada (b) terbentuk struktur dendrit
56
Bab. 4. AluminiumModifikasi:Tujuan modifikasi adalah mengubah bentuk Si menjadi lebih kecil. Ada 2 jenis modifikasi, yaitu:a.Untuk Si dengan struktur hypoeutektik (dengan Sr) disebut modifikasib.Untuk Si dengan struktur hypereutektik (dengan P) disebut refine
Struktur hypo eutektik sebelum modifikasidan sesudah modifikasi
Struktur hyper eutektik Al-22%Si sesudahmodifikasi dengan P dan sebelummodifikasi. Tampak Blocky silicon mengecil
58
Bab. 4. Aluminium
Kelarutan hidrogen dalam aluminium
Tingkat porositas hidrogen
Kelarutan hidrogen dalamaluminiumHidrogen adalah gas yang terlarutpada aluminium cairSumber hidrogen adalah1.Kelembaban udara. Makinlembab udara, makin tinggikemungkinan hidrogen larut kedalam aluminium cair.2.Api pembakaran saat peleburan
61
Bab. 4. Aluminium
Paduan aluminium dengan 7%Si, Fe dan Mg
Paduan ini digunaan untuk komponen roda ban (wheel rim, velg) dengan unsur Fe sangat rendah. Dalam klasifikasi amerika, A356Dalam klasifikasi Jepang AC4CH
β = Al5FeSi; π = Al8FeMg3Si6Si abu-abu, βAlFeSi Merah
Si abu-abu, αAl(FeMn)Si Merah
62
Bab. 4. Aluminium
Paduan aluminium dengan 10%Si, Fe dan Cu
Paduan Al 10Si dengan Cu dan pengotor Fe digunakan untukkomponen umumDalam klasifikasi Jepang disebut ADC12
Diagram fasa Al dengan 6% Si 1% Fe dan Cu variasi
Si biruAl2Cu merah coklat; αAl(FeMn)Si abu abu
64
Bab. 5. Baja
Baja dapat dikelompokkan pada dua bagian besar:1. Baja (cast steel)
1.1 Baja karbon rendah1.2 Baja karbon medium dan tinggi1.3 Baja paduan
2. Baja tahan karat (cast stainless steel) 2.1 Baja tahan korosi2.2 Baja tahan panas
Baja cor atau cast steel adalah paduan Fe-C dengan C kurang dari 0,8%.Pendinginan pada baja mengikuti reaksi peritektik
67
Bab. 5. Baja
Perkembangan pertumbuhan fasa δ
Perkembanagn pertumbuhan fasa δ yang kemudianberubah menjadi γ
68
Bab. 5. Baja
Fraksi L, δ dan γ pada berbagai kecepatanpendinginan
Sifat mekanik pada berbagai fraksipembekuan
70
Bab. 5. Baja
Klasifikasi baja cor• Low-carbon steel castings
• Low-carbon steels: 0.20% C or less• Medium-carbon steels: 0.20 to 0.50% C• High-carbon steels: 0.50% C or more
• Medium-carbon steel castings• High-carbon steel castings• Low-alloy steel castings
Pengaruh C pada sifat mekanik baja karbon
73
Bab. 5. Baja
Struktur mikro baja 1040
Struktur mikro baja 1040 setelah proses speroidisasiselama beberapa jam
79
Bab. 5. Baja
Sifat mekanik stainless steel corHP-50WZ
Creep rate vs temperatur pada stainless steel corHP-50WZ