makalah teknologi pengecoran
DESCRIPTION
Review jurnal tentang proses vertikal continuous casting pada pembuatan hollow cast iron barTRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
1. Latar Belakang
Besi cor merupakan salah satu jenis logam tertua dan murah yang
pernah ditemukan umat manusia di antara sekian banyak logam yang ada.
Logam ini memiliki banyak aplikasi, sekitar 80 persen mesin kendaraan
terbuat dari besi cor.
Besi cor pada dasarnya merupakan paduan eutektik dari besi dan
karbon. Dengan demikian temperature lelehnya relatif rendah, sekitar 1200oC.
Temperature leleh yang rendah sangat menguntungkan, karena mudah
dicairkan, sehingga pemakaian bahan bakar atau energi lebih hemat dan
murah. Selain itu dapur peleburan dapat di bangun dengan lebih sederhana.
Besi cor merupakan paduan Besi-Karbon dengan kandungan C diatas
2% (pada umumnya sampai dengan 4%). Paduan ini memiliki sifat mampu
cor yang sangat baik namun memiliki elongasi yang relatif rendah. Oleh
karenanya proses pengerjaan bahan ini tidak dapat dilakukan melalui proses
pembentukan, melainkan melalui proses pemotongan (pemesinan) maupun
pengecoran.
Salah satu dari produk hasil coran adalah batang besi berongga atau
hollow cast-iron bar. Dalam pembuatan besi berongga ini dapat digunakan
berbagai metode teknologi pengecoran. Dalam makalah ini dibahas mengenai
cara pembuatan produk besi berongga hollo cast-iron menggunakan metode
vertikal continuous casting. Untuk kemudian produk hasil coran akan
dilakukan komparasi dengan produk hollo cast-iron yang dibuat
menggunakan metode sand casting.
Penulisan makalah ini mengacu pada sebuah jurnal yang telah ditulis
oleh Guojun Yan∗, Yang Xu, Bailing Jiang (2011) tentang vertikal
continuous casting.
2. Tujuan Penulisan Makalah
1. Mengetahui dan memahami teknologi pengecoran menggunakan proses
vertikal continuous casting.
2. Memahami dan mengetahui perbedaan karakteristik produk hasil coran,
dalam hal ini adalah besi cor berongga (hollow cast-iron bar) yang
dihasilkan dari proses vertikal continuous casting dengan hasil coran besi
brongga menggunakan proses sand casting.
BAB IILANDASAN TEORI
2.1 Pengertian Besi Cor dan Besi Cor Bergrafit Bulat
Besi cor adalah paduan besi yang mengandung karbon, silisium,
mangan , fosfor, dan belerang. Besi cor digolongkan dalam enam macam
yaitu besi cor kelabu, besi cor kelas tinggi, besi cor kelabu paduan, besi cor
bergrafit bulat, besi cor mampu tempa dan besi cor cil.
Struktur mikro besi cor terdiri dari ferrite atau perlit dan serpih karbon
bebas. Karbon dan silisium ternyata mempengaruhi struktur mikro, ukuran
serta bentuk dari karbon bebas dan keadaanstruktur dasar berubah sesuai
dengan mutu dan kuantitasnya. Disamping itu, ketebalan dan laju
pendinginan mempengaruhi struktur mikro. Walaupun kekuatan tarik besi cor
kelabu kira-kira 10-30 kgf/mm2, namun besi ini agak getas, titik cairnya kira-
kira 1.200oC dan mempunyai mampu cor sangat baik serta murah, sehingga
besi cor kelabu ini dipergunakan paling banyak untuk benda-benda coran.
Besi cor grafit bulat dibuat dengan jalan mencampurkan magnesium,
kalsium atau serium ke dalam cairan logam sehingga grafit bulat akan
mengendap. Bessi cor macam ini mempunyai kekuatan keuletan, ketahanan
aus dan ketahanan panas yang baik sekali dibandingkan dengan besi cor
kelabu.
Penggunaan besi cor bergrafit bulat bias dijumpai pada bagian-bagian
komponen mobil seperti poros engkol, alat-alat pembuat baja seperti rol,
kotak ingot serta pada jaringan pipa-pipa saluran air.
Besi cor bergrafit bulat mempunyai berbagai bentuk potongan-
potongan grafit seperti ditunjukkan pada gambar 1. Sesuai dengan berbagai
keadaan pengkristalannya. Walaupun bentuk-bentuk lain selain bulat,
memberikan pengaruh yang sangat pada sifat-sifat mekaniknya. Maka
walaupun besi cor bergrafit bulat sebagian berisi grafit yang tidak bulat,
namun besi ini masih banyak dipakai. Walaupun demikian standar umum
besicor bergrafit bulat menghendaki kekuatan tarik lebih dari 55 kgf/mm2.
Setelah di cor, dan sebaliknya grafit berbentuk bulat seluruhnya untuk
mendapat kekuatan tersebut.
Gambar 1. Struktur mikro dari besi cor bergrafit bulat
2.2 Pengaruh Kandungan Pada Struktur Besi Cor
a. Pengaruh Karbon dan Silisium
Kandungan – kandungan yang berpengaruh besar pada bahan
adalah karbon dan silisium. Untuk mendapat struktur yang terbaik,
kandungan karbon harus ada pada daerah yang cocok, yang berubah
menurut kandungan silisium. Silisium menggalakkan penggrafitan dan
silisium yang banyak cenderung untuk membuat besi cor kelabu. Seperti
yang telah dikatakan di atas struktur besi cor diperkirakan ditentukan oleh
hubungan antara kandungan karbon dan silisium. Gambar 2 adalah
diagram MAURER, yang menunjukkan korelasi tersebut pada satu
diagram. Pada diagram ini, struktur dari batang-batang uji yang bundar
dengan diameter 25mm dari berbagai komposisi dituangkan ke dalam
cetakan pasir kering pada temperature 1.250o C dan didinginkan pada laju
pendinginan yang tetap, digolongkan dalam 5 macam struktur. Daerah
pengaruh I menunjukkan besi cor putih, IIa menunjukkan besi cor
berintikdengan sementit yang terpisah, II menunjukkan besi cor perlit, IIb
menunjukkan besi cor dengan ferit yang tidak mempunyai perlit dalam
matriksnya dan sangat lunak. Diagram MAURER dibuat dengan
perumpamaan bahwa karbon dan silisium dapat saling bertukar untuk
memberikan pengaruh-pengaruh pada pembentuka struktur dan tak
mungkin dianggap sempurna. Tetapi diagram ini secara praktis dipakai
karena bagian tengah cocok dengan kasus-kasus praktis. Selanjutnya
diagram ini dibuat dalam keadaan temperature teta, sehingga garis-garis
bergeser sesuai dengan laju pendinginan, yaitu laju pendinginan yang
cepat menggesernya ke kanan dan laju pendinginan yang pelan
menggesernya ke kiri.
Gambar 2. Diagram Maurer
b. Pengaruh Mangan
Mangan tidak memberikan pengaruh yang sungguh-sungguh pada
struktur kecuali untuk kandungan silisium rendah. Mangan sendiri
mencegah penggrafitan dan menggagalkan kestabilan sementit dan larut di
dalamnya. Ia membuat butir-butir halus yang perlitis dan mencegah
pengendapan ferit, sehingga dikehendaki penambahan mangan untuk
mendapatkan struktur yang hanya perlit dan grafit.
c. Pengaruh Fosfor
Fosfor dalam besi cor terutama berbentuk stedit (Kristal eutektik
dari fosfidaa besi), fosfor sendiri mencegah pengendapan grafit dan kalau
kandungannya lebih dari 1% sementit kasar timbul pada ledeburit. Struktur
ini tidak menjadi halus meski di bawah keadaan pendinginan yang cepat.
Pertambahan kandungan fosfor mengurangi kelarutan karbon dan
memperbanyak sementit pada kandungan karbon yang tetap, sehingga
struktur menjadi keras, sementit sukar terurai.
d. Pengaruh Belerang
Belerang mengurangi kelarutan karbon dalam besi cair, dan dalam
hal ini menggalakkan penggrafitan. Tetapi kenyataannya, menambah
belerang akan mengurangi grafit dan cenderung untuk membentuk besi cor
putih. Kecuali dalam kasus adanya mangan, belerang cenderung untuk
membentuk sulfide besi dan menggalakkan pembentukan besi cor putih
yang kadang-kadang menyebabkan bintik-bintik keras atau kebalikan cil.
e. Pengaruh- Pengaruh Unsur Lain
Sebagai tambahan kepada undur-unsur yang tersebut di atas yang
menggalakkan penggrafitan adalah tembaga, nikel dan alumunium, dan
unsur-unsur lain yang mencegah khrom , molibden dan seterusnya.
2.3 Sifat Besi Cor Bergrafit Bulat
Grafit adalah kumpulan karbon yang dihasilkan selama proses
pembekuan dan pendinginan lambat. Grafit memiliki kekerasan sekitar 1 HB,
kekuatan tariknya sekitar 2 kgf/mm2 (N/mm2) dan masa jenisnya kira-kira 2,2
Kg/dm3.
Grafit memberikan pengaruh sangat besar terhadap sifat-sifat mekanik
besi cor kelabu. Grafit dalam besi cor dapat berada dalam keadaan bebas
sebagai grafit. grafit ini merupakan suatu bentuk kristal karbon yang lunak dan
rapuh. Dalam struktur besi cor jumlahnya dapat mencapai 85 % dari seluruh
bentuk kandungan karbon, tetapi kira – kira 6 % - 17 % dari volume total besi
sebagai akibat dari berat jenisnya yang rendah.
Sifat – sifat mekanik dari besi cor banyak dipengaruhi oleh bentuk,
ukuran, disrtibusi dan banyaknya grafit didalamnya. Besi cor bergrafit bulat
memiliki keuletan yang lebih baik dibandingkan dengan besi cor bergfarit
serpih. Hal ini disebabkan karena sepih grafit akan mengalami pemusatan
tegangan pada ujung – ujungnya bila mendapatkan gaya akan bekerja tegak
lurus arah serpih.
Dalam struktur mikro ada berbagai bentuk dan ukuran dari putongan –
potongan grafit yaitu halus dan besar, serpih atau asteroid, bergumpal atau
bulat. keadaan potongan – potongan grafit ini memberikan pengaruh yang
besar terhadap sifat – sifat mekanik besi cor. Karakteristik grafit didalam besi
cor dikelompokan dalam bentuk, distribusi dan ukuran.
2.4 Distribusi Grafit
Bentuk dan distribusi grafit erat kaitannya dengan proses perlakuan
peleburan terutama inokulasi yang bertujuan untuk mencegah terjadinya
undercooling. Gambar berikut menunjukan beberapa distribusi grafit.
Gambar 3. Distribusi Grafit
Distribusi grafit A dimiliki oleh besi cor kelabu kelas tinggi dengan matrik
perlit.
Distribusi grafit B kecenderungan terjadi pada coran tipis, untuk kandungan
karbon atau silikon relatif rendah. Besi cor yang memerlukan kekuatan tarik
25-30 kgf/mm2 diperbolehkan memiliki distribusi grafit B sebanyak 20-30%.
Distribusi grafit C muncul pada sistem hypereutektik. Pada struktur ini grafit
yang panjang dan lebar numpuk dan dikelilingi oleh serpihan grafit yang
mengkristal di daerah eutektik. Struktur demikian begitu lemah
mengakibatkan hasil produksi menjadi kurang kuat.
Distribusi grafit D terjadi karena potongan-potongan grafit eutektik yang
halus, yang mengkristal diantara dendrit-dendrit kristal mula dari austenite
karena pendinginan lanjut (undercooling) pada pembekuan eutektik. Keadaan
ini umumnya diperbaiki dengan pemberian inokulasi. Distribusi grafit
semacam ini kadang-kadang muncul pada besi cor yang teroksidasi.
Distribusi grafit E muncul pada kandungan karbon rendah. Kekuatan rendah
karena jarak yang dekat antara potongan-potongan grafit seperti pada
distribusi D. Tetapi kadang-kadang kekuatan juga tinggi apabila kandungan
karbon rendah dan berkurangnya endapan grafit.
BAB III
HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Proses Pembuatan Hollow Cast-Iron Bar pada Vertikal Continous Casting
Besi berongga dengan diameter luar 60-300 mm, ketebalan dinding
7-40 mm dan panjang 10 m diproduksi secara besar-besaran dengan vertikal
continous casting. Proses pengecoran secara keseluruhan dianalogikan sama
seperti proses pengecoran benda-benda padat solid pada proses horizontal
continuous casting.
Pada gambar di bawah ini, secara skematis ditunjukkan proses
pembuatan hollow cast-iron bar menggunakan vertikal continuous casting.
Gambar 4. Skema proses vertikal continuous casting
Keterangan gambar:
1. Crystalizzer
2. Hollow cast-iron bar
3. Lelehan/ cairan coran
4. Holding furnace
5. Foundry Ladle
6. Puller
Ketika besi meleleh, dituangkan ke dalam holding furnace dari
sendok pengecoranatau foundry ladle, lelehan besi akan mengalir melalui
bagian bawah dan rongga kanan tungku atau holding furnace, dari holding
furnace tersebut kemudian akan masuk ke dalam crystallizer melalui lubang-
lubang cetakan grafit (ditunjukkan pada Gambar. 4) dan akan mengisi
ruangan diantara crystallizer, kemudian lelehan coran tersebut akan
membeku dan mulai terbentuk padatan di ruangan atau space dari crystallizer
tersebut. Besi yang memadat tersebut kemudian ditarik keluar dari
crystallizer oleh penarik atau puller, sehingga dihasilkan batang besi
berongga atau hollow cast-iron bar. Dengan demikian crystallizer berfungsi
sebagai pembentukan atau pencetakan logam cair dalam hal ini lubang
(hollow) ketika cairan logam coran mengalami laju pembekuan.
Peralatan dan proses pembuatan batang besi berongga ditunjukkan
pada Gambar 5 di bawah.
Gambar 5. Crystallizer untuk pengecoran secara kontinyu
Keterangan gambar :
1. Water cooling jacket
2. Graphite mold
Struktur dari water cooling jacket sama seperti yang digunakan pada
mesin casting horizontal. Supaya batang besi berongga ditarik dengan mudah,
cetakan grafit didesain bebentuk kerucut dengan sudut sudut kerucut antara 1o
dan 3o. Agar inti cetakan grafit tidak terhalang, kecepatan penarikan dan
kapasitas pendinginan dari crystallizer harus terkoordinasi satu sama lain.
3.2 Produk Hasil Vertikal Continous Casting
Variasi produk bentuk hollow bar dari mesin vertikal continous
casting sendiri sangat mudah dilakukan, tergantung model dan desain dari
graphite mold yang digunakan. Berikut ini adalah gambar pruduk hollow
cast-iron bar yang diteliti oleh Guojun Yan∗, Yang Xu, Bailing Jiang (2011)
hasil dari proses pengecoran continuous.
Gambar 4. Hollow cast-iron bar hasil produksi dari proses continuous
pulling-up casting
Panjang bar mencapai 10 m atau lebih, diameter luarnya bervariasi dari 60
mm sampai 300 mm dan ketebalan dindingnya di kisaran 7 mm sampai 40 mm,
dan juga telah dibuktikan dengan penelitian metalografi bahwa tidak ada white
iron pada lapisan luarnya yang mana kemungkinan dihasilkan oleh kinerja
pengkristalan grafit sebagai daerah-daerah inti yang homogen selama
pembentukan inti grafit.
3.3 Penelitian dan Hasil
Dalam penelitian yang dilakukan oleh Guojun Yan∗, Yang Xu,
Bailing Jiang (2011) dilakukan pengujian struktur mikro pada produk
hollow cast-iron bar hasil dari proses vertikal continuous casting. Gambar di
bawah ini menunjukkan struktur mikro dari spesimen uji. Dengan skala 500-7
dan 200.
Gambar 5. Struktur mikro dari hollow cast-iron bar
Keterangan gambar:
a. Skala pembesaran 500-7
b. Skala pembesaran 200
Gambar 5 (a) dan (b) adalah gambar struktur mikro dari produk
vertikal continuous casting dengan masing-masing skala pembesaran 500-7
dan 200. Butiran–butiran grafit terlihat di skala 500-7 dan koloni eutektik di
skala 200 sangat kecil. Terdapat 692 bola grafit per milimeter persegi untuk
skala 500-7 dan lebih dari 3000 daerah eutektik per sentimeter persegi pada
skala 200. Pada skala 500-7, perbedaan diameter bola-bola grafit tidak begitu
signifikan dan distribusi spasial dari bola grafit bahkan nampak berlebih.
Gambar 6. Komposisi dan kandungan struktur dari hollow cast-iron bar
skala 400-15 hasil coran pada vertikal continuous casting
Pada gambar 6 ditunjukkan komposisi dan kandungan struktur dari
hollow cast-iron bar di skala 400-15 dengan jumlah yang sama pada dua atau
beberapa tempat sepanjang arah radius menggunakan metode vertikal
continuous casting. Dari penelitian didapatkan bahwa distribusi elemen-
elemen pada batang besi hollow cast-iron terjadi di sepanjang arah radius,
dan unsur-unsur ringan seperti C, S dan P tidak terpisahkan pada lapisan
dalamnya. Seperti kita ketahui bahwa kapasitas pendinginan water cooling
pada crystallizer sangat besar, sehingga velocity pendinginannya begitu cepat
oleh karena itu laju proses pemadatan lelehan dari coran tinggi. Ketika laju
pemadatan lebih besar dari kecepatan difusi atom, difusi atom tidak akan
terjadi dan pemisahan atom-atom tidak akan terjadi pada seluruh proses
pencairan padatan, sehingga batang-batang besi dengan komposisi kimia yang
seragam dapat diperoleh.
Sifat-sifat mekanik dari hollow cast-iron bar hasil proses vertikal
continuous casting skala 400-15 ditunjukkan pada tabel di bawah berikut.
Tabel 1. Sifat-sifat material dari hollow cast-iron bar dengan skala
400-15 menggunakan dua metode pengecoran yang berbeda.
Sedangkan untuk gambar struktur mikro hollow cast-iron skala 400-15
ditunjukkan pada gambar 7 dibawah ini.
Gambar 7. Struktur mikro dari hollow cast-iron bar dengan skala
400-15
Keterangan gambar:
a. Proses vertikal continuous casting
b. Proses sand casting
Dari gambar di atas terlihat bahwa rata–rata diameter grafit pada
vertikal continous casting skala 400-15 lebih kecil dari pada sand casting
skala 400-15 dan jumlah bola grafit per mm2 pada vertikal continous casting
skala 400-15 lebih banyak daripada jumlah bola grafit pada sand casting
skala 400-15.
Untuk menguji kepadatan batang hollow cast-iron 400-15 dari proses
vertikal continous casting, dilakukan uji hidrostatik. Proses pengujiannya
adalah sebagai berikut: sebuah batang besi berongga hasil vertikal continous
casting dilakukan machining hingga menjadi sebuah bentuk tabung dengan
ketebalan dinding 1 mm (salah satu ujung tabung terbuka dan didekatkan),
kemudian air bertekanan tinggi disemprotkan ke dalam ruang tabung.
Sehingga tekanan tinggi telah diletakkan pada batang melalui air bertekanan
tinggi. Ketika tekanan air mencapai angka 65 Mpa, tekanannya dijaga hingga
5 menit. Kemudian dilakukan pengamatan bahwa tidak ada titik kebocoran
pada batang. Hal itu mengindikasikan bahwa struktur mikro dari proses
vertikal continous casting batang 400-15 padat dan penyusutan rongganya
sedikit dan terdapat penyusutan porositas.
BAB IV
KESIMPULAN
Pengujian dilakukan untuk mengetahui karakteristik dari hollow cast-
iron bar yang diprosuksi menggunakan metode vertikal continuous casting
dan sand casting. Dari pengujian karakterisasi tersebut dapat disimpulkan
bahwa:
a. Besi cor berongga yang berkekuatan tinggi dengan diameter 80-
30 mm, ketebalan dinding 7–40 mm dan panjang hingga 10 m
sudah berhasil diproduksi menggunakan proses vertikal continous
casting.
b. Sifat-sifat mekanik dan mikro struktur dari hollow cast-iron bar
hasil vertikal continuous casting jauh lebih unggul dibanding
hollow cast-iron bar hasil dari proses sand casting. Sifat-sifat
mekanik dan struktur mikro hollow cast-iron bar pada vertikal
continuous casting lebih baik dibandingkan pada sand casting.
c. Elemen–elemen didistribusikan secara merata di sepanjang arah
radius dan tidak dijumpai pemisahan pada batang besi. Penyusutan
rongganya sedikit dan terdapat penyusutan porositas.
d. Ukuran butir dari grafit dan ferit jauh lebih halus daripada batang
besi hasil dari sand casting dan kekuatan dari vertikal continous
casting batang besi skala 400-15 mirip dengan batang besi skala
500-7.
DAFTAR PUSTAKA
Yan∗, G., Xu,Y., Jiang, B., 2011. The production of high-density hollow cast-iron bars by vertically continuous casting. Journal of Materials Processing Technology 212 (2012) 15– 18
Surdia, Tata. 1996. Teknik Pengecoran Logam. Jakarta: Pradnya Paramita