Mengenal Proses Pengecoran Logam

Mengenal Proses Pengecoran Logam - Pengecoran (casting) adalah suatu proses penuangan materi cair seperti logam atau plastik yang dimasukkan ke dalam cetakan, kemudian dibiarkan membeku di dalam cetakan tersebut, dan kemudian dikeluarkan atau dipecah-pecah untuk dijadikan komponen mesin.

Pengecoran digunakan untuk membuat bagian mesin dengan bentuk yang kompleks. Pengecoran digunakan untuk membentuk logam dalam kondisi panas sesuai dengan bentuk cetakan yang telah dibuat.

Pengecoran dapat berupa material logam cair atau plastik yang bisa meleleh (termoplastik), juga material yang terlarut air misalnya beton atau gips, dan materi lain yang dapat menjadi cair atau pasta ketika dalam kondisi basah seperti tanah liat, dan lain-lain yang jika dalam kondisi kering akan berubah menjadi keras dalam cetakan, dan terbakar dalam perapian.

Proses pengecoran dibagi menjadi dua, yaitu : expandable (dapat diperluas) dan non expandable (tidak dapat diperluas). Pengecoran biasanya diawali dengan pembuatan cetakan dengan bahan pasir. Cetakan pasir bisa dibuat secara manual maupun dengan mesin.

Pembuatan cetakan secara manual dilakukan bila jumlah komponen yang akan dibuat jumlahnya terbatas, dan banyak variasinya. Pembuatan cetakan tangan dengan dimensi yang besar dapat menggunakan campuran tanah liat sebagai pengikat.

Dewasa ini cetakan banyak dibuat secara mekanik dengan mesin agar lebih presisi serta dapat diproduk dalam jumlah banyak dengan kualitas yang sama baiknya.

1. Pembuatan Cetakan Manual

Pembuatan cetakan tangan meliputi pembuatan cetakan dengan kup dan drag, seperti pada gambar di bawah ini:

Selain pembuatan cetakan secara manual, juga dikenal pembuatan cetakan dengan mesin guncang, pembuatan cetakan dengan mesin pendesak, pembuatan cetakan dengan mesin guncang desak, prembuatan cetakan dengan mesin tekanan tinggi, dan pembuatan cetakan dengan pelempar pasir.

3. Pengolahan Pasir Cetak

Pasir cetak yang sudah digunakan untuk membuat cetakan, dapat dipakai kembali dengan mencampur pasir baru dan pengikat baru setelah kotoran-kotoran dalam pasir tersebut dibuang. Pasir cetak dapat digunakan berulang-ulang.

Setelah digunakan dalam proses pembuatan suatu cetakan, pasir cetak tersebut dapat diolah kembali tidak bergantung pada bahan logam cair.

Prosesnya dengan cara pembuangan debu halus dan kotoran, pencampuran, serta pendinginan pasir cetak. Adapun mesin-mesin yang dipakai dalam pengolahan pasir, antara lain:

a. Penggiling pasir

Penggiling pasir digunakan apabila pasir tersebut menggunakan lempung sebagai pengikat, sedangkan untuk pengaduk pasir digunakan jika pasir menggunakan bahan pengikat seperti minyak pengering atau natrium silikat.

b. Pencampur pasir

Pencampur pasir digunakan untuk memecah bungkah-bungkah pasir setelah pencampuran. Jadi, pasir dari penggiling pasir kadang-kadang diisikan ke pencampur pasir atau biasanya pasir bekas diisikan langsung ke dalamnya.

c. Pengayakan

Untuk mendapatkan pasir cetak, ayakan dipakai untuk menyisihkan kotoran dan butir-butir pasir yang sangat kasar. Jenis ayakan ada dua macam, yaitu ayakan berputar dan ayakan bergetar.

d. Pemisahan magnetis

Pemisahan magnetis digunakan untuk menyisihkan potonganpotongan besi yang berada dalam pasir cetak tersebut.

e. Pendingin pasir

Dalam mendinginkan pasir, udara pendingin perlu bersentuhan dengan butir-butir pasir sebanyak mungkin.

Pada pendingin pasir pengagitasi, udara lewat melalui pasir yang diagitasi. Adapun pada pendingin pasir tegak, pasir dijatuhkan ke dalam tangki dan disebar oleh sebuah sudu selama jatuh, yang kemudian didinginkan oleh udara dari bawah.

Pendingin pasir bergetar menunjukkan alat di mana pasir diletakkan pada pelat dan pengembangan pasir efektif.

4. Pengecoran Cetakan Ekspandable (Expandable Mold Casting)

Expandable mold casting adalah sebuah klasifikasi generik yang melibatkan pasir, plastiK, tempurung, gips, dan investment molding (teknik lost-wax). Metode ini melibatkan penggunaan cetakan sementara dan cetakan sekali pakai.

5. Pengecoran dengan Pasir (Sand Casting)

Pengecoran dengan pasir membutuhkan waktu selama beberapa hari dalam proses produksinya dengan hasil rata-rata (1-20 unit/jam proses pencetakan) dan proses pengecoran dengan bahan pasir ini akan membutuhkan waktu yang lebih lama terutama untuk produksi dalam skala yang besar.

Pasir hijau/green sand (basah) hampir tidak memiliki batas ukuran beratnya, akan tetapi pasir kering memiliki batas ukuran berat tertentu, yaitu antara 2.300-2.700 kg. Batas minimumnya adalah antara 0,05-1 kg.

Pasir ini disatukan dengan menggunakan tanah liat (sama dengan proses pada pasir hijau) atau dengan menggunakan bahan perekat kimia/minyak polimer. Pasir hampir pada setiap prosesnya dapat diulang beberapa kali dan membutuhkan bahan input tambahan yang sangat sedikit.

Pada dasarnya, pengecoran dengan pasir ini digunakan untuk mengolah logam bertemperatur rendah, seperti besi, tembaga, aluminium, magnesium, dan nikel.

Pengecoran dengan pasir ini juga dapat digunakan pada logam bertemperatur tinggi, namun untuk bahan logam selain itu tidak akan bisa diproses. Pengecoran ini adalah teknik tertua dan paling dipahami hingga sekarang.

Bentuk-bentuk ini harus mampu memuaskan standar tertentu sebab bentuk-bentuk tersebut merupakan inti dari proses pergecoran dengan pasir.

6. Pengecoran dengan Gips (Plaster Casting)

Gips yang tahan lama lebih sering digunakan sebagai bahan dasar dalam produksi pahatan perunggu atau sebagai pisau pahat pada proses pemahatan batu.

Dengan pencetakan gips, hasilnya akan lebih tahan lama (jika disimpan di tempat tertutup) dibanding dengan tanah liat asli yang harus disimpan di tempat yang basah agar tidak pecah.

Dalam proses pengecoran ini, gips yang sederhana dan tebal dicetak, diperkuat dengan menggunakan serat, kain goni, semua itu dibalut dengan tanah liat asli.

Pada proses pembuatannya, gips ini dipindah dari tanah liat yang lembab, proses ini akan secara tidak sengaja merusak keutuhan tanah liat tersebut. Akan tetapi ini bukanlah masalah yang serius karena tanah liat tersebut telah berada di dalam cetakan.

Cetakan kemudian dapat digunakan lagi di lain waktu untuk melapisi gips aslinya sehingga tampak benar-benar seperti tanah liat asli. Permukaan gips ini selanjutnya dapat diperbarui, dilukis, dan dihaluskan agar menyerupai pencetak dari perunggu.

Pengecoran dengan gips hampir sama dengan pengecoran dengan pasir kecuali pada bagian gips diubah dengan pasir. Campuran gips pada dasarnya terdiri dari 70-80 % gipsum dan 20-30 % penguat gipsum dan air.

Pada umumnya, pembentukan pengecoran gips ini membutuhkan waktu persiapan kurang dari 1 minggu, setelah itu akan menghasilkan produksi rata-rata sebanyak 1-10 unit/jam pengecorannya dengan berat untuk hasil produksinya maksimal mencapai 45 kg dan minimal 30 kg, dan permukaan hasilnyapun memiliki resolusi yang tinggi dan halus.

Jika gips digunakan dan pecah, maka gips tersebut tidak dapat diperbaiki dengan mudah. Pengecoran dengan gips ini normalnya digunakan untuk logam non belerang seperti aluminium, seng, tembaga.

Gips ini tidak dapat digunakan untuk melapisi bahan-bahan dari belerang karena sulfur dalam gipsum secara perlahan bereaksi dengan besi. Persiapan utama dalam pencetakan adalah pola yang ada disemprot dengan film yang tebal untuk membuat gips campuran.

Hal ini dimaksudkan untuk mencegah cetakan merusak pola. Unit cetakan tersebut dikocok sehingga gips dapt mengisi lubang-lubang kecil di sekitar pola. Pembentuk pola dipindahkan setelah gips diatur.

Pengecoran gips ini menunjukkan kemajuan, karena penggunaan peralatan otomatis dapat segera digunakan dengan mudah ke sistem robot, karena ketepatan desain permintaan semakin meningkat yang bahkan lebih besar dari kemampuan manusia.

7. Pengecoran Gips, Beton, atau Plastik Resin

Gips sendiri dapat dilapisi, demikian pula dengan bahan-bahan kimia lainnya seperti beton atau plastik resin.

Bahan-bahan ini juga mengunakan percetakan yang sama seperti penjelasan di atas (waste mold) atau multiple use piece mold, atau percetakan yang terbuat dari bahan-bahan yang sangat kecil atau bahan yang elastis seperti karet latex (yang cenderung disertai dengan cetakan yang ekstrim).

Jika pengecoran dengan gips atau beton maka produk yang dihasilkan akan seperti kelereng, tidak begitu menarik, kurang transparan dan biasanya dilukis. Tak jarang hal ini akan memberikan penampilan asli dari logam/batu.

Alternatif untuk mengatasi hal ini adalah lapisan utama akan dibiarkan mengandung warna pasir sehingga memberikan nuansa bebatuan. Dengan menggunakan pengecoran beton, bukan pengecoran gips, memungkinkan kita untuk membuat ukiran, pancuran air, atau tempat duduk luar ruangan.

Selanjutnya adalah membuat meja cuci (washstands) yang menarik, washstands dan shower stalls dengan perpaduan beraneka ragam warna akan menghasilkan pola yang menarik seperti yang tampak pada kelereng/ravertine.

Proses pengecoran seperti die casting dan sand casting menjadi suatu proses yang mahal, bagaimanapun juga komponen-komponen yang dapat diproduksi menggunakan pengecoran investment dapat menciptakan garis-garis yang tak beraturan dan sebagian komponen ada yang dicetak near net shape sehingga membutuhkan sedikit atau bahkan tanpa pengecoran ulang.

8. Pengecoran Sentrifugal (Centrifugal Casting)

Pengecoran sentrifugal berbeda dengan penuangan gravitasi-bebas dan tekanan-bebas karena pengecoran sentrifugal membentuk dayanya sendiri menggunakan cetakan pasir yang diputar dengan kecepatan konstan.

Pengecoran sentrifugal roda kereta api merupakan aplikasi awal dari metode yang dikembangkan oleh perusahaan industri Jerman Krupp dan kemampuan ini menjadikan perkembangan perusahaan menjadi sangat cepat.

9. Die Casting

Die casting adalah proses pencetakan logam dengan menggunakan penekanan yang sangat tinggi pada suhu rendah. Cetakan tersebut disebut die.

Rentang kompleksitas die untuk memproduksi bagian-bagian logam non belerang (yang tidak perlu sekuat, sekeras, atau setahan panas seperti baja) dari keran cucian sampai cetakan mesin (termasuk hardware, bagian-bagian komponen mesin, mobil mainan, dsb).

Logam biasa seperti seng dan alumunium digunakan dalam proses die casting. Logam tersebut biasanya tidak murni melainkan logam logam yang memiliki karakter fisik yang lebih baik.

Akhir-akhir ini suku cadang yang terbuat dari plastik mulai menggantikan produk die casting banyak dipilih karena harganya lebih murah (dan bobotnya lebih ringan yang sangat penting khususnya untuk suku cadang otomotif berkaitan dengan standar penghematan bahan bakar).

Suku cadang dari plastik lebih praktis (terutama sekarang penggunan pemotongan dengan bahan plastik semakin memungkinkan) jika mengesampingkan kekuatannya, dan dapat didesain ulang untuk mendapatkan kekuatan yang dibutuhkan.

Terdapat empat langkah utama dalam proses die casting. Pertamatama cetakan disemprot dengan pelicin dan ditutup. Pelicin tersebut membantu mengontrol temperatur die dan membantu saat pelepasan dari pengecoran.

Logam yang telah dicetak kemudian disuntikkan pada die di bawah tekanan tinggi. Takanan tinggi membuat pengecoran setepat dan sehalus adonan. Normalnya sekitar 100 MPa (1000 bar).

Setelah rongganya terisi, temperatur dijaga sampai pengecoran menjadi solid (dalam proses ini biasanya waktu diperpendek menggunakan air pendingin pada cetakan).

Terakhir die dibuka dan pengecoran mulai dilakukan. Yang tak kalah penting dari injeksi bertekanan tinggi adalah injeksi berkecepatan tinggi, yang diperlukan agar seluruh rongga terisi, sebelum ada bagian dari pengecoran yang mengeras.

Dengan begitu diskontinuitas (yang merusak hasil akhir dan bahkan melemahkan kualitas pengecoran) dapat dihindari, meskipun desainnnya sangat sulit untuk mampu mengisi bagian yang sangat tebal.

Sebelum siklusnya dimulai, die harus di-instal pada mesin die pengecoran, dan diatur pada suhu yang tepat. Pengesetan membutuhkan waktu 1-2 jam, dan barulah kemudian siklus dapat berjalan selama sekitar beberapa detik sampai beberapa menit, tergantung ukuran pengecoran.

Batas masa maksimal untuk magnesium, seng, dan aluminium adalah sekitar 4,5 kg, 18 kg, dan 45 kg. Sebuah die set dapat bertahan sampai 500.000 shot selama masa pakainya, yang sangat dipengaruhi oleh suhu pelelehan dari logam yang digunakan.

Aluminium biasanya memperpendek usia die karena tingginya temperatur dari logam cair yang mengakibatkan kikisan cetakan baja pada rongga. Cetakan untuk die casting seng bertahan sangat lama karena rendahnya temperatur seng.

Sedang untuk tembaga, cetakan memiliki usia paling pendek dibanding yang lainnya. Hal ini terjadi karena tembaga adalah logam terpanas. Seringkali dilakukan operasi sekunder untuk memisahkan pengecoran dari sisa-sisanya, yang dilakukan dengan menggunakan trim die dengan power press atau hidrolik press.

Metode yang lama adalah memisahkan dengan menggunakan tangan atau gergaji. Dalam hal ini dibutuhkan pengikiran untuk menghaluskan bekas gergajian saat logam dimasukkan atau dikeluarkan dari rongga.

Pada akhirnya, metode intensif, yang membutuhkan banyak tenaga digunakan untuk menggulingkan shot jika bentuknya tipis dan mudah rusak. Pemisahan juga harus dilakukan dengan hati-hati. Kebanyakan die caster melakukan proses lain untuk memproduksi bahan yang tidak siap digunakan. Yang biasa dilakukan adalah membuat lubang untuk menempatkan sekrup.

10. Kecepatan Pendinginan

Kecepatan di saat pendinginan cor mempengaruhi properti, kualitas dan mikrostrukturnya. Kecepatan pendinginan sangat dikontrol oleh media cetakan. Ketika logam yang dicetak dituangkan ke dalam cetakan, pendinginan dimulai.

Hal ini terjadi, karena panas antara logam yang dicetak mengalir menuju bagian pendingin cetakan. Materi-materi cetakan memindahkan panas dari pengecoran menuju cetakan dalam kecepatan yang berbeda.

Contohnya, beberapa cetakan yang terbuat dari plaster memungkinkan untuk memidahkan panas dengan lambat sekali sedangkan cetakan yang keseluruhannya terbuat dari besi yang dapat mentranfer panas dengan sangat cepat sekali.

Pendinginan ini akan berakhir dengan pengerasan di mana logam cair berubah menjadi logam padat. Pada tahap dasar ini, pengecoran logam menuangkan logam ke dalam cetakan tanpa mengontrol bagaimana pencetakan mendingin dan logam membeku dalam cetakan.

Ketika panas harus dipindahkan dengan cepat, para ahli akan merencanakan cetakan yang digunakan untuk mencakup penyusutan panas pada cetakan, disebut dengan chills. Fins bisa juga didesain pada pengecoran untuk panas inti, yang kemudian dipindahkan pada proses cleaning (juga disebut fetting).

Kedua metode bisa digunakan pada titik-titik lokal pada cetakan dimana panas akan disarikan secara cepat. Ketika panas harus dipindahkan secara pelan, pemicu atau beberapa alas bisa ditambahkan pada pengecoran.

Pemicu adalah sebuah cetakan tambahan yang lebih luas yang akan mendingin lebih lamban dibanding tempat dimana pemicu ditempelkan pada pengecoran.

Akhirnya, area pengecoran yang didinginkan secara cepat akan memiliki struktur serat yang bagur dan area yang mendingin dengan lamban akan memilki struktur serat yang kasar.