Pengaruh Proses Pengecoran Logam terhadap Pembentukan Struktur Paduan

R. Widodo; Dosen Teknik Pengecoran Logam. Politeknik Manufaktur Negeri Bandung

1. Perubahan kurva Diagram Biner akibat kecepatan pendinginan tinggi.

Paduan yang dianalisis berdasarkan Diagram Biner pada umumnya menggunakan asumsi kondisi keseimbangan (equilibrium) dapat dicapai, dimana paduan dianggap didinginkan secara sangat lambat mulai dari keadaan cair hingga suhu kamar.

Secara teknis kondisi demikian tidak mungkin dapat dicapai mengingat kecepatan pendinginan pada proses pengecoran logam tidak v ≈ 0 K/s. Diagram Biner pada kecepatan pendinginan v >> 0 tidak dapat lagi diberlakukan dan kurva-kurva yang digambarkan berdasarkan kondisi keseimbangan bergeser sedemikian rupa sehingga hanya dapat dipergunakan secara kualitativ ataupun dipastikan melalui proses penelitian. Dalam hal ini yang masih dapat memberikan infomasi kepada kita hanyalah arah-arah dari kurva yang masih sama dengan kurva keseimbangan.

Pada proses pengecoran logam kristal campuran yang homogen praktis tidak pernah dapat dicapai. Pendinginan berlangsung demikian cepat, sehingga proses difusi tidak mendapat kesempatan untuk menjadikan bahan homogen sebagaimana bila pendinginan berlangsung lambat.

Gambar 1. Pergeseran kurva likuidus dan solidus pada pendinginan cepat.

a. Pergeseran kurva akibat kurangnya penyesuaian konsentrasi antara kristal primer dengan sisa cairan. b. Pergeseran kurva Analisa Termal.

Gambar 1 mengilustrasikan pergeseran kurva kelarutan kristal campuran a pada paduan CuSn8 (Cu = 92%, Sn = 8%). Pada 1100 oC paduan merupakan cairan yang homogen. Dengan proses pendinginan lambat, pada temperatur TL = 1030 oC kristal campuran primer pertama K1 akan mulai terbentuk dengan komposisi 1.5% Sn dan 98.5% Cu. Karena kristal yang terbentuk dan tumbuh menmiliki kandungan Sn lebih sedikita dari komposisi paduan tersebut, maka kandungan Sn didalam sisa cairan akan semakin tinggi.

Pada penurunan temperatur hingga T2 = 975 oC kristal bertambah besar dengan tumbuhnya kristal-kristal baru. Kristal K2 tumbuh dengan mengambil Sn dari sisa cairan secara difusi sehingga memiliki komposisi Sn = 13.5% dan Cu = 86.5%. Pendinginan lambat berlangsung terus dimana komposisi kristal berubah secara periodik dari K2 menjadi K3 dan K4, sementara itu komposisi sisa cairan berubah dari S2, S3 dan S4. Pada Temperatur Solidus TS = 890 oC secara keseluruhan paduan ini telah membeku dan secara keseluruhan memiliki komposisi 8% Sn.

Pada interval pembekuan ∆T = TL – TS = 1030 – 890 = 140 K, seharusnya terjadi perbedaan komposisi kristal mulai dari K1 = 1.5 % hingga K4 = 8%. Namun, karena pembekuan berlangsung lambat, terjadi penyeimbangan konsentrasi secara difusi dan konveksi (pencampuran secara mekanis semasa cair).

Untuk kecepatan pendinginan yang tinggi pada proses pengecoran logam dari 1030 oC ke 975 oC, penyesuaian konsentrasi secara difusi dari K1 ke K2 tidak sempat terjadi. Kristal primer yang terbetuk pertama K1 tidak cukup waktu untuk memiliki konsentrasi Sn agar dapat mencapai konsentrasi K2 = 3.5% Sn sehingga hanya memiliki komposisi K2’ = 2.5% Sn. Dan dengan demikian sisa cairan memiliki kandungan Sn sehingga pada temperatur tersebut tidak memiliki komposisi S2 melainkan S2’.

Pada temperatur solidus yang seharusnya TS = 890 oC, kristal baru memiliki komposisi K4’ dan cairan memiliki komposisi S4’. Secara matematis keadaan ini dapat dihitung sebagai berikut:

a = K4 – K4’ = 8 – 6 = 2.

b = S4’ – S4 = 24 – 8 = 16.

Sehingga:

 

 

Pembekuan masih berlanjut hingga komposisi kristal mencapai K5’ = 8% Sn dan 92 Cu. Dan pada contoh diatas baru akan tercapai pada temperatur 850 oC. Artinya, temperatur soliduspun menjadi lebih rendah dan diilustrasikan pada gambar 1.b berupa garis terputus-putus.

Kristal campuran yang tertransformasi tidak pada kondisi keseimbangan akan tampak melalui mikroskop sebagai bentuk yang berlapis-lapis (gambar 2).

Gambar 2. Kristal inhomogen yang berlapis-lapis (segregasi kristal).

Kristal yang tumbuh terlebih dahulu memiliki komposisi yang berbeda dengan kristal yang terbentuk berikutnya yang memiliki konsentrasi paduan lebih tinggi. Bentuk kristal inhomogen ini disebut Segregasi Kristal.

Pada kasus-kasus difusi yang tidak sempat tercapai, dapat terjadi karena sisa cairan menjadi sedemikian kaya akan unsur paduan. Cairan akan tertransformasi sebagai kristal baru yang berdiri sendiri dan tidak tumbuh pada kristal-kristal primer yang telah ada sebelumnya.

Besar dari segregasi kristal ditentukan oleh faktor-faktor berikut:

  • Kecepatan pendinginan.
  • Kecepatan difusi unsur paduan kedalan unsur utama.
  • Panjang interval pembekuan (TL – TS)

Kristal campuran akan tersegregasi semakin banyak bila kecepatan pendinginan semakin tinggi, kecepatan difusi semakin rendah dan semakin panjanggnya interval pembekuan.

Mengingat hapir semua paduan teknis secara keseluruhan atau setidaknya sebagian besar terdiri dari kristal campuran, maka hampir dapat dipastikan, pada proses pengecoran logam akan terjadi segregasi kristal. Namun karena produk yang dibuat dikehendaki terdiri dari kristal-kristal campuran yang homogen, maka segregasi ini harus diatasi.

Solusi untuk mengatasi segregasi kristal adalah Homogenizations Treatment (proses perlakuan panas homogenisasi), dimana paduan inhomogen dipanaskan pada temperatur yang memadai serta ditahan pada waktu yang cukup lama sehingga perbedaan konsentrasi paduan antar lapisan kristal dapat saling menyesuaikan diri secara difusi. Dengan andanya perubahan struktur mikro, maka sedikit banyak sifat-sifat teknis paduan akan berubah.

Gambar 3. 92% Cu + 8% Sn, kristal campuran a inhomogen. Segregasi kristal.

Gambar 4. 92% Cu + 8% Sn, proses pengecoran dan holding 5 jam pada 500 oC

Gambar 5. 92% Cu + 8% Sn, proses pengecoran dan holding 5 jam pada 550 oC

Gambar 6. 92% Cu + 8% Sn, proses pengecoran dan holding 5 jam pada 600 oC

Gambar 7. 92% Cu + 8% Sn, proses pengecoran dan holding 5 jam pada 650 oC

Gambar 8. 92% Cu + 8% Sn, proses pengecoran dan holding 5 jam pada 800 oC

Gambar 3 memperlihatkan struktur mikro dari paduan 92% Cu dan 8% Sn yang dicor dengan temperatur 110 oC kedalam cetakan logam tebal untuk mendapatkan kecepatan pendinginan yang cukup tinggi. Hasilnya adalah suatu struktur dengan lengan-lengan dendrit yang miskin Sn serta secara jelas dapat dibedakan dengan struktur sekitarnya yang karena kaya dengan kandungan Sn tampak lebih keras.

Gambar 4 sampai 8 memperlihatkan pengaruh dari temperatur pemanasan terhadap perubahan strukturt mikro paduan ini. Penahanan 5 jam pada temperatur 500 oC sudah menampakkan suatu efek penyeragaman konsentrasi yang tampak dari perubahan struktur sebagaimana tampak pada gambar 4. Geometri dari dendrit maupun batas-batasnya masih tampak jelas namun sudah tidak sekontras pada gambar 3. Demikian pula pada pemanasan 550 oC (gambar 5), dendrit semakin tampak samar sedangkan batas-batas butiran dari kristal campuran sudah mulai tampak dengan jelas.

Pada pemanasan yang lebih tinggi (600 oC), dendrit sudah sama sekali menghilang (gambar 6). Struktur sudah terbentuk sebagai geometri poligonal (sudut banyak) yang kecil-kecil dimana pada bagian-bagian tertentu tampak pula bangun kembar (twin structure). Dan pada pemanasan selanjutnya (650 oC juga 800 oC) terjadi perkembangan ukuran butiran, sementara itu penyesuaian konsentrasi yang masih terus terjadi sudah tidak terlihat fenomenanya (gambar 7 dan 8).

Peristiwa pergeseran kurva biner akibat pendinginan yang tidak equilibrium terjadi pula pada diagram biner eutektik. Gambar 9 memperlihatkan pergeseran tersebut pada diagram biner eutektik untuk konsentrasi paduan L1. Sesaat setelah melalui temperatur eutektik, seharusnya struktur hanya terdiri dari kristal campuran α. Namun akibat dari kecepatan pendinginan yang terlalu tinggi, pada pembentukannya unsur B hanya larut sedikit didalam kristal α dibandingkan pada kurva equilibrium. Sebagaimana diperlihatkan pada gambar, pada suhu liquidus T1 komposisi α tidak menjadi C0 melainkan C1. Juga masih terdapat sisa cairan yang baru akan membeku pada penurunan temperatur selanjutnya.

Pada temperature eutektik TE, komposisi kristal baru merncapai C2 dan sisa cairan segera tertransformasi secara eutektik. Dengan demikian struktur akhir menjadi α dengan komposisi C2 dan eutektikum antara kristal α dengan komposisi C2 dan unsur B. Melalui proses homogenisasi yang cermat kondisi keseimbangan pada struktur mikro dapat dicapai sehingga yang terjadi adalah kristal α dengan komposisi C0 tanpa eutektikum.

Gambar 9. Nonequilibrium pada sistim eutektik biner.

Gambar 10. Pembentukan dua kristal primer pada sistim eutektik biner.

Kadang-kadan terjadi pembentukan dua kristal primer akibat dari kecepatan pendinginan yang tinggi. Hal ini sering menjadi penyebab kekeliruan dalam menganalisis suatu struktur mikro. Contoh adalah pada paduan L1 (gambar 10). Sesaat setelah temperatur liquidus T1 seharusnya kristal yang terbentuk adalah a. Namun karena cepatnya pendinginan hal tersebut tidak terjadi dan penurunan suhu berlanjut terus hingga T2, dimana T2 < TE. Pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur eutektik ini tebentuk kristal campuran b primer.

Namun demikian sebagai akibat dari pengaruh proses, pada saat yang sama sebagian kecil dar kristal α primer sudah terbentuk. Maka pada akhirnya diantara struktur eutektik yang terjadi dari sisa cairan tersebar kristal campuran α dan β sekaligus.

Fenomena ini sangat sering terjadi pada paduan AlSi dimana kandungan Si didalam paduan sangat dekat dengan eutektiknya. Didalam struktur mikronya ditemukan dendrite dari α primer, kristal Si primer dan eutektik (gambar 11).

Gambar 11. Paduan AlSi 13. Graffiti Die Casting tanpa modifikasi.

α primer dan kristal Si diantara eutektik yang halus.

2. Struktur Coran.

Pada proses pengecoran logam, selama pendinginan cairan membeku tidak seragam. Pada awalnya akan terbentuk partikel-partikel kristal sangat kecil yang tidak tampak dibawah mikroskop biasa dan disebut inti. Pada inti ini, atom-atom dalam cairan saling berkoloni (menempatkan diri) sehingga lambat laun inti membesar sebagai kristal yang dapat diamati dibawah mikroskop. Dalam hal ini cairan logam berubah mencadi padat dengan dua modus:

  1. Pada proses pembekuan terbentuk inti yang sangat sedikit, sehingga kuantitativ jumlah kristal yang tumbuh menjadi butiranpun hanya sedikit, namun berukuran besar (kasar).
  2. Pada proses pembekuan terbentuk inti yang banyak, dengan demikian kristal yang tumbuhpun berjumlah banyak namun memiliki ukuran yang kecil (halus).

Jumlah inti yang terbentuk dapat dikendalikan dengan mengatur proses peleburan maupun penuangan, sehingga dengan demikian dapat pula dibuat material dengan struktur yang direncanakan. Secara kualitativ proses pembekuan dapat didefinisikan sebagai Kecepatan Pengkristalan (KP) dan Jumlah Inti (JI).

Kecepatan Pengkristalan (KP) adalah perpanjangan kristal kesalah satu arah setiap satuan waktu, dengan satuan  mm/menit. Sedangkan Jumlah Inti (JI) adalah jumlah inti kristal yang terbentuk dalam setiap satuan waktu dalam 1 cm3 cairan, dengan satuan cm-3min-1. KP dan JI tidak berhubungan satu sama lain, sebab pada proses kristalisasi, sisa cairan, dimana masih dapat terbentuk inti-inti baru volumenya terus menyusut.

KP dan JI juga bukan merupakan besaran konstan, melainkan dipengaruhi oleh adanya Undercooling (∆T = TR – T0) dimana TR = Temperatur actual cairan dan T0 = Temperatur pembekuan ideal. Pada titik cair/beku ideal dimana ∆T = 0, maka baik KP maupun JI sama dengan nol. Pembentukan inti yang merupakan reaksi eksotermal kemudian memberikan enerji yang dilepaskannya sehingga mengakibatkan tejadi pemanasan kembali cairan yang sedang didinginkan.

Dengan demikian semakin bertambahnya undercooling meningkat pula KP dan JI proporsional dengan ∆T. Struktur mikro yang terbentuk kemudian sangat dipengaruhi oleh bagaimana hubungan antara ∆T disalah satu pihak dengan KP dan JI pada pihak yang lain, serta undercooling yang terjadi.

Gambar 12 memperlihatkan 2 kemungkinan terjadinya undercooling. Bila JI untuk setiap undercooling lebih besar dari KP akan terbentuk struktur yang halus a). Sedangkan bila KP lebih besar dari JI maka akan didapatkan struktur yang kasar.

Gambar 12. Pengaruh kecepatan pengintian dan jumlah inti terhadap kekasaran butiran.

a)      JI > KP: Strutur halus.

b)      JI < KP Struktur kasar.

Suktur yang disebut sebagai Struktur Coran. Sebagaimana diperlihatkan secara skematik pada gambar 13 dan patahan produk baja cor paduan mangan pada gambar 14.

Gambar 13. Tiga Struktur Coran (skematis)

I: Kristal halus dan globular pada kulit terluar.

II: Daerah kristal transisi.

III: Kristal kasar dan globular pada daerah tengah.

Cairan logam akan segera membeku begitu menyentuh permukaan rongga cetakan pasir, karena pendinginan yang begitu cepat terjadi pula undercooling yang besar sehingga terbentuk inti dalam jumlah yang banyak. Sebagaimana ilustrasi gambar 13, maka bentuk ristal yang terjadi kemudian adalah globular kecil. Pendinginan selanjutnya akan menghasilkan kristal yang tumbuh secara leluasa kearah pusat panas (daerah tengah), sementara pertumbuhan kesamping segera akan terhambat oleh kristal-kristal disampingnya.

Pada dasarnya pertumbuhan kristal transisi mamiliki panjang yang terbatas. Pada dareah pusat akan ditemukan lagi struktur kristal globular. Hal ini dapat terjadi karena pada daerah ini akibat dari kotoran (impurity), yang selalu terdapat didalam cairan, pada saat terbentuknua kristal transisi terdesak dan berkumpul kearah pusat. Kotoran ini pada akhirnya juga berfungsi sebagai inti pembekuan yang karena jumlahnya yang banyak menyebabkan terbentuknya kristal globular.

Gambar 14. Struktur patahan baja cor padaun Mn

Skala: = 1 : 1

Pembentukan struktur coran selain oleh komposisi cairan maupun kotoran yang terkandung didalamnya, dipengaruhi pula oleh teknis operasional proses peleburan, penuangan maupun pendinginan. Pengaruh terbesar adalah pada media cetakan yang dicor, apakah cetakan pasirt atau cetakan logam yang dalam hal ini masih harus memperhatikan berat, ketebalan dinding, luas penampang maupun temperaturnya.

Gambar 15 dan 16 memperlihatkan struktur dari paduan Al dengan kandungan 0.2% Fe, dan 0.3% Si yang dicor pada media cetakan maupun kecepatan pendinginan yang berbeda-beda.

Gambar 15. Struktur cor dari Al 95%, dicor pada cetakan logam dengan temperatur berbeda-beda.

Gambar 16. Struktur cor dari Al 95%, dicor pada cetakan pasir dengan temperatur berbeda-beda.

Ukukuran butiran yang lebih halus akibat pendinginan cepat pada media cetakan logam tampak jelas berbeda dengan cetakan pasir. Pada media cetakan pasir pendinginan berlangsung lebih lambat sehingga memberikan cukup waktu bagi kristal untuk berkembang lebih besar.

3. Segregasi.

Segregasi adalah fenomena penguraian struktur logam yang terjadi selama proses pembekuan, sehingga akan terjadi struktur yang tidak homogen. Segregasi Kristal telah dibahas pada awal tulisan ini, sedangkan jenis segregasi lainnya adalah Segregasi Berat Jenis dan Segregasi Blok.

Segregasi berat jenis tidak hanya terjadi pada paduan dengan hambatan pada pelarutan saja, melainkan terjadi pada semua jenis paduan yang memiliki perbedaan berat jenis antara kristal primer dengan sisa cairan. Semakin besar perbedaan berat jenisnya, maka kecenderungan terjadi penguraian (pemisahan) akan semakin besar pula terutama bila kristal yang terjadi cukup masiv serta pada kondisi pendinginan yang tenang dan lambat.

Gambar. 17. Segregasi kristal paduan Pb 85% dengan Sb 15%.

Didinginkan secara lambat.

Gambar 18. Srtuktur mikro dari gambar 17.

Daerah transisi antara daerah atas dengan kandungan Sb tinggi dengan daerah eutektik.

Paduan PbSb memiliki eutektik pada komposisi Sb 11.1%, sehingga untuk komposisi Sb 15% akan terbentuk kristal primer Sb dengan BJ = 6.7 g/cm3. Dibandingkan dengan Pb dengan BJ = 11.3 g/cm3, kristal Sb jauh lebih ringan sehingga dengan demikian akan mengambang kepermukaan cairan (gambar 17 dan 18). Penguraian ini terjadi sedemikian rupa sehingga sebagaimana struktur cor pada umumnya, akan terbentuk 3 jenis kristal yaitu daerah permukaan atas yang kaya akan kristal Sb, daerah transisi yang terdiri dari eutektikum dan daerah pusat yang miskin Sb dan terkadang ditemukan kristal primer Pb.

Segregasi berat jenis, mengingat pemisahan terjadi secara makro terhadap fasa-fasanya, solusi tidak dapat dilakukan melalui proses perlakuan panas. Menghindarinya hanya dapat dilakukan melalui pengendalian proses peleburan maupun penuangan, misalnya penuangan dengan cepat.

Jenis segregasi lainnya yang sering terjadi khususnya pada pengecoran baja adalah Segregasi Blok. Hal ini terjadi karena kristal-kristal transisi besi, yang didalam komposisinya mengandung impurity seperti sulfur, phosphor dan karbon, mendesak impurity tersebut menuju kepusat sehingga penumpukannya didaerah pusat menjadi semakin luas sebagaimana tampak pada gambar 19.

Gambar 19. Segregasi Blok pada bangun kubus baja cor.

Segregasi blok ini sebagaimana segregasi berat jenis tidak dapat diatasi melalui proses perlakuan panas karena jarak pemisahan atara bagian material bersih dengan daerah pusat dengan pengumpulan impurity terlalu jauh. Pengerjaan pemesinan untuk produk yang mengandung bagian segregasi blok akan menjadi sulit mengingat akan ditemukan bagian-bagian yang memiliki karakteristik ketermesinan yang berbeda-beda. Sedangkan pada proses pengelasan harus diperhatikan agar kampuh las tidak berada pada bagian segregasi.

Pada kasus tertentu dapat terjadi segregasi blok dalam keadaan terbalik, khususnya pada bahan tembaga paduan dan aluminium paduan. Hal ini terjadi misalnya karena efek kapiler pada dendrit, tekanan pada bagian kulit luar cairan yang mulai membeku, tekanan gas yang terbentuk didalam cairan dan pertumbuhan dendrite yang terlalu dini, dimana hal tersebut akan menekan sebagian dari impurity dalam sisa cairan keluar dari daerah segregasi dipusat cairan. Sehingga justru pada bagian ini terjadi tingkat impurity yang lebih rendah dari pada bagian luar.

4. Shrinkage (rongga susut).

 Pada pendinginan cairan hingga temperatur kamar terjadi 3 perubahan volume (penyusutan) yang berbeda sebagaimana diilustrasikan pada gambar 20.

Gambar 20. ketergantungan volume spesifik tembaga terhadap temperatur.

a. Penyusutan linier selama pendinginan cairan dari Tcor hingga TL.

b. Lompatan penyusutan pada saat terjadi proses pembekuan sejak TL hingga TS.

c. Penyusutan linier setelah kondisi padat tercapai yaitu dari TS sampai Tkamar.

Penyusutan pada daerah a dan b menyebabkan terjadinya rongga susut dalam produk cor. Memperhatikan gambar 20, pada proses pembekuan 1 kg tembaga akan terjadi sebagai berikut:

1000 g tembaga mulai didinginkan dari Tcor = 1250 oC, volume spesifik VS =0.128 cm3/g. memiliki volume V = 128 cm3. Pada pendinginan lambat mencapai temperature TL = 1083 oC akan menyusut sekitar 3 cm3 sehingga akhirnya memiliki V = 125 cm3. Karena berat yang konstan maka VS = 0.125 cm3/g. Dengan asumsi pendinginan merata disetiap titik dan semua arah, maka pada permukaan cairan akan terbentuk lapisan tipis bekuan awal yang mengelilingi volume 125 cm3. Pada pendinginan lanjutan kristal-kristal tumbuh (membeku) pada kulit kearah pusat masa, hingga pada akhirnya seluruh cairan membeku.

Pada proses pembekuan (kristalisasi) ini terjadi perubahan volume dari 125 cm3 menjadi 120 cm3. Sehingga dengan demikian terdapat rongga dibagian pusat sebesar 5 cm3. Rongga ini disebut shrinkage (rongga susut), yang karena berdasarkan lokasi terjadinya dapat dikatagorikan sebagai block shrinkage (rongga susut blok).

Rongga susut ini secara skematis digambarkan pada gambar 21.

Gambar 21. Penggambaran skematis rongga susut.

Pada tebel berikut dapat dilihat perubahan volume beberapa logam pada proses kristalisasinya. Untuk logam tertentu, karena rapatnya posisi atom pada unit selnya justru terjadi pemuaian.

Logam/semilogam Lambang Unsur Unit sel Perubahan volume

%

Aluminium Al FCC -6.3
Tembaga Cu FCC -4.2
Timah HItam Pb FCC -3.4
Perak Ag FCC -5.0
Besi a Fe BCC -4.0
Seng Zn Hexagonal -6.5
Magnesium Mg Hexagonal -3.8
Timah Putih Sn Tetragonal -2.9
Bismut Bi Rombohedral +3.3
Antimon Sb Rombohedral +1.0
Silikon Si Diamondcut +10

Pada prakteknya proses pendinginan tidak terjadi secara merata disetiap titik dan kesemua arah. Hal demikian akan menyebabkan posisi rongga susut tidak lagi tepat berada ditengah, melainkan akan bergeser kebagian mana yang memiliki konsentrasi panas paling tinggi (bagian terakhir membeku).

Gambar 22 memperlihatkan potongan sebuah balok baja yang dicor terbuka kedalam cetakan logam. Pendinginan akan terjadi mulai dari bawah dan dinding kiri-kanan, karena bagian ini terjadi penyerapan panas oleh cetakan. Sedangkan bagian atas yang terbuka tidak membuang panas sebanyak dinding karena konduktivitas termal udara jauh lebih rendah dari cetakan logam. Maka rongga susut terjadi dipermukaan atas dimana pada begian inipun terjadi peristiwa oksidasi cairan oleh O2 dari udara.

Gambar 22. Rongga susut blok pada balok baja.

Pada kasus kasus tertentu rongga susut terjadi sedemikian kecil dan terjadi sebagai akibat dari dendrit yang saling berdesakan karena rongga-rongga aliran sisa cairan selama proses pembekuan semakin lama semakin sempit sehingga tidak dapat dilalui lagi oleh sisa cairan. Dendrit yang terbentuk selanjutnya akan meninggalkan ruang-ruang penyusutan karena tidak terisi cairan. Rongga sususut ini disebut rongga susut mikro (micro shrinkage).

Gambar 23 memperlihatkan suatu rongga susut mikro pada bahan tembaga paduan cor dan gambar 24 pada baja cor.

Gambar 23. Rongga Susut mikro pada tembaga cor paduan.

Gambar 24. Rongga Susut mikro pada baja cor.

Rongga susut mikro akan mengakibatkan bahan menjadi keropos (berpori), namun demikian porositas ini secara alami akan mengurangi kecenderungan rongga susut blok. Terkadang keadaan ini justru menguntungkan, sebab produk dengan cacat rongga susut kecil walaupun banyak dan tersebar lebih dapat ditolerir dari pada rongga susut yang besar walaupun hanya satu. Proses selanjutnya khususnya non cutting process seperti tempa dan rol dapat menghilangkan rongga susut mikro.

Namun demikian untuk suku cadang produk cor, rongga susut mikro bias sangat berbahaya, kerena sudut-sudut tajam rongga (dendritik) dapat berfungsi sebagai alur takik dan menjadi awal retakan ataupun petahan.

5. Rongga gas.

 Setiap cairan logam akan memproduksi gas dalam jumlah yang sangat besar. Ambil contoh 1 kg besi pada 1700 oC dibawah tekanan 1 atm, akan menghasilkan gas sebanyak 340 cm3 uap air. Untuk nikel pada 1600 oC menghasilkan 450 cm3. Gas-gas lain yang merupakan produk proses peleburan adalah oksigen dan nitrogen yang berasal dari udara (O2, N2) dan hasil reaksi dengan lining (H2, N2) maupun reaksi-reaksi peleburan (FeO + C à Fe + CO).

Jumlah gas yang terbentuk sangat ditentukan oleh temperatur dan tekanan cairan. Pada temperatur konstan untuk gas-gas atom ganda berlaku Hukum Tekanan Sieverts, dimana jumlah gas yang terbentuk didalam cairan proporsional dengan akar dari tekanan parsial gas tersebut.

Hal ini membuktikan bahwa gas dari dalam cairan terbentuk dalam bentuk atom dan bukan sebagai molekul.

Kelarutan gas pada logam-logam teknik semacam besi, nikel, aluminium dan tembaga akan meningkat bersama dengan naiknya temperatur dimana gas-gas ini akan dilepaskan kembali pada proses pendinginan. Khususnya pada daerah titik lebur, terjadi lonjakan kelarutan gas yang cukup besar (gambar 25). Bila suatu logam mengalami perubahan fasa pada proses pemanasan, maka setiap perubahan tersebut akan meningkatkan kelarutan gas sesuai dengan jenis kristalnya.

Logam yang dalam waktu lama berada pada keadaan cair akan mengabsorbsi, sesuai dengan tekanan parsialnya, sejumlah tertentu gas dari berbagai macam jenis dimana kemampuan larut gas-gas tersebut didalam cairan akan turun drastis selama proses pembekuan. Gas ini sebagian akan mengambang kepermukaan sehingga cairan tampak seolah-olah mendidih. Sedangkan pada pembekuan yang cepat, maka gas tersebut akan terjebak didalam bahan yang membeku dan membentuk rongga gas diantara dendrit-dendrit maupun kristal-kristal transisi.

Gambar 25. Kelarutan H2 dalam Cu.

Gambar 26. Rongga gas didalam balok baja yang didinginkan dengan turbulensi.

Gas yang muncul, sebagaimana rongga susut, dapat berupa rongga yang besar dan atau porositas. Jumlah gas yang banyak dapat mengakibatkan pemuaian bahan didalam rongga cetakan dimana jumlah, ukuran maupun penyebaran gas tersebut sangat dipengaruhi oleh temperatur cor, temperatur dan proses peleburan, komposisi paduan, pemilihan lining maupun kondisi pembekuan.

Secara teknis gas dapat dihindari dengan teknik peleburan vakum, temperatur peleburan yang rendah, pembekuan lambat, paduan yang tepat, degassing dengan gas mulia maupun bahan-bahan pengikat gas. Untuk proses peleburan tertentu dapat dilakukan dengan membiarkan cairan beku sesaat yang kemudian secara cepat dicairkan kembali dan segera dicor.

Unsur-unsur paduan yang dapat dimanfaatkan sebagai pengikat gas antara lain Mn, Si, Al dan Ca dimana akibat reaksinya dengan O2 akan terbentuk MnO, SiO2, Al2O3 atau CaO.

6. Partikel asing.

Selama proses peleburan dan penuangan dapat terjadi pengotoran cairan oleh partikel-pertikel asing yang pada saat pembekuan tidak dapat keluar dari bahan sehingga pada akhirnya akan menjadi struktur asing yang kadang-kadang sangat merugikan. Munculnya pertikel asing didalam bahan bisa berasal dari luar (partikel exogen) maupun dari dalam bahan itu sendiri (partikel endogen).

Pada proses pengecoran bahan-bahan teknis umum, partikel exogen lebih banyak terjadi dari pada partikel endogen. Partikel exogen dapat berasal dari kotoran yang menempel pada bahan baku, turbulensi pada proses penuangan maupun ketidak cermatan lainnya baik pada saat peleburan hingga cairan dicor kedalam cetakan.

Ragam dari partikel asing yang sangat berfariasi membuat sifat dari bahan menjadi sulit untuk diprediksi dan mengakibatkan bagian-bagian produk yang memiliki kekerasan berfariasi.

Gambar-gambar berikut memperlihatkan bagaimana penampilan partikel asing tersebut didalam struktur mikro.

Gambar 27. Partikel berasal dari pasir cetak pada coran kuningan

 

Gambar 28. Partikel asing yang mengakibatkan pengerasan lokal pada bahan baja cor

Gambar 29. Partikel asing pada patahan sudu turbin. X20Cr13

Gambar 30. Posisi yang sama dengan gambar 29 setelah dipoles dan dietsa.

Gambar 31. Ferrochrom yang tidak terlarutkan pada baja paduan chrom.

 

Gambar 32. Ferrochrom yang tidak larut sebagaimana gambar 31 dengan perbesaran berbeda.

Sumber:

Schumann Hermann;  Metallographie .VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie.Leipzig

Advertisements



%d bloggers like this: