Proses Pengecoran (bagian 4) "Mould / Cetakan"

                Cetakan Pasir

Bahan cetakan yang lazim digunakan adalah pasir, baik yang mengandung lempung sebagai pengikat, maupun pengikat khusus. Bahan cetakan dibagi menjadi dua bagian :

1. Permanen     :  terbuat dari besi dan paduan, grey cast iron, steel dll.
2. Temporer      :  terbuat dari pasir, resin, ceramic, dll.

Proses pembuatan cetakan secara umum diklasifikasikan menjadi dua :

1. Dengan tangan (hand moulding), untuk skala produksi kecil.
2. Dengan mesin (machine moulding), untuk skala produksi besar.

Berdasarkan jenis material yang digunakan diklasifikasikan menjadi :

1. Cetakan pasir (Green sand moulds),
2. Cetakan pasir kering (Dry sand moulds)
3. Cetakan tanah liat (Loam moulds)
4. Cetakan logam (Metal moulds)

                Pasir Cetak

Sifat-sifat yang harus dimiliki pasir cetak adalah :

1. Sifat tahan panas, pasir tidak boleh meleleh di bawah pengaruh panas. Temperatur dimana pasir mulai meleleh disebut titik sinter. Semakin besar butiran pasir semakin tinggi titik sinternya.
2. Permeabilitas (daya salur udara), pasir yang dipadatkan harus dapat dilalui oleh udara gas hasil pemanasan. Permeabilitas tergantung dari besar butir, bentuk butir, kadar air, dan kadar tanah liat (clay).
3. Besar dan bentuk butir, ukuran butir pasir ditunjukkan dengan GFN (Grain Fineness Number) makin tinggi angkanya pasir makin halus. Untuk mengetahui penyebaran dari besar butir pasir dilakukan dengan analisa ayak (Sieve analysa). Bentuk butir pasir diklasifikasikan menjadi bersudut (angular), sebagian bersudut (sub angular), bulat (rounded), kristal (compound).

                                    

Gambar 5.1  Bentuk Butir Pasir

Tabel 5.1  Ukuran Besar Butir Pasir

No	GFN	Metal
1	40 - 50	Baja (Steel )
2	50 - 70	Besi tuang kelabu (Grey cast iron)
3	60 – 80 100 - 140	Tembaga (Coper) dan paduan ringan (Light alloys)

4. Kadar tanah liat (Clay), menurut kadar tanah liatnya pasir alam dibagi menjadi tiga golongan, yaitu

1.    pasir silicious (kadar tanah liat kurang dari 2%), digunakan sebagai inti (core) atau sintetis mould.

2.    pasir dengan kadar clay rendah (3 – 8%), digunakan untuk membuat pasir cetak semi sintetis, dengan menambahkan clay (bentonite).

3.    pasir cetak alam (6 – 25%).

5. Kadar air (moisture content), ini penting untuk menentukan mudah tidaknya suatu pasir dibuat cetakan. Kadar air tinggi menyebabkan permeabilitas rendah, sebaliknya kadar air rendah menyebabkan kekuatan (strength) menurun.
6. Kekuatan tekan basah (Green compression strength), untuk menghindari perubahan bentuk dari cetakan, pasir harus mempunyai kekuatan tekan basah minimum 700 g/cm².
7. Kekuatan geser basah (Green shear strength), untuk mencegah pecahnya pasir bila cetakan diangkut dari model, dianjurkan pasir mempunyai kekuatan geser basah minimu 200 g/cm².
8. Kemampuan alir (Flowability), sifat yang memungkinkan pasir menutupi seluruh model dengan baik, terutama pada dinding vertikal dan sudut. Kemampuan alir dipengaruhi oleh kadar air, besarnya antara 45-55%.
9. Kekerasan  (Hardness), sifat ini penting untuk mendekati tegangan tekan dan geser.

     Tabel 5.2  Pengujian kekerasan cetakan pasir :

No	Tingkat kekerasan	Kekerasan
1	rendah	40
2	medium	50
3	tinggi	70
4	sangat tinggi	85

                Cetakan Pasir dengan Pengikat Khusus

Cetakan pasir basah dengan pengikat lempung adalah murah, teapi kekuatannya rendah, sehingga pasir basah tidak dapat dipakai untuk cetakan benda tipis dan untuk inti. Cetakan kulit (shell mould), CO2, self hardness, dan sebagainya adalah contoh cetakan yang mempergunakan pengikat khusus.

Pembuatan  Cetakan dengan Cara C0₂

Air kaca 3 – 6% ditambahkan pada pasir silica yang mempunyai kadar lempung sesedikit mungkin dan dicampur dengan menggunakan pengaduk pasir. Butir-butir pasir lebih baik agak bundar. Air kaca kaca yang dipakai harus mempunyai perbandingan molekul SiO₂ dan Na₂O lebih dari 2,5 dan air yang bebas di bawah 50% serta mempunyai viskositas rendah. Pencampuran pasir silica dan air kaca dilakukan selama kurang dari 5 menit, dan campuran harus diisolasi dari udara luar dan dalam satu bejana.

Gas CO₂ ditiupkan ke dalam cetakan pada tekanan 1,0 – 1,5 kgf/cm₂, maka cetakan ini akan mengeras dalam waktu singkat. Cara pembuatan cetakan ini disebut cara CO₂. Reaksi pengerasan pada cara CO₂ dijelaskan dengan rumus sebagai berikut :

Na₂O . SiO₂ . xH₂O  +  CO₂                  Na₂CO₃ . xH₂O  +  SiO₂

Metode pembuatan cetakan dengan cara CO2 adalah sebagai berikut :

1.        Pasir dipadatkan ke dalam kotak cetakan (inti) dan lubang angin dibuat dengan menggunakan jarum.

2.        Cetakan ditiup dan jarum-jarum ditarik sehingga terjadi lubang-lubang.

3.        Gas CO₂ dialirkan melalui lubang-lubang itu.

4.        Keluarkan pola dari cetakan (inti).

Gambar 5.2  Proses Pembuatan Cetakan (inti) dengan CO₂

Pembuatan Cetakan dengan Mengeras Sendiri (Self Hardness)

Apabila pengikat khusus dibubuhkan pada pasir cetak maka cetakan yang dibuat dari campuran ini mengeras secara alamiah. Reaksi pengerasan dimulai segera atau beberapa saat setelah pencampuran pasir dengan pengikat. Oleh karena itu waktu pengolahan pasir harus cocok dengan waktu pembuatan cetakan, dan tidak baik membiarkan campuran pasir untuk waktu yang lama setelah pencampuran. Sebagai pengikat dipakai :

Bahan organic :

Bahan pengikat organic yang dipakai adalah minyak yang didenaturkan atau resin furan. Dalam pemakaian minyak tersebut, ditambahkan 1 – 5% minyak pada pasir silica, selain itu ditambah juga sabun logam atau kalium permanganat 0 – 10% dari jumlah minyak, sebagai zat pengoksid.

Dalam pemakaian resin furan, ditambahkan 2 – 3% pasir silica, disamping itu juga ditambahkan asam fosfat atau asam borat sebanyak 20 – 30% dari jumlah resin sebagai pengeras. Untuk mencampur dipakai pengaduk pasir yang biasa dengan waktu pengadukan tersebut dipengaruhi oleh temperature pasir dan keadaan udara luar. Kalau temperature udara luar pada waktu pengolahan pasir dan temperatur pasir rendah, maka oksidasi dan timbulnya kekuatan basah lebih lambat sedangkan kalau pasir dipanaskan, oksidasi dan timbulnya kekuatan basah dipercepat. Derajat peningkatan itu diatur oleh jumlah zat pengeras. Kekuatan pasir setelah pencampuran bertambah sesuai dengan waktu, setelah 24 jam kekuatan tekanannya menjadi 10 – 15 kgf/cm².

Semen

Semen Portland 6 – 12% ditambahkan pada pasir silica, juga selain itu ditambahkan zat pengeras lain seperti gula tetes atau kalsium khlorida dan air sebanyak 50 – 100% dalam perbandingan pada semen yang kemudian diaduk. Pasir dan semen dicampur selama 2 menit oleh pengaduk pasir jenis Shimson, kemudian air ditambahkan dan diaduk selama 3 – 5 menit. Kadang-kadang bubuk kayu atau bubuk arang dicampurkan ke dalamnya untuk memperbaiki sifat mampu ambruknya.

Dalam pembuatan cetakan, pasir campuran semen dimasukkan ke dalam rangka cetakan sewaktu belum kehilangan fluiditasnya, dan pola dikeluarkan sebelum kekuatan pasir semen meningkat, dimana harus diperhatikan agar tidak boleh terjadi retak. Apabila disangsikan akan terjadi kerusakan pada cetakan sewaktu penarikan pola, maka penarikan lebih baik dilakukan setelah cetakan keras. Tentu saja penarikan menjadi lebih sukar. Oleh karena itu permukaan pola lebih baik dibuat halus dan diberi kemiringan yang cukup serta dilapisi dengan minyak encer atau minyak tanah supaya mudah ditarik.

Cetakan berukuran kecil dari pasir campuran semen dipakai sewaktu basah, sedangkan cetakan berukuran besar lebih baik dikeringkan dulu pada temperatur 200 ^oC selama 2 – 3 jam.

Air-Kaca – Terak

Campuran pasir dengan tambahan terak atau semen mengeras pada temperature kamar dan menunjukkan kekuatan yang cukup untuk suatu cetakan karena terak atau semen bekerja sebagai zat pengeras. Pasir macam ini lebih murah dibandingkan dengan pasir pengeras CO₂ dan menunjukkan mamu ambruk yang lebih baik, karenanya kadang-kadang pasir tersebut dipakai. Hal-hal yang harus diperhatikan adalah :

1.        Kekuatan cetakan terjadi dalam waktu yang singkat, lubang-lubang kecil atau gelembung udara terjadi kalau logam cair dituangkan tiba-tiba, sebab terkandung kadar air sisa yang banyak. Oleh karena itu lebih baik kalau menuangkan logam cair ke dalam cetakan 24 jam atau lebih setelah pembuatan cetakan.

2.        Pengambilan pola lebih baik dilakukan 40 -60 menit untuk kup dan 90 -120 menit untuk drag setelah pembuatan cetakan. Zat pemisah harus dipulaskan secukupnya pada pola untuk mencegah karat.

3.        Permukaan cetakan dilapisi dengan bubuk grafit atau sebangsanya. Tanpa pelapis cetakan, pengambilan pasir akan sukar dan permukaan coran menjadi kasar.

Air-Kaca – Bubuk Logam

Campuran pasir air-kaca dan bubuk logam seperti Si atau Al mengeras karena reaksi eksotermis. Reaksi ini sangat keras dan air hilang sebab membentuk hydrogen. Oleh karena itu akan diperoleh cetakan yang kuat tanpa air.

Cara yang mempergunakan fero silicon sebagai bubuk silicon disebut proses-N, ialah cara yang paling terkenal dari tipe ini. Dalam mempergunakan cetakan ini harus memperhatikan hal-hal berikut :

1.      Reaksi kimia harus telah berkahir. Kalu logam cair dituangkan ke dalam cetakan yang reaksinya belum selesai, maka reaksi pembentukan gas hydrogen akan terjadi karena cetakan terpanasi, yang dapat menyebabkan ledakan.

2.      Laju reaksi tergantung pada temperatur udara luar. Oleh karena itu susunan dan waktu pencampuran harus ditentukan pada keadaan normal.

Pelapis Cetakan

Bagi cetakan pasir dengan pengikat khusus harus dipilih pelapis cetakan yang cocok sesuai dengan : nomor kehalusan butir dari pasir, bahan, tebal dan bentuk coran, jenis pengikat, dan sebagainya. Pelapis cetakan di bawah ini adalah yang biasa dipakai, antara lain :

1.        Pelapis ceakan air ; grafit kerak 35 bagian, grafit tanah 35 bagian, lempung tahan api 15 bagian, pengikat (tetes atau lainnya) 3 bagian, bata tahan api kelas tinggi (sebagai contoh, bunga zircon) 12 bagian dan air 100 – 200 bagian diaduk untuk diapakai sebagai pelapis. Kemudian dipulaskan pada permukaan cetakan dan dikeringkan.

2.        Pelapis cetakan kering cepat ; methanol mutu tinggi 100 bagian, resin fenol 2 bagian, terpeten 1,4 bagian diaduk. Campuran tesebut 60 – 70 bagian, grafit kerak 20 bagian, grafit tanah 10 bagian, jelaga kokas 20 bagian, lempung tahan api 10 bagian dan bunga zircon 40 bagian diaduk untuk dipakai sebagai pelapis. Ia dipulaskan  pada permukaan cetakan dan dibakar sehingga pelarutnya terbakar. Pelapis-pelapis cetakan itu dipakai untuk cetakan atau inti dari pasir minyak, cetakan CO2, atau cetakan kulit. Cara penggunaannya ialah dengan memulaskan, menyemprotkan atau mencelupkan dan pemilihan cara tersebut tergantung pada bentuk cetakan atau efisiensi kerja.

                Perlengkapan Cetakan

Penyangga

Penyangga dibuat dari logam yang dipergunakan menyangga inti. Bentuk dan ukuran penyangga harus sesuai dengan keadaan coran, dan bahannya sebaiknya sama dengan bahan coran. Adapun bentuk jenis penyangga antara lain :

-      Penyangga kepala ganda, adalah jenis yang paling lazim dipakai. Jenis ini mempunyai berbagai bentuk dan ukuran. Batang di antara kedua kepala berulir agar mudah berfusi dengan logam. Kedua kepala mempunyai lubang-lubang kecil agar gas yang datang pada penuangan mudah keluar.

-      Penyangga batang, dipakai untuk menyangga inti coran yang besar. Penyangga ini diikat oleh batang panjang pada rangka cetakan, rangka atau mandrel.

-      Penyangga berlubang, dibuat dari pelat baja tipis yang mempunyai banyak lubang yang dapat melewatkan gas keluar dan berfusi dengan logam sekelilingnya. Dipakai untuk coran yang kecil dan coran yang kedap tekanan.

-      Penyangga pelat logam, dibuat dari pelat baja tipis yang dipres. Jenis ini kecil tapi kuat walaupun bersentuhan dengan logam cair.

-      Penyangga coran, dibuat dengan pengecoran logam yang sama dengan logam coran. Dibuat untuk coran yang tebal dan besar.

-      Penyangga radiator, dipakai untuk menyangga inti dari coran kecil. Dipasang pada cincin yang diletakkan pada permukaan cetakan.

                                              

Gambar 5.3 : Berbagai Macam Penyangga

Mandrel

Mandrel adalah kerangka yang diletakkan dalam inti atau cetakan untuk mencegah patahnya inti. Penggunaan yang salah dari mandrel mempengaruhi efisiensi pembuatan cetakan dan opersi pembongkaran selanjutnya, menyebabkan cacat coran. Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam penentuan mandrel adalah :

-      Pertimbangkan mengenai pemuaian panas dalam pengeringan dan penuangan

-      Pertimbangkan mengenai penyusutan coran setelah penuangan

-      Buatlah mandrel yang tahan akan penggunaan berulang

-      Sifatnya memperkuat inti agar mampu menerima tekanan dari logam cair

Pemberat

Dalam penuangan logam cair ke dalam cetakan, kup mengalami daya apung karena logam cair. Maka pemberat perlu diletakkan di atas kup untuk mencegah terapungnya. Pemberat dihitung menurut rumus sbagai berikut :

          W  =  k P A (kgf)   =   (1,5 – 2,0) . λ . A . h  (kgf)

dengan :

P        :  tekanan dinamik dari logam pada permukaan pemisah (kgf/cm²)

          :   P  =  λ h

          :   λ   :  berat jenis logam cair, mis. 0.0073 kg/cm³ untuk besi cor kelabu

          :   h   :  tinggi saluran turun di atas permukaan pemisah

A        :  luas irisan rongga cetakan pada bagan (cm²)

k        :  factor keamanan (1,5 – 2,0)

(Sumber : Diklat Teknik Pengecoran Teknik Mesin Universitas Jember 2006)