Logam Ferrous & Non-Ferrous: Optimasi Desain Cetak untuk Performa dan Efisiensi

Karakteristik dan komposisi logam untuk desain cetak

Setiap logam padat yang dapat dilelehkan dapat dicetak. Pabrik cetak adalah pabrik yang melakukan pekerjaan cetak ini, mengembangkan keahlian dengan sejumlah logam dan metode, dan merancang produk standar untuk memaksimalkan nilai dan efisiensi dalam produksi.

Logam dan metode cetak mempengaruhi satu sama lain: pilihan cetak terbaik untuk sebuah produk dipengaruhi oleh cara logam akan berperilaku dalam keadaan cair, pendingin, dan padat. Untuk dependensi ini, spesialisasi pabrik cetak adalah bagian dari penentuan jenis produk yang mereka buat. Pabrik cetak yang membuat mainan cetak mati untuk anak-anak umumnya bukan pabrik cetak yang sama yang menghasilkan bagian mesin berkualitas tinggi.

Salah satu perbedaan utama dalam spesialisasi adalah apakah pabrik cetak bekerja dengan logam ferrous, non-ferrous, atau keduanya. Definisi logam ferrous adalah logam apa pun yang mengandung besi; logam non-ferrous tidak. Metalurgi ferrous mewakili sekitar 90% produksi logam di seluruh dunia. Besi abu-abu adalah logam yang paling sering dicetak di pabrik cetak. Di luar pabrik cetak, baja adalah aloi ferrous yang paling banyak digunakan dalam industri, konstruksi, dan transportasi.

Pabrik cetak yang spesialisasi dalam metode cetak umum seperti sand casting biasanya bekerja dalam logam yang dipilih untuk kualitas tertentu seperti kemudahan pencairan dan penuangan, penangkapan detail dalam cetakan, perilaku yang dapat diprediksi saat pendingin, dan kesiapan untuk pemesinan atau finishing.

Logam ferrous dan propertinya

Sifat khas besi adalah bahwa ia padat, kuat ketika dicampur dengan karbon, melimpah dan mudah diproses, sangat rapuh terhadap korosi, dan magnetik. Pengaloi besi dengan elemen lain dalam rasio yang berbeda dapat mengurangi atau menghilangkan satu atau lebih dari faktor ini.

Ratusan aloi ferrous yang terkenal. Mereka ditentukan oleh proporsi setiap elemen dalam komposisinya, serta petunjuk tentang pencairan dan finishingnya. Aloi ferrous dengan carbon biasanya disebut besi atau baja, dan dapat mengandung sejumlah elemen lain, dari aluminium hingga vanadium, berdasarkan spesifikasinya. Logam ini biasanya dipilih untuk properti mekaniknya. Insinyur dan desainer mungkin tertarik pada kekuatan leleh, ketahanan, ductility, weldability, elastisitas, geser, dan ekspansi termal, semuanya yang menggambarkan bagaimana materi akan berperilaku di bawah stresor tertentu.

Aspek khas besi ini dapat diubah dalam aloi, yang mencampur besi dengan elemen lain. Baja karat adalah contoh yang baik, dengan beberapa aloi baja karat yang baik yang non-magnetik dan non-korosif. Cara umum untuk mengetahui apakah logam adalah baja adalah dengan memasang magnet padanya, karena besi dalam aloi akan menyebabkan magnet menempel; namun, orang yang telah mencoba menempelkan magnet pada lemari pendingin baja karat mereka tahu ini bukan tes yang akurat. Meskipun besi masih ada dalam aloi ferrous ini, persentase nikel yang tinggi mengubah mikrostruktur baja cukup untuk mencegah reaksi magnetik. Baja karat dapat berkarat, meskipun jauh lebih tahan korosi daripada jenis aloi besi lainnya. Ini adalah karena penambahan kromium. Kromium melindungi dari karat melalui proses yang disebut passivasi, di mana molekul teratas logam oksidasi tetapi tetap terikat kuat pada logam di bawahnya, membentuk cangkir yang tidak dapat ditembus.

Dalam logam ferrous, besi dan baja adalah bahan cetak yang paling umum.

Besi

Cast irons adalah kategori aloi besi dengan kandungan karbon lebih dari 2%. Mereka besi yang relatif murah dan padat. Saat dipanaskan dan dicetak, mereka memiliki aliran yang jauh lebih tinggi pada suhu yang lebih rendah daripada baja, berarti mereka dapat mengalir dan mengisi bagian cetakan yang kompleks dengan efisiensi lebih besar. Cast irons juga menyusut setengah tingkat dari baja saat pendingin.

Cast irons dasar memiliki properti kompresi yang baik, tetapi rapuh: mereka akan pecah sebelum membengkok atau berubah bentuk. Kerentanan ini berarti bahwa grade cast iron yang rapuh tidak digunakan untuk desain dengan detail yang mencolok atau rumit, atau dengan tepi yang sangat tajam, karena fitur ini dapat pecah.

Gray Iron adalah tipe cast iron yang paling umum saat ini diproduksi, ditampilkan dalam segalanya dari sumur hingga cakram rem mobil. Ia mendapat namanya dari warna yang diambil saat pecah, yang abu-abu karena kehadiran grafit sebagai tambahan karbon. Gray iron adalah 2,5–4% karbon menurut berat, dan juga mengandung 1–3% silikon, yang mengstabilkan grafit. Ia memiliki banyak atribut cast iron dasar, dalam hal itu murah dan memiliki aliran yang lebih tinggi dibandingkan baja saat cair, tetapi kehadiran grafit memungkinkan besi untuk sedikit lebih tidak rapuh, memungkinkan pemesinan yang lebih mudah. Gray iron masih tidak fleksibel: ia sangat sedikit membengkok sebelum patah.

Ductile Iron adalah bentuk cast iron di mana karbon yang ditambahkan adalah grafit sferis (nodular). Ductile iron biasanya 3,2–3,6% karbon menurut berat, dan memiliki silikon dan elemen lain. Tingkat ferrite yang lebih tinggi berarti ia terbentuk pada alat pemotong selama pemesinan, jadi sering digunakan dalam manufaktur cetak primer, di mana aliran yang sangat tinggi menjadikannya pilihan yang bagus untuk pekerjaan yang sangat detail. Bentuk sferis grafit yang memberi ductile iron resistensi dampak dan kekuatan tarik yang lebih tinggi daripada cast iron atau gray iron, membuat desain detail atau tepi dapat dilakukan. Ductile iron adalah penambah baru dalam spesifikasi besi, karena pertama kali ditemukan pada 1943.

Baja

Steels semua macam kadang-kadang juga dicetak. Secara umum, baja memiliki kandungan karbon kurang dari 2,14% menurut berat, dan sering kali dialoi dengan elemen lain. Baja memiliki properti mekanik yang lebih kuat daripada cast irons, tetapi apa yang didapatkan dalam ketahanan hilang dalam aliran. Baja cair perlu jauh lebih panas daripada besi cair untuk mengalir ke dalam cetakan detail, dan suhu tinggi yang diperlukan untuk bekerja dengan baja sulit dikelola dan dapat menghambat desain dan finishing objek yang keluar dari cetakan. Seperti semua cetakan, bagian berbeda dari suatu karya dapat mendinginkan pada tingkat yang berbeda, dan diferensial ini menyebabkan stres dalam produk: karena baja menyusut lebih luas dan cepat daripada cast irons, stres ini memerlukan manajemen yang lebih besar dalam cast steel.

Tantangan ini berarti bahwa baja dapat jauh lebih intensif tenaga kerja untuk dicetak dengan baik. Memerlukan perhatian ahli selama semua tahap produksinya. Namun, kekuatan mekanik tinggi dari produk akhir dapat membuat aloi baja pilihan yang jelas untuk beberapa aplikasi, dengan pemesinan yang memberikan finishing akhir.

Aloi besi lainnya

Ada aloi besi lain di luar tipe umum ini, dan digunakan dalam aplikasi spesifik di mana perilaku mekaniknya berguna. Misalnya, elinvar adalah aloi nikel-besi yang tidak melebar dan menyusut pada panas, dan digunakan dalam bagian yang sangat kecil dalam jam dan alat presisi lainnya.

Logam non-ferrous dan penggunaannya

Logam ini mencakup setiap logam dan aloi yang tidak mengandung besi. Daftar singkat logam non-ferrous umum akan mencakup:

• Logam mulia seperti perak, platinum, dan emas
• Tembaga dan aloinya seperti perunggu dan kuningan
• Nickle, Palladium, Platinum
• Titanium
• Aluminium
• Tin, Lead
• Zinc

Dengan rentang materi yang luas dalam pengelompokan ini, banyak properti mekanik yang merekomendasikan besi dapat ditemukan dalam logam non-ferrous. Misalnya, aloi aluminium atau titanium dapat digantikan untuk baja dalam banyak kasus, jika tidak melanggar biaya untuk melakukannya. Kemampuan magnetik besi dapat ditiru dengan nikel, kobalt, atau elemen tanah langka yang dialoi dengan logam lain.

Namun, karena logam non-ferrous sering kali lebih mahal, cenderung dipilih untuk atribut unik mereka, daripada untuk cara mereka dapat berperilaku seperti baja. Bobot lebih rendah, konduktivitas, resistensi korosi, properti non-magnetik, tradisi, atau nilai dekoratif adalah beberapa alasan untuk memilih logam non-ferrous. Beberapa logam dihargai tepat karena mereka langka: sebelum manufaktur aluminium yang luas mungkin dilakukan, aluminium adalah logam mewah yang digunakan dalam peralatan makan kelas tinggi.

Segala macam materi khusus dicetak. Namun, di pabrik cetak pasir tradisional, ada tiga logam cetak non-ferrous yang layak diperhatikan.

Perunggu dan kuningan

Perunggu dan kuningan adalah logam pertama yang dicetak oleh manusia di Zaman Perunggu, dan aloi tembaga ini masih dicetak pasir hingga saat ini. Mereka dilelehkan pada suhu yang jauh lebih rendah daripada bahan ferrous, dan mencetak detail dengan baik, jadi sering digunakan dalam aplikasi dekoratif seperti patung. Perunggu dan kuningan lebih lunak daripada baja, tetapi tahan korosi bahkan dalam kehadiran garam, jadi logam ini digunakan dalam aplikasi laut standar seperti fitting pada perahu. Kuningan juga tahan terhadap “galling,” yang adalah aus logam terhadap dirinya sendiri, jadi kuningan kadang-kadang dicetak untuk bagian mekanik, seperti propeller laut—atau dimesin untuk bearing dan zipper. Kedua aloi ini cukup mahal karena bergantung pada tembaga, logam yang juga banyak diminati untuk properti listriknya.

Aluminium

Aluminium adalah logam dengan densitas yang jauh lebih rendah daripada besi, menjadikannya bahan yang vital dalam aplikasi yang membutuhkan kekuatan tanpa bobot, seperti industri penerbangan udara. Tahan korosi karena aluminium, seperti baja karat, bereaksi terhadap oksidasi dengan menciptakan cangkang oksida logam yang melindunginya.

Aluminium juga memiliki titik leleh yang lebih rendah daripada banyak baja atau besi yang mungkin digantikannya, yang membuatnya lebih mudah dicetak daripada baja, membutuhkan pengawasan lebih sedikit untuk bentuk yang kompleks. Kekurangan terbesar aluminium adalah biaya.

Pertimbangan bahan cetak

Saat merancang cetakan, menemukan logam yang sempurna untuk menyeimbangkan nilai dan bentuk adalah seni dan ilmu. Logam yang tepat untuk pekerjaan akan memuaskan baik estetika dan persyaratan mekanik aplikasi, dan ini akan mempengaruhi metode produksi yang diperlukan untuk membawa prototipe ke produk akhir.

Logam ferrous adalah pilihan paling umum untuk cetakan, sering dipilih karena efisiensi biaya dan properti mekaniknya. Kadang-kadang bukan kekuatan logam yang menentukan pilihan, tetapi properti seperti bobot, resistensi korosi, atau non-magnetik. Aloi non-ferrous seperti perunggu dan kuningan juga dapat dipilih untuk tradisi atau untuk keindahannya.

Konsultasi dengan insinyur dapat membantu desainer menemukan harmoni antara berbagai aspek proyek mereka, memilih logam yang sempurna untuk menghormati baik aplikasi dan anggaran.

Untuk informasi lebih lanjut tentang logam, atau untuk meminta penawaran untuk proyek kustom, silakan hubungi kami.