Pemadatan Logam:Mekanisme, Kecepatan dan Proses | Casting | Ilmu Manufaktur
Pada artikel ini kita akan membahas tentang pemadatan logam:- 1. Mekanisme Pemadatan 2. Tingkat Pemadatan 3. Pemadatan Pengecoran Besar dalam Cetakan Isolasi 4. Pemadatan dengan Resistansi Antarmuka Utama 5. Pemadatan dengan Pengecoran Konstan Suhu Permukaan 6. Pemadatan dengan Ketahanan Utama pada Cetakan dan Logam Padat.
Isi:
- Mekanisme Pemadatan
- Tingkat Pemadatan
- Pemadatan Pengecoran Besar dalam Cetakan Isolasi
- Pemadatan dengan Resistensi Antarmuka Utama
- Pemadatan dengan Suhu Permukaan Pengecoran Konstan
- Pemadatan dengan Ketahanan Utama pada Cetakan dan Logam Padat
1. Mekanisme Solidifikasi:
Logam Murni:
Cairan perlu didinginkan di bawah titik bekunya sebelum pemadatan dimulai. Ini karena energi diperlukan untuk membuat permukaan kristal baru. Tingkat pendinginan super yang diperlukan dikurangi dengan adanya permukaan lain (partikel) yang berfungsi sebagai inti awal untuk pertumbuhan kristal.
Ketika logam cair dituangkan ke dalam cetakan, awalnya (pada waktu t0 pada Gambar 2.14) suhu di mana-mana adalah θ0 . Wajah cetakan itu sendiri bertindak sebagai inti untuk pertumbuhan kristal, dan jika konduktivitas cetakan tinggi, kristal kecil yang berorientasi acak tumbuh di dekat permukaan cetakan.
Selanjutnya, hasil gradien suhu dalam casting, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.14 untuk t1 dan t2 . Sebagai pemadatan berlangsung secara bertahap ke dalam, kristal kolumnar panjang, dengan sumbu tegak lurus ke wajah cetakan, tumbuh. Orientasi pertumbuhan kristal ini diinginkan dari sudut pandang kekuatan pengecoran.
Paduan:
Paduan, tidak seperti logam murni, tidak memiliki suhu beku yang jelas. Pemadatan paduan terjadi pada kisaran suhu. Selama proses ini, padatan yang memisahkan pada suhu yang berbeda memiliki komposisi yang bervariasi.
Karena fakta ini, arah pertumbuhan kristal dalam paduan bergantung pada berbagai faktor, seperti:
(i) Gradien komposisi dalam casting,
(ii) Variasi suhu solidus dengan komposisi, dan
(iii) Gradien termal di dalam cetakan.
Kita akan membahas masing-masing faktor ini dengan mempertimbangkan contoh paduan larutan padat yang diagram fasenya ditunjukkan pada Gambar 2.15.
Biarkan paduan cair memiliki komposisi C0 (dari B di A). Juga, biarkan f menjadi titik beku logam murni A, dan 0 dan ’0 , masing-masing, menjadi suhu likuid dan solidus paduan komposisi C0 .
Saat paduan cair didinginkan hingga suhu 0O , padatan mulai terpisah. Konsentrasi B dalam padatan ini hanya C1 (0 ) seperti yang terlihat dari Gambar 2.15. Akibatnya, konsentrasi B dalam cairan, dekat antarmuka padat-cair, meningkat ke nilai lebih dari C0 . Gambar 2.16 menunjukkan ini untuk situasi di mana bagian depan pemadatan telah berkembang hingga beberapa jarak d dari permukaan cetakan.
Sekarang, mari kita perhatikan dua titik P dan Q di dalam paduan cair, P berada tepat di luar antarmuka padat-cair, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.16. Temperatur solidus yang sesuai dengan komposisi pada P dan Q adalah θ’P dan ’Q , masing-masing (lihat Gambar 2.15). Biarkan P dan Q menjadi suhu sebenarnya di titik P dan Q, masing-masing. T lebih besar dari P karena gradien termal dalam casting (lihat Gambar 2.14). Jika keduanya a dan P terletak pada kisaran ’P ke ’Q , maka cairan di Q mengalami pendinginan super, sedangkan di P tidak. Ini menyiratkan bahwa kristalisasi dimulai pada Q lebih cepat daripada di P. Jika perbedaan ini sangat menonjol, maka pertumbuhan kolumnar kristal mulai dari permukaan cetakan terhambat. Pertumbuhan kristal dalam situasi seperti itu dapat muncul seperti pada Gambar 2.17. Jadi, sebuah dendritik
Dengan demikian, struktur dendritik dihasilkan. Jika kristalisasi di Q selesai sebelum dimulai di P (karena gradien termal yang sangat kecil, dengan perbedaan konsentrasi yang sangat tinggi dan garis solidus yang sangat miring), maka kristal berorientasi acak dapat muncul di dalam casting. Selain itu, kehadiran kristal padat di depan antarmuka padat-cair membuat pengumpanan logam cair menjadi lebih sulit. Ini juga menyiratkan risiko lebih besar memiliki rongga dalam casting, biasanya disebut sebagai susut garis tengah.
Salah satu solusi untuk menghindari masalah penghijauan adalah dengan menghasilkan gradien termal yang besar di dalam cetakan dengan memberikan dingin (blok logam yang didinginkan dengan konduktivitas termal yang tinggi) di ujung cetakan. Jika P jauh di bawah 6q, maka derajat pendinginan berlebih tidak berbeda secara signifikan pada P dan Q dan kemajuan bertahap dari antarmuka padat-cair dipastikan. Masalahnya jelas kurang kritis untuk paduan yang memiliki perbedaan suhu kecil antara garis liquidus dan solidus.
Pola pembekuan cetakan dingin dan cetakan biasa ditunjukkan pada Gambar 2.18. Pada Gambar 2.18a, pemadatan dimulai pada garis tengah cetakan sebelum pemadatan selesai bahkan pada permukaan cetakan. Dalam cetakan yang didinginkan (Gbr. 2.18b), di sisi lain, karena ekstraksi panas yang cepat, zona cair-padat yang sempit dengan cepat menyapu logam cair.
Kesulitan memberi makan paduan yang diberikan dalam cetakan dinyatakan dengan kuantitas, yang disebut Centre-Line Feeding Resistance (CFR). Didefinisikan sebagai –
2. Tingkat Pemadatan:
Reservoir logam cair, yang disebut riser digunakan untuk mengkompensasi penyusutan yang terjadi dari suhu penuangan hingga pemadatan. Dalam hal ini, besi cor kelabu merupakan pengecualian yang menarik di mana pemadatan terjadi dalam dua tahap.
Penyusutan yang terkait dengan tahap pertama dapat dikompensasikan dengan ekspansi yang terjadi selama tahap kedua, dan dengan demikian, penambah mungkin tidak diperlukan. Untuk memastikan bahwa riser tidak mengeras sebelum pengecoran, kita harus mengetahui waktu yang dibutuhkan oleh pengecoran untuk mengeras.
Selain itu, penempatan (lokasi) riser dapat dipilih dengan bijaksana jika perkiraan waktu yang dibutuhkan oleh casting untuk memadat hingga jarak tertentu dari permukaan cetakan tersedia.
Panas yang ditolak oleh logam cair dihamburkan melalui dinding cetakan. Panas, yang dilepaskan sebagai hasil pendinginan dan pemadatan logam cair, melewati lapisan yang berbeda. Distribusi suhu di lapisan ini, setiap saat, secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 2.19.
Tahanan termal yang mengatur seluruh proses pemadatan adalah zat cair, logam yang dipadatkan, antarmuka cetakan logam, cetakan, dan udara sekitar. Kelima daerah yang berbeda ini ditunjukkan oleh angka 1 sampai 5 pada Gambar 2.19. Proses solidifikasi cukup rumit terutama ketika geometri kompleks, pembekuan paduan, atau ketergantungan suhu dari sifat termal dipertimbangkan.
Berikut ini, kita akan membahas pemadatan logam murni dalam beberapa kasus kepentingan praktis. Dalam melakukannya, kita akan, tergantung pada situasinya, membuat asumsi penyederhanaan dengan mengabaikan resistansi termal dari satu atau lebih daerah yang ditunjukkan pada Gambar 2.19.
3. Pemadatan Pengecoran Besar dalam Cetakan Isolasi:
Selama pemadatan pengecoran besar dalam cetakan isolasi, seperti yang digunakan dalam pasir atau pengecoran investasi, hampir seluruh ketahanan termal ditawarkan oleh cetakan. Oleh karena itu, analisis yang kami berikan menghitung waktu pembekuan dengan hanya mempertimbangkan resistansi termal wilayah 2 (Gbr. 2.19).
Perhatikan permukaan cetakan AB yang ditunjukkan pada Gambar 2.20. Cetakan besar, awalnya pada suhu 0 , diasumsikan diperpanjang hingga tak terhingga dalam arah x.
Pada waktu t =0, logam cair pada suhu p dituangkan ke dalam cetakan. Kami juga berasumsi bahwa logam yang hanya bersentuhan dengan permukaan cetakan akan membeku seketika. Dengan kata lain, suhu permukaan cetakan dinaikkan menjadi f (suhu beku logam) pada t=0 dan dipertahankan pada nilai tersebut untuk penyelesaian pemadatan. Distribusi suhu di dalam tungku pada waktu berikutnya t (dengan asumsi konduksi panas satu dimensi dalam arah x) untuk kasus seperti itu diberikan oleh
Perlu dicatat bahwa analisis di atas mengasumsikan antarmuka cetakan-logam bidang AB, yang biasanya tidak ditemui dalam praktik rekayasa. Seringkali, kita diharuskan untuk mengetahui waktu pembekuan kontur kompleks.
Untuk kontur seperti itu, yang perlu kita lakukan hanyalah mengamati (tanpa perhitungan yang tepat) fitur dasar berikut untuk mengetahui apakah analisis yang kita berikan meremehkan atau melebih-lebihkan waktu pembekuan yang sebenarnya. Untuk mengamati fitur ini, kami mempertimbangkan tiga jenis antarmuka cetakan logam (lihat Gambar 2.21), yaitu, (i) cembung, (ii) bidang (digunakan dalam analisis kami), dan (iii) cekung.
Pada Gambar 2.21a, aliran panas lebih divergen, dan akibatnya lajunya agak lebih dari pada Gambar 2.21b. Dengan demikian, waktu pembekuan dalam kasus seperti itu ditaksir terlalu tinggi oleh analisis sebelumnya. Demikian pula, pada Gambar. 2.21c, aliran panas lebih konvergen, dan akibatnya lajunya agak kurang dari pada Gambar. 2.21b. Jadi, waktu pembekuan dalam kasus seperti itu diremehkan oleh analisis yang kami berikan.
Hasil kuantitatif pengaruh antarmuka cetakan-cor pada waktu pembekuan dapat diperoleh untuk beberapa bentuk dasar. Sebelum kami memberikan hasil ini, kami mendefinisikan dua parameter non-dimensi, yaitu-
4. Solidifikasi dengan Resistensi Antarmuka Utama:
Dalam beberapa proses pengecoran umum, aliran panas dikendalikan secara signifikan oleh ketahanan termal antarmuka cetakan-logam. Proses ini termasuk pengecoran cetakan permanen dan die casting.
Kondisi tidak ada hambatan kontak hanya ada ketika kontak cetakan-logam sangat dekat sehingga terjadi pembasahan sempurna, yaitu pengecoran disolder ke permukaan cetakan. Dalam kasus seperti itu, distribusi suhu, dengan asumsi tidak ada panas berlebih, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.23. Kami sedang mempertimbangkan lagi masalah aliran panas satu dimensi.
Persamaan (2.44) sangat membantu dalam memperkirakan waktu pemadatan bagian kecil, bagian tipis yang dicetak dalam cetakan logam berat seperti yang digunakan dalam cetakan cetakan atau cetakan permanen.
Dapat dicatat pada tahap ini bahwa di atas dan di atas resistansi antarmuka yang telah kita bahas, ada perbedaan yang signifikan antara proses pemadatan dalam cetakan pasir dan dalam cetakan dingin atau logam.
Kami memberikan di sini dua cara penting di mana yang terakhir berbeda dari yang pertama:
(i) Konduktivitas termal dari logam yang dipadatkan dapat memberikan ketahanan termal yang cukup besar, seperti yang ditunjukkan oleh wilayah 4 dari Gambar 2.19. Karena itu, suhu permukaan casting (θs ), seperti dapat dilihat, menjadi jauh lebih rendah daripada suhu beku f .
(ii) Karena logam padat yang didinginkan lebih rendah, lebih banyak panas total daripada yang dianggap harus dihilangkan. Dengan demikian, kapasitas panas logam pemadatan juga memainkan peran penting dalam laju pemadatan.
5. Pemadatan dengan Suhu Permukaan Pengecoran Konstan:
Jika pengecoran besar berbentuk lempengan (misalnya, dari baja) diproduksi dalam cetakan tipis berpendingin air yang terbuat dari logam (misalnya, dari tembaga) yang memiliki konduktivitas yang jauh lebih tinggi daripada pengecoran yang dipadatkan, maka resistansi termal yang diberikan oleh logam pemadatan itu sendiri adalah signifikan. Dalam kasus seperti itu, resistansi termal yang dominan ditawarkan oleh wilayah 4 (lihat Gambar 2.19).
Mengabaikan resistansi termal dari semua daerah lain, distribusi suhu setiap saat mengambil bentuk yang ditunjukkan pada Gambar. 2.24. Di sini, suhu antarmuka cetakan-logam (atau permukaan pengecoran) S dapat diasumsikan tetap konstan pada nilai awalnya 0 , dan f menunjukkan suhu beku logam dan ini juga diambil sebagai suhu penuangan.
Pada setiap saat t, (t) menunjukkan kedalaman pemadatan. Prosesnya dapat diidealkan, tanpa banyak kesalahan, sebagai proses satu dimensi. Oleh karena itu, waktu pemadatan ts diperoleh dari (ts ) =h/2, di mana h adalah tebal pelat yang dicor. Profil suhu dalam kisaran 0
Analisis ini hanya berlaku setelah tahap pemadatan awal (0,5-1 cm) selesai. Hasil serupa untuk waktu pemadatan bentuk lain dapat ditemukan dari literatur yang tersedia.
6. Pemadatan dengan Ketahanan Utama pada Cetakan dan Logam Padat:
Cetakan tembaga cukup tebal dan tidak berpendingin air. Kemudian, suhu antarmuka cetakan-logam S tidak dapat lagi diasumsikan tetap pada nilai awalnya θ0 . Nilai S , masih dianggap konstan, ditentukan oleh sifat termal cetakan dan logam yang dipadatkan.
Selain itu, setelah tahap awal pemadatan, resistansi antarmuka juga dapat diabaikan. Jadi, satu-satunya hambatan termal yang signifikan ditawarkan oleh daerah 2 dan 4 (Gbr. 2.19) dan distribusi suhu yang dihasilkan setiap saat adalah seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 2.25. Dengan asumsi cetakan menjadi media semi-tak terbatas dalam arah x negatif, distribusi suhu dalam cetakan adalah
Sekarang, ruas kiri dan dalam persamaan (2.62) diketahui; jadi, dapat ditentukan baik secara grafis atau dengan coba-coba. Pada pendekatan sebelumnya, grafik e
ζ2
[erf (ζ) + ] versus harus ditarik untuk nilai yang diberikan, dan kemudian dapat diselesaikan dengan nilai yang diketahui dari ruas kiri persamaan (2.62). Setelah diketahui, kedalaman pemadatan dapat dihitung dari persamaan (2.47) dan waktu pemadatan dari persamaan (2.52). Agar pengecoran seperti itu layak dilakukan, harus dipastikan bahwa S bekerja menjadi kurang dari titik leleh logam cetakan.
