Pembekuan logam dan pengecoran: nukleasi dan pendinginan lanjut, dendrit dan struktur butir cor, penyusutan dan aturan Chvorinov, saluran tuang dan penambah, gas larut dan porositas, proses cor, dan cacat cor

Pompa sirkulasi air panas di dapur sebuah hotel memakai rumah pompa perunggu tuang. Ketika rumah aslinya retak terbentur troli, bagian pengadaan membeli rumah pengganti "setara" dengan harga kurang dari separuh suku cadang pabrik. Dua minggu kemudian permukaan luar di dekat bos saluran keluar yang tebal selalu basah, padahal tidak ada retak yang tampak. Ketika bagian yang basah digerinda tipis, tampak gugusan rongga kecil bersudut di tengah bagian paling tebal. Di dudukan segel yang dibubut ada pula beberapa lubang jarum yang bulat dan mengilap.

Rongga bersudut adalah rongga susut: logam di bagian tebal membeku paling akhir, menyusut, dan tidak lagi mendapat pasokan logam cair. Lubang bulat adalah gelembung gas yang keluar dari larutan ketika logam membeku. Keduanya dijelaskan fisika dan kimia: kalor laten dan perpindahan panas menentukan bagian mana yang membeku terakhir, dan kelarutan gas menentukan berapa banyak gas yang dilepaskan. Bab ini juga menunjukkan bagian mana yang berupa aturan empiris dan bagian mana yang menjadi kerja rekayasa pengecoran.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pembekuan logam dan pengecoran dari sisi fisika dan kimianya. Kalor laten dengan contoh air ada di Bab 11 · Fisika tentang perubahan fase, hukum Fourier di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas, dan kelarutan gas dalam air di Bab 5 · Kimia tentang gaya antarmolekul dan kelarutan. Likuidus dan solidus dibahas di Bab 10 tentang diagram fase, batas butir di Bab 9 tentang struktur kristal, dan nukleasi dalam transformasi padat di Bab 11 tentang difusi dan transformasi fase. Jenis besi tuang ada di Bab 2 tentang besi dan baja, paduan tembaga dan aluminium di Bab 4 tentang tembaga, kuningan, perunggu, dan aluminium, porositas las di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las, zona lebur las di Bab 14 tentang metalurgi daerah las, uji tak merusak di Bab 18, dan penerimaan suku cadang di Bab 8 tentang memilih bahan suku cadang. Peleburan, penuangan, dan rancangan cetakan rinci adalah pekerjaan pengecoran.

Membeku berarti membuang kalor laten

Logam cair di dalam cetakan harus kehilangan kalor lanjut (superheat), yaitu kalor untuk turun dari suhu tuang ke titik beku, lalu kalor laten pembekuan. Pembekuan (solidification) adalah perubahan logam cair menjadi padat yang disertai pelepasan kalor laten pada suhu beku atau di dalam rentang suhu beku. Pembekuan adalah proses eksoterm, dan kurva pendinginan memperlihatkan bagian datar pada suhu perubahan fase. Selama bagian datar itu kalor terus keluar tetapi suhu tetap, karena kalor laten dilepas atom yang menata diri menjadi kristal; prinsipnya sama dengan es di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, hanya arahnya terbalik.

Logam murni membeku pada satu suhu; paduan membeku di dalam rentang antara likuidus dan solidus, seperti di Bab 10 tentang diagram fase paduan. Besi murni mempunyai titik beku lebih tinggi daripada paduan besi-karbon, dan inilah dasar segregasi di bawah.

Kalor laten mengalir melalui lapisan logam yang sudah membeku, menyeberangi celah logam dan cetakan, lalu masuk ke cetakan dengan laju menurut hukum Fourier tentang konduksi, yang dibahas di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif. Bagian yang kalornya paling sulit dibuang membeku paling akhir. Titik panas (hot spot) adalah bagian coran yang membeku paling akhir karena kalornya paling lambat keluar. Bagian tebal, sudut dalam, dan pertemuan beberapa dinding adalah titik panas, dan di sanalah rongga susut pada kasus pembuka ditemukan.

Nukleasi dan pendinginan lanjut

Kristal tidak langsung tumbuh begitu titik beku tercapai. Nukleasi (nucleation) adalah pembentukan inti kristal baru yang cukup besar untuk terus tumbuh di dalam cairan. Inti yang terlalu kecil larut kembali karena permukaan padat-cair memerlukan energi. Keseimbangan energi volume dan energi permukaan memberi jari-jari kritis:

$r^* = \frac{2\,\gamma\,T_m}{\Delta H_f\,\Delta T}$

dengan $r^*$ jari-jari kritis (m), $\gamma$ energi antarmuka padat-cair (J/m²), $T_m$ titik beku (K), $\Delta H_f$ kalor laten per volume (J/m³), dan $\Delta T$ pendinginan lanjut (K). Makin besar pendinginan lanjut, makin kecil inti yang sudah stabil dan makin banyak inti terbentuk.

Pendinginan lanjut (undercooling) adalah selisih antara titik beku setimbang dan suhu nyata cairan ketika kristal mulai terbentuk. Pendinginan lanjut terjadi bila kalor diambil begitu cepat sehingga molekul tidak sempat menata diri menjadi struktur padat yang teratur. Inti yang terbentuk sendiri di tengah cairan bersih (nukleasi homogen) memerlukan pendinginan lanjut besar. Nukleasi heterogen (heterogeneous nucleation) adalah pembentukan inti kristal di atas permukaan padat yang sudah ada, misalnya dinding cetakan atau partikel, sehingga pendinginan lanjut yang diperlukan jauh lebih kecil. Bab ini tidak memuat angka pendinginan lanjut dan energi antarmuka logam; rumusnya dipakai untuk membaca arah.

Penghalus butir menambah tempat nukleasi sehingga butirnya kecil, dan magnesium pada besi tuang nodular di Bab 2 tentang besi dan baja mengubah bentuk grafit saat membeku. Butir halus umumnya lebih kuat, sesuai hubungan ukuran butir dan kekuatan di Bab 9 tentang struktur kristal dan cacat logam.

Dendrit, struktur butir coran, dan segregasi

Ujung kristal yang menjorok ke cairan yang lebih dingin membuang kalor lebih cepat, tumbuh lebih cepat, lalu bercabang. Dendrit (dendrite) adalah kristal bercabang seperti pohon yang tumbuh ke arah cairan yang lebih dingin selama pembekuan. Pada paduan, cairan di depan antarmuka diperkaya unsur yang ditolak kristal sehingga titik bekunya turun; pendinginan lanjut konstitusional ini memperkuat pertumbuhan dendrit.

Coran yang dituang ke cetakan dingin biasanya memperlihatkan tiga zona. Zona tepi (chill zone) di dinding berbutir halus dan acak karena pendinginan lanjut besar dan nukleasi heterogen. Zona kolumnar ke arah dalam berbutir memanjang searah aliran kalor, karena butir yang tumbuh searah aliran kalor mengalahkan yang lain. Zona ekuiaksial di tengah berbutir sama sumbu dan lebih kasar, tumbuh di cairan yang suhunya hampir seragam.

Segregasi (segregation) adalah ketidakmerataan komposisi di dalam logam yang timbul karena kristal yang membeku lebih dulu berbeda komposisinya dari cairan sisa. Karena besi murni membeku lebih tinggi daripada paduan besi-karbon, kristal pertama lebih miskin karbon dan cairan sisa makin kaya karbon dan pengotor. Cairan sisa itu membeku terakhir di garis tengah dan titik panas, pada suhu lebih rendah, sehingga batas butir tetap lemah ketika coran mulai menyusut. Itulah dasar retak panas pada coran dan garis tengah las di Bab 14 tentang metalurgi daerah las. Untuk baja yang harus sangat bersih dipakai peleburan ulang terak listrik: terak di dalam cetakan tembaga dipanaskan untuk melebur ulang batangan cor, dan hasilnya baja dengan inklusi rendah dan struktur mikro homogen.

Penyusutan dan aturan Chvorinov

Logam menyusut dalam tiga tahap: penyusutan cair sampai titik beku, penyusutan saat membeku karena padatan lebih rapat, dan kontraksi padat sampai suhu ruang. Dua tahap pertama dipasok penambah; tahap ketiga, kebalikan pemuaian termal di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, diatasi dengan pola yang sedikit lebih besar.

Penyusutan volume saat membeku berbeda antarsalinan tabel yang beredar, jadi angkanya dipakai untuk membandingkan: aluminium 6,6 persen (salinan lain 7,1), paduan aluminium dengan 12 persen silikon 3,8, tembaga 4,9, kuningan 70 tembaga dan 30 seng 4,5, baja karbon 2,5 sampai 3 (salinan lain 2,5 sampai 4), dan besi tuang putih 4 sampai 5,5 persen. Besi tuang kelabu justru memuai sekitar 2,5 persen karena grafit yang mengendap bervolume besar, salah satu sebab ia mudah dicor.

Modulus coran (casting modulus) adalah perbandingan volume suatu bagian coran terhadap luas permukaannya yang membuang kalor ke cetakan. Aturan Chvorinov:

$t = B\left(\frac{V}{A}\right)^n$

dengan $t$ waktu beku (s), $V$ volume (mm³), $A$ luas pendingin (mm²), $n$ eksponen yang biasanya 2, dan $B$ tetapan cetakan (s/mm²). $B$ bergantung pada bahan cetakan, sifat termal logam, dan suhu tuang, dan diambil dari percobaan dengan cetakan, logam, dan suhu tuang yang sama walaupun bentuknya berbeda.

Bentuk aturan empiris ini dapat diturunkan dari fisika. Bila pasir dianggap sangat tebal dan logam jauh lebih menghantar, hambatan kalor ada di pasir, dan kalor yang diserap pasir sebanding dengan akar waktu. Menyamakannya dengan kalor yang harus dibuang, $\rho_l V (L + c_l \Delta T_s)$, memberi:

$t = \frac{\pi}{4}\left[\frac{\rho_l\,(L + c_l\,\Delta T_s)}{T_m - T_0}\right]^2 \frac{1}{k_c\,\rho_c\,c_c}\left(\frac{V}{A}\right)^2$

dengan $\rho_l$ massa jenis logam cair (kg/m³), $L$ kalor laten (J/kg), $c_l$ kalor jenis cair (J/(kg·K)), $\Delta T_s$ selisih suhu tuang dan titik beku (K), $T_m$ titik beku dan $T_0$ suhu awal cetakan (K), serta $k_c$ (W/(m·K)), $\rho_c$ (kg/m³), dan $c_c$ (J/(kg·K)) sifat bahan cetakan. Rumus ini menerangkan eksponen 2 dan isi tetapan $B$, tetapi hanya untuk cetakan pasir. Sifat pasir berubah dengan kadar air dan kepadatan, jadi tetapan nyata tetap diambil dari coran percobaan.

Saluran tuang dan penambah

Sistem saluran (gating system) adalah rangkaian cawan tuang, saluran turun, pengalir, dan saluran masuk yang membawa logam cair dari ladel ke rongga cetakan. Dalam istilah teknik mesin, coran adalah logam yang dituang ke cetakan untuk membentuk benda, saluran masuk adalah saluran dari dasar pengalir ke dalam cetakan, drag adalah belahan bawah cetakan atau pola, dan kotak inti adalah kotak dengan bukaan tempat inti dibentuk. Prinsip rancangannya: mengisi dengan tenang tanpa turbulensi supaya kulit oksida tidak terlipat masuk, mengisi rongga sebelum ujung aliran membeku, dan memberi jalan keluar bagi udara dan gas cetakan.

Penambah (riser) adalah wadah logam cair yang menempel pada coran dan membeku sesudah coran supaya dapat memasok logam ke bagian yang menyusut. Modulusnya harus lebih besar daripada bagian yang dipasoknya. Satu panduan meminta waktu beku penambah sedikitnya 25 persen lebih lama daripada coran; asal panduan itu tidak jelas, sehingga angka 25 persen di bab ini hanya dipakai untuk latihan. Coran dirancang membeku terarah: dari bagian tipis yang jauh, ke bagian tebal, lalu ke penambah. Bila bagian tebal terpisah dari penambah oleh bagian tipis yang membeku lebih dulu, jalur pasokan tertutup dan rongga susut terbentuk, seperti di bos rumah pompa pada kasus pembuka. Bentuk pola, inti, pemadatan pasir, dan urutan penuangan adalah kerja rancang dan kriya yang dibuktikan dengan coran percobaan.

Gas larut dan porositas

Logam cair melarutkan gas, terutama hidrogen. Hukum Henry (Henry's law) adalah hubungan yang menyatakan bahwa kelarutan gas dalam cairan sebanding dengan tekanan parsial gas di atasnya, dengan tetapan yang bergantung pada gas, pelarut, dan suhu:

$C_g = k\,P_g$

dengan $C_g$ kelarutan gas (mol/L), $P_g$ tekanan parsial (atm), dan $k$ tetapan Henry. Gas juga dapat membentuk larutan lewat jenuh bila larutan dihangatkan atau tekanannya diturunkan, seperti gelembung dari air panas di Bab 5 · Kimia tentang kelarutan.

Hukum Sieverts (Sieverts' law) adalah hubungan kesetimbangan yang menyatakan bahwa kelarutan gas diatomik dalam logam sebanding dengan akar kuadrat tekanan parsial gas diatomik di atas logam.

$S = k_S\,\sqrt{p_{\mathrm{H_2}}}$

dengan $S$ kelarutan hidrogen (mL per 100 g logam pada kondisi standar), $k_S$ tetapan yang bergantung suhu dan paduan, dan $p_{\mathrm{H_2}}$ tekanan parsial hidrogen (atm). Akar kuadrat muncul karena satu molekul H₂ menjadi dua atom hidrogen terlarut.

Kelarutan hidrogen dalam aluminium jauh lebih besar di fase cair daripada padat. Dalam aluminium cair pada 660 °C kelarutannya sekitar 0,7 mL per 100 g, nilai dua peneliti awal yang kemudian diverifikasi peneliti lain. Kelarutan di aluminium cair naik bila suhu naik, jadi lelehan yang terlalu panas menyerap lebih banyak gas. Angka untuk aluminium padat dan persamaan suhunya belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 18 Oktober 2026.

Menurut model klasik, hidrogen yang ditolak kristal terkumpul di cairan sisa di sela dendrit sampai melampaui batas larutnya, lalu keluar sebagai gelembung yang terperangkap. Gambaran yang sama berlaku untuk las: porositas adalah gelembung gas yang terperangkap dalam logam las yang membeku. Porositas gas (gas porosity) adalah kumpulan rongga bulat berdinding halus di dalam logam yang terbentuk dari gas yang keluar dari larutan saat pembekuan. Cara pori mulai terbentuk masih diperdebatkan, jadi model klasik dipakai sebagai gambaran kerja.

Hidrogen datang terutama dari uap air pada bahan baku, perkakas, fluks, dan udara yang bereaksi dengan aluminium cair. Penangkalnya mengikuti hukum Sieverts: lelehan dibilas gas lembam sehingga tekanan parsial hidrogen turun, bahan dijaga kering, dan suhu lelehan tidak berlebihan.

Proses cor dan cacat cor

Cetakan pasir punya istilahnya sendiri, misalnya pasir penyangga, bahan berkarbon pelapis cetakan, dan alat penumbuk pasir, sedangkan rongga di cetakan cetak tekan disebut impression. Proses yang umum:

Laju beku menentukan ukuran butir, jarak lengan dendrit, besar pori, dan waktu gas untuk keluar.

Dalam istilah yang sama, wash adalah cacat coran akibat erosi pasir, cod adalah tonjolan pasir yang tertinggal di cetakan oleh sebagian pola, dan snag adalah pembuangan sirip dan bagian kasar coran dengan gerinda. Cacat lain:

Coran yang bocor dibaca dari letak (titik panas menunjuk susut, permukaan atas menunjuk gas atau inklusi), bentuk, dan apakah rongganya tembus menurut uji tekan. Bukti di dalam diambil dengan radiografi atau ultrasonik oleh pemeriksa bersertifikat seperti di Bab 18 tentang uji tak merusak. Kolam las adalah coran kecil yang membeku sangat cepat; porositas las di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las adalah gas yang sama, dan mengelas coran berpori berisiko, seperti kaki rumah pompa besi tuang di Bab 2 tentang besi dan baja yang retak di samping lasannya.

Fisika, aturan empiris, dan rekayasa pengecoran

Ringkasan pembagian antara fisika, aturan empiris, dan rekayasa:

Fisika dan kimia memberi arah dan orde besaran; angka untuk merancang dan menerima coran datang dari percobaan, standar, dan pengalaman pengecoran.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: neraca kalor membekukan aluminium. Dua kilogram aluminium dituang pada 700 °C; titik bekunya 660 °C menurut tabel sifat di Bab 4 tentang tembaga, kuningan, perunggu, dan aluminium. Kalor jenis cair diambil 1,1 kJ/(kg·K) dan kalor laten 400 kJ/kg. Kalor lanjut $2 \times 1{,}1 \times 40 = 88$ kJ dan kalor laten $2 \times 400 = 800$ kJ, jadi sampai membeku cetakan menyerap 888 kJ, 90 persennya kalor laten. Dengan kalor jenis padat 0,897 J/(g·°C), pendinginan padat ke 25 °C kira-kira $2 \times 0{,}897 \times 635 = 1.139$ kJ.

Contoh 2: kubus dan pelat bervolume sama. Dengan $B = 2{,}0$ s/mm², kubus 100 mm mempunyai $V/A = 100/6 = 16{,}67$ mm dan $t = 2{,}0 \times 16{,}67^2 = 556$ detik, sekitar 9,3 menit. Pelat 200 kali 200 kali 25 mm bervolume sama dengan luas $2 \times 200^2 + 4 \times 200 \times 25 = 100.000$ mm², jadi $V/A = 10$ mm dan $t = 200$ detik, 36 persen waktu kubus.

Contoh 3: titik panas di bos rumah pompa. Dinding 8 mm bermodulus sekitar $8/2 = 4$ mm, jadi $t = 2{,}0 \times 4^2 = 32$ detik. Bos kubus 40 mm yang menempel pada dinding hanya membuang kalor dari lima sisi: $V/A = 40^3/(5 \times 40^2) = 8$ mm dan $t = 128$ detik, empat kali lebih lama. Dinding di sekelilingnya membeku dulu dan menutup pasokan ke bos.

Contoh 4: ukuran penambah. Penambah silinder dengan tinggi sama dengan diameter bermodulus $D/6$. Supaya membeku 25 persen lebih lama daripada kubus Contoh 2, modulusnya sedikitnya $\sqrt{1{,}25} \times 16{,}67 = 18{,}63$ mm, jadi $D \geq 111{,}8$ mm, dibulatkan 112 mm. Sisi yang menempel pada coran diabaikan, jadi hasilnya perkiraan awal.

Contoh 5: volume yang harus dipasok. Kubus aluminium 100 mm bervolume 1,0 L. Dengan penyusutan 6,6 sampai 7,1 persen dari tabel di bagian penyusutan, logam yang harus dipasok 66 sampai 71 mL, belum termasuk penyusutan cair. Penambah 112 mm bervolume $\frac{\pi}{4} \times 112^3 = 1{,}10$ L, dan hanya sekitar 6 persen isinya terpakai. Ukuran penambah ditentukan waktu bekunya, bukan volume susut.

Contoh 6: gas yang dibawa hidrogen terlarut. Dengan kelarutan 0,7 mL per 100 g dari bagian gas larut, satu kilogram aluminium cair jenuh pada 660 °C membawa $0{,}7 \times 10 = 7$ mL hidrogen pada kondisi standar, atau $7 \times 933{,}15/273{,}15 = 23{,}9$ mL pada 660 °C dan 1 atm. Volume aluminiumnya $1.000/2{,}7 = 370$ cm³ dengan massa jenis dari Bab 4 tentang tembaga, kuningan, perunggu, dan aluminium. Bila semua hidrogen menjadi pori pada 1 atm (anggapan terburuk), porositasnya $23{,}9/370 = 6{,}5$ persen; bila sepersepuluhnya saja, 0,65 persen, cukup untuk membuat bagian bertekanan merembes.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan keputusan ke pabrik, insinyur, atau penyelia bila:

1. Coran bertekanan, misalnya rumah pompa, badan katup, atau rumah filter, merembes atau berpori tembus. Isolasi, buang tekanan, dan ganti dengan suku cadang sesuai spesifikasi pabrik; jangan menambal tanpa persetujuan.
2. Coran besi tuang retak di jalur uap, air panas bertekanan, atau gas. Pengelasannya mengikuti batas wewenang di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las, brazing, solder, dan perekat dalam perbaikan.
3. Suku cadang cor pengganti datang tanpa identitas bahan, tanda tekanan kerja, atau sertifikat untuk layanan bertekanan, uap, atau air minum. Barang ditahan menurut Bab 8 tentang pemeriksaan barang datang.
4. Ada rencana melebur atau menuang logam di bengkel hotel. Logam cair yang menyentuh perkakas atau cetakan lembap dapat menyembur karena air mendadak menjadi uap; pekerjaan itu milik pengecoran.
5. Pori ditemukan di daerah segel, ulir, atau dinding yang menerima tekanan. Penilaiannya diserahkan ke pemeriksa bersertifikat dan pabrik.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase memberi kalor laten dan pemuaian termal, Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas memberi hukum Fourier di balik aturan Chvorinov, dan Bab 5 · Kimia tentang gaya antarmolekul memberi kelarutan gas dalam air. Bab 10 tentang diagram fase menjelaskan rentang beku paduan, Bab 9 tentang struktur kristal menjelaskan batas butir, dan Bab 11 tentang difusi dan transformasi fase menjelaskan nukleasi dalam transformasi padat. Bab 2 tentang besi dan baja dan Bab 4 tentang tembaga, kuningan, perunggu, dan aluminium memuat bahan yang dicor, Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las dan Bab 14 tentang metalurgi daerah las membahas pembekuan di las, Bab 18 tentang uji tak merusak membahas pemeriksaan coran, dan Bab 8 tentang memilih bahan suku cadang membahas penerimaan suku cadang.

Latihan dan pembahasan

Referensi