Paduan: Proses Pembentukan Fundamental dalam Manufaktur Baja & Aplikasi

Definisi dan Konsep Dasar

Coran mengacu pada proses menuangkan logam cair ke dalam cetakan untuk menghasilkan komponen padat dengan bentuk tertentu. Dalam industri baja, pengecoran adalah metode manufaktur dasar yang mengubah baja cair menjadi produk setengah jadi atau jadi. Proses ini melibatkan pelelehan baja hingga keadaan cair, menuangkannya ke dalam rongga cetakan yang telah disiapkan, membiarkannya mengeras, dan kemudian mengeluarkan komponen yang telah mengeras dari cetakan.

Pengecoran merupakan salah satu teknik pembentukan logam yang tertua dan paling serbaguna dalam metalurgi, yang sudah ada ribuan tahun. Ini memungkinkan produksi geometri kompleks yang sulit atau tidak mungkin dicapai melalui metode manufaktur lainnya. Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pengecoran berfungsi sebagai penghubung kritis antara pemrosesan bahan baku dan manufaktur produk jadi, memungkinkan transformasi logam yang telah disempurnakan menjadi komponen berguna dengan bentuk dan sifat tertentu.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Pada tingkat mikroskopis, pengecoran melibatkan transformasi baja dari keadaan cair menjadi padat melalui nukleasi dan pertumbuhan kristal. Ketika baja cair mendingin di bawah titik lelehnya, inti padat kecil terbentuk di dalam cairan. Inti ini tumbuh saat lebih banyak atom dari cairan menempel pada permukaan padat, akhirnya membentuk butir atau kristal.

Proses pengendapan terjadi secara arah dari dinding cetakan ke dalam, menciptakan mikrostruktur yang khas. Mekanisme transfer panas—konduksi, konveksi, dan radiasi—mengatur laju pendinginan, yang secara signifikan mempengaruhi mikrostruktur akhir. Selama pengendapan, berbagai fenomena terjadi termasuk segregasi elemen paduan, evolusi gas, dan kontraksi volumetrik, semuanya mempengaruhi sifat akhir dari baja cor.

Model Teoretis

Aturan Chvorinov berfungsi sebagai model teoretis utama untuk pengendapan pengecoran, dinyatakan sebagai $t_s = K(V/A)^2$, di mana $t_s$ adalah waktu pengendapan, $V$ adalah volume, $A$ adalah luas permukaan, dan $K$ adalah konstanta cetakan. Hubungan ini menunjukkan bahwa waktu pengendapan sebanding dengan kuadrat rasio volume terhadap luas permukaan.

Pemahaman sejarah tentang pengecoran berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi prinsip ilmiah. Pekerjaan dasar oleh Chvorinov pada tahun 1940-an menetapkan hubungan kuantitatif antara parameter pengecoran. Perkembangan selanjutnya termasuk pekerjaan Flemings tentang mikrosegregasi dan penelitian Campbell tentang bifilm oksida dan pengaruhnya terhadap kualitas pengecoran.

Pendekatan modern menggabungkan dinamika fluida komputasional (CFD) dan analisis elemen hingga (FEA) untuk memodelkan pengisian cetakan dan pengendapan. Metode numerik ini memungkinkan prediksi cacat, tegangan sisa, dan perkembangan mikrostruktur, secara signifikan maju dibandingkan dengan model analitis sebelumnya.

Dasar Ilmu Material

Sifat baja cor sangat terkait dengan struktur kristalnya, yang biasanya dimulai sebagai austenit (kubus berpusat muka) selama pengendapan dan dapat berubah menjadi ferit (kubus berpusat badan) atau fase lainnya selama pendinginan. Batas butir terbentuk di mana kristal yang berbeda orientasinya bertemu, secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik.

Mikrostruktur baja cor dicirikan oleh dendrit—struktur kristal seperti pohon yang terbentuk selama pengendapan. Jarak antara lengan dendrit primer berbanding terbalik dengan laju pendinginan, sementara jarak antara lengan dendrit sekunder sering kali berfungsi sebagai indikator waktu pengendapan lokal. Wilayah interdendritik biasanya mengandung elemen yang tersegregasi dan dapat menampung inklusi atau porositas.

Prinsip dasar ilmu material seperti transformasi fase, difusi, dan teori nukleasi mengatur perkembangan mikrostruktur cor. Hubungan antara parameter pemrosesan, mikrostruktur yang dihasilkan, dan sifat akhir membentuk dasar pendekatan ilmu material untuk optimasi pengecoran.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar yang mengatur waktu pengendapan dalam pengecoran adalah Aturan Chvorinov:

$$t_s = K\left(\frac{V}{A}\right)^2$$

Di mana:
- $t_s$ = waktu pengendapan (detik)
- $K$ = konstanta cetakan (tergantung pada bahan cetakan, sifat logam, dan suhu menuang)
- $V$ = volume pengecoran (cm³)
- $A$ = luas permukaan pengecoran yang bersentuhan dengan cetakan (cm²)

Formula Perhitungan Terkait

Laju pendinginan selama pengendapan dapat diperkirakan dengan:

$$R = \frac{G \cdot V}{T_L - T_S}$$

Di mana:
- $R$ = laju pendinginan (°C/s)
- $G$ = gradien suhu (°C/cm)
- $V$ = kecepatan pengendapan (cm/s)
- $T_L$ = suhu liquidus (°C)
- $T_S$ = suhu solidus (°C)

Untuk perhitungan penyusutan dalam pengecoran baja:

$$S = \rho_L / \rho_S - 1$$

Di mana:
- $S$ = penyusutan volumetrik (fraksi)
- $\rho_L$ = densitas baja cair (g/cm³)
- $\rho_S$ = densitas baja padat (g/cm³)

Formula ini diterapkan untuk menentukan ukuran riser, memprediksi pola pengendapan, dan memperkirakan laju pendinginan di berbagai bagian pengecoran.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini mengasumsikan sifat termal yang seragam di seluruh pengecoran dan cetakan. Dalam kenyataannya, konduktivitas termal dan kapasitas panas spesifik bervariasi dengan suhu dan komposisi. Model ini juga mengasumsikan pengisian cetakan yang sempurna tanpa turbulensi atau terjebaknya gas.

Kondisi batas menjadi kompleks dengan geometri yang rumit, membuat solusi analitis tidak praktis untuk pengecoran yang kompleks. Selain itu, model ini biasanya tidak memperhitungkan efek aliran fluida selama menuang atau konveksi dalam logam cair.

Kebanyakan model pengendapan mengasumsikan kondisi kesetimbangan, sedangkan pengecoran yang sebenarnya melibatkan pendinginan non-kesetimbangan. Batasan ini menjadi sangat signifikan ketika memprediksi mikrostruktur dalam baja paduan dengan beberapa transformasi fase.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A781/A781M: Spesifikasi Standar untuk Pengecoran, Baja dan Paduan, Persyaratan Umum
• ASTM E446: Radiograf Referensi Standar untuk Pengecoran Baja Hingga 2 in. (51 mm) dalam Ketebalan
• ISO 4990: Pengecoran baja — Persyaratan pengiriman teknis umum
• ASTM A802/A802M: Praktik Standar untuk Pengecoran Baja, Standar Penerimaan Permukaan, Pemeriksaan Visual

Setiap standar membahas aspek tertentu dari kualitas baja cor. ASTM A781 mencakup persyaratan umum untuk pengecoran baja, sementara ASTM E446 menyediakan radiograf referensi untuk mengevaluasi diskontinuitas internal. ISO 4990 menetapkan persyaratan pengiriman internasional, dan ASTM A802 mendefinisikan kriteria penerimaan permukaan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum untuk evaluasi baja cor termasuk mikroskop optik dan mikroskop elektron pemindai untuk analisis mikrostruktur. Instrumen ini mengungkapkan struktur butir, distribusi fase, dan cacat pada berbagai tingkat pembesaran. Peralatan radiografi sinar-X dan sinar gamma mendeteksi diskontinuitas internal dengan melewatkan radiasi melalui pengecoran dan menangkap variasi densitas pada film atau detektor digital.

Peralatan pengujian ultrasonik menggunakan gelombang suara frekuensi tinggi untuk mendeteksi cacat internal berdasarkan sinyal yang dipantulkan. Peralatan pengujian mekanik seperti mesin uji tarik, penguji imp