Shell Molding dalam Produksi Baja: Proses, Peralatan & Signifikansi

Definisi dan Konsep Dasar

Pencetakan shell adalah proses pengecoran presisi yang digunakan terutama dalam pembuatan komponen logam yang kompleks, termasuk yang digunakan dalam industri baja untuk bagian-bagian khusus. Proses ini melibatkan pembuatan shell cetakan yang tipis, keras, dan sangat detail dari campuran resin termosetting, pasir, dan pengikat lainnya, yang kemudian digunakan untuk mencetak logam cair.

Dalam konteks produksi baja dan pemrosesan primer, pencetakan shell digunakan untuk memproduksi pengecoran baja yang rumit seperti bilah turbin, bodi katup, dan komponen lainnya yang memerlukan akurasi dimensi tinggi dan hasil permukaan yang baik. Ini berfungsi sebagai alternatif untuk metode pengecoran pasir tradisional atau pengecoran investasi, menawarkan keuntungan dalam presisi, kualitas permukaan, dan efisiensi produksi.

Dalam alur proses pembuatan baja secara keseluruhan, pencetakan shell ditempatkan setelah tahap peleburan dan paduan, di mana baja cair atau paduan dituangkan ke dalam cetakan shell yang telah disiapkan. Ini adalah langkah kunci dalam rantai pemrosesan sekunder, mengubah logam cair menjadi komponen baja jadi atau setengah jadi yang memenuhi spesifikasi teknik tertentu.

Desain Teknik dan Operasi

Teknologi Inti

Teknologi pencetakan shell didasarkan pada prinsip menciptakan shell cetakan yang tahan lama dan tahan panas yang dapat menahan suhu tinggi dari baja cair. Proses dimulai dengan menyiapkan campuran pasir silika halus, pengikat resin termosetting, dan aditif lainnya. Campuran ini dilapisi pada pola yang dipanaskan, biasanya terbuat dari logam, yang dipanaskan sebelumnya untuk memfasilitasi pengeringan resin.

Komponen teknologi kunci termasuk pola, sistem pelapisan, perangkat pemanas, dan oven pengeringan shell. Pola biasanya terbuat dari logam dan dirancang untuk menghasilkan bentuk pengecoran yang diinginkan. Sistem pelapisan menerapkan lapisan tipis dan seragam dari campuran pasir-resin pada permukaan pola. Pola kemudian dipanaskan, menyebabkan resin mengering dan mengikat partikel pasir, membentuk shell yang kaku.

Mekanisme operasi utama melibatkan siklus pencelupan, pelapisan, dan pemanasan yang berulang untuk membangun ketebalan shell. Setelah mengering, shell diangkat dari pola, dikeringkan, dan dipanggang dalam oven untuk menghilangkan kelembaban sisa dan memperkuatnya lebih lanjut. Baja cair kemudian dituangkan ke dalam cetakan shell, yang bertindak sebagai rongga presisi untuk pengecoran.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk ketebalan shell, kandungan resin, suhu pelapisan, waktu pengeringan, dan suhu pemanasan cetakan. Ketebalan shell yang tipikal berkisar antara 2 hingga 6 milimeter, tergantung pada ukuran dan kompleksitas komponen. Kandungan resin biasanya bervariasi antara 2% dan 8% berdasarkan berat campuran pasir, yang mempengaruhi kekuatan cetakan dan hasil permukaan.

Suhu pelapisan dipertahankan sekitar 150°C hingga 200°C untuk memastikan pengeringan resin yang tepat tanpa menyebabkan cacat. Waktu pengeringan umumnya antara 30 detik hingga 2 menit, tergantung pada ketebalan shell dan kapasitas oven. Memanaskan pola hingga sekitar 200°C memastikan pembentukan shell yang seragam dan mengurangi stres termal.

Sistem kontrol menggunakan sensor suhu, analisis kelembaban, dan timer otomatis untuk memantau dan mengatur parameter proses. Fasilitas pencetakan shell modern memanfaatkan sistem yang dikendalikan komputer untuk penyesuaian ketebalan pelapisan, siklus pengeringan, dan suhu oven yang tepat, memastikan kualitas yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi pencetakan shell yang tipikal mencakup sistem penanganan pola, stasiun pelapisan, oven pemanas dan pengering, serta unit pengangkatan dan pengeringan shell. Pola dipasang pada lengan yang berputar atau bergerak bolak-balik untuk memfasilitasi pelapisan yang seragam. Stasiun pelapisan terdiri dari sistem semprot atau celup dengan laju aliran dan nosel semprot yang dapat disesuaikan.

Oven pengering adalah tungku tipe terowongan atau batch dengan zona suhu yang dikendalikan secara tepat melalui termokopel dan pengontrol logika terprogram (PLC). Proses pengangkatan shell melibatkan pengelupasan mekanis atau pneumatik, diikuti dengan ruang pengering untuk menghilangkan kelembaban sisa.

Seiring waktu, peralatan telah berevolusi dari pencelupan dan pengeringan manual menjadi sistem otomatis sepenuhnya, yang meningkatkan konsistensi dan throughput. Sistem tambahan termasuk unit ekstraksi debu, ventilasi, dan manajemen limbah untuk pasir dan residu resin yang digunakan.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia inti dalam pencetakan shell melibatkan pengeringan resin termosetting saat dipanaskan. Biasanya, resin fenolik atau furfuril digunakan, yang mempolimerisasi saat terpapar suhu tinggi, membentuk jaringan kaku yang mengikat partikel pasir.

Selama pengeringan, resin mengalami reaksi polimerisasi, melepaskan sejumlah kecil senyawa volatil seperti formaldehid atau alkohol furfuril. Produk sampingan ini dikelola melalui sistem ventilasi dan filtrasi untuk meminimalkan dampak lingkungan.

Dalam tahap menuangkan baja cair, reaksi kimia utama bersifat metalurgi, melibatkan oksidasi elemen paduan dan pembentukan terak. Shell cetakan itu sendiri tetap inert secara kimia selama pengecoran, asalkan dipanggang dengan benar dan bebas dari volatil sisa.

Transformasi Metalurgi

Shell cetakan bertindak sebagai penghalang termal, mempengaruhi laju pendinginan baja yang dicetak. Pendinginan yang cepat dapat menyebabkan transformasi mikrostruktur seperti pembentukan martensit, sementara pendinginan yang lebih lambat mendukung struktur pearlit atau bainit.

Mikrostruktur dari pengecoran akhir tergantung pada komposisi paduan, suhu menuang, dan kondisi pendinginan yang ditentukan oleh sifat termal shell cetakan. Kontrol yang tepat memastikan sifat mekanik yang diinginkan, seperti kekuatan, ketangguhan, dan keuletan.

Sifat refraktori shell mencegah kontaminasi baja cair, menjaga kemurnian metalurgi. Hasil permukaan yang tinggi yang dicapai mengurangi kebutuhan untuk pemesinan pasca-pengecoran yang ekstensif.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair dan shell cetakan minimal jika shell dipanggang dengan benar dan bebas dari organik sisa. Namun, jika dekomposisi resin tidak lengkap, emisi volatil dapat menyebabkan porositas atau cacat permukaan.

Bahan refraktori dalam shell, terutama berbasis silika, dapat bereaksi dengan elemen paduan tertentu seperti kalsium atau magnesium, membentuk senyawa yang tidak diinginkan. Untuk mencegah hal ini, komposisi shell dikendalikan dengan hati-hati.

Mekanisme transfer material termasuk infiltrasi logam cair ke dalam mikroretakan atau daerah berpori dari shell, yang dapat menyebabkan cacat pengecoran. Desain shell yang tepat dan kontrol proses mengurangi risiko ini.

Metode seperti melapisi shell dengan lapisan pelindung atau mengoptimalkan suhu menuang membantu mengontrol interaksi yang tidak diinginkan dan meningkatkan kualitas pengecoran.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama termasuk pasir silika murni tinggi, resin fenolik atau furfuril, pengeras, dan aditif seperti tanah liat atau agen fluks. Pasir harus memenuhi spesifikasi untuk ukuran butir, bentuk, dan kemurnian kimia untuk memastikan integritas cetakan.

Persiapan melibatkan pencampuran pasir dengan pengikat dan aditif dalam mixer, diikuti dengan penyaringan untuk menghilangkan partikel yang terlalu besar. Campuran harus homogen untuk menghasilkan shell yang konsisten.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi kekuatan cetakan, hasil permukaan, dan akurasi dimensi. Kontaminan atau kandungan resin yang tidak konsisten dapat menyebabkan cacat seperti retakan, porositas, atau pembentukan shell yang tidak lengkap.

Urutan Proses

Proses pencetakan shell dimulai dengan persiapan dan pemasangan pola. Pola dilapisi dengan campuran pasir-resin melalui pencelupan atau penyemprotan, kemudian dipanaskan untuk mengeringkan shell. Beberapa lapisan diterapkan hingga ketebalan yang diinginkan tercapai.

Shell yang telah mengering diangkat