MAKALAH

“Menghitung Waktu Solidifikasi pada Proses Sand Casting Magnesium –

Pemodelan Menggunakan Macromedia Flash Player”

Disusun Guna Memenuhi Tugas Mata Kuliah Fenomena Transport

Oleh Kelompok 10(B)

No. Nama NIM

1. Rifky Wijaya 3334130273

2. Ginanjar Saputra 3334130779

3. Hany Kusumawati 3334131303

4. Dea Anggraheni P. 3334132493

JURUSAN TEKNIK METALURGI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA

CILEGON – BANTEN

2014

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, berkat

rahmat dan anugerahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah ini.

Makalah ini ditulis guna memenuhi tugas mata kuliah Fenomena Transport

dan diharapkan dapat menambah pengetahuan kita semua tentang fenomena

transport dan waktu solidifikasi pada proses pengecoran.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah

membantu dalam penulisan makalah ini.

Penulis menyadari bahwa makalah ini masih memiliki kekurangan baik dari

teknik penulisan maupun isi. Oleh karena itu, dengan tangan terbuka penulis

menerima segala kritik demi perbaikan di masa mendatang.

Akhir kata, semoga makalah ini dapat bermanfaat sebagaimana mestinya.

Cilegon, Desember 2014

Penulis

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ............................................................................................. i

KATA PENGANTAR .......................................................................................... ii

DAFTAR ISI ......................................................................................................... iii

DAFTAR TABEL ................................................................................................. iv

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ v

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ...................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ................................................................................ 1

1.3 Tujuan Penulisan .................................................................................. 1

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Perpindahan Kalor ................................................................................ 2

2.1.1 Konduksi ..................................................................................... 2

2.1.2 Konveksi ..................................................................................... 3

2.1.3 Radiasi ......................................................................................... 3

2.2 Pengecoran Logam ............................................................................... 4

2.3 Sand Casting ......................................................................................... 5

2.3.1 Tahapan-tahapan dalam Proses Sand Casting............................. 6

2.4 Solidifikasi Logam ............................................................................... 7

2.4.1 Waktu Solidifikasi ....................................................................... 8

2.5 Contoh Permasalahan & Pemodelan .................................................... 8

2.5.1 Contoh Permasalahan .................................................................. 8

2.5.2 Pemodelan ................................................................................... 10

BAB III KESIMPULAN

3.1 Kesimpulan ........................................................................................... 12

DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Karakteristik pasir dan magnesium (solid & liquid) .......................... 9

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Ilustrasi perpindahan panas secara konduksi, konveksi,

dan radiasi ...................................................................................... 2

Gambar 2.2 Penuangan logam cair ke dalam cetakan (pengecoran) ................. 4

Gambar 2.3 Bagian-bagian cetakan pasir dalam proses sand-casting .............. 5

Gambar 2.4 Diagram alir proses sand casting .................................................. 6

Gambar 2.5 Kurva pendinginan logam murni ................................................... 7

Gambar 2.6 Tampilan pemodelan untuk menghitung waktu solidifikasi

pada sand casting magnesium ....................................................... 11

Gambar 2.7 Animasi sand casting magnesium ................................................. 11

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Proses-proses kemetalurgian tidak dapat terlepas dari fenomena transport,

baik itu perpindahan momentum, perpindahan energi, maupun perpindahan massa.

Tanpa terkecuali proses pengecoran.

Pengecoran (casting) adalah suatu proses penuangan materi cair seperti

logam atau plastik ke dalam cetakan untuk kemudian dibiarkan membeku. Pada

dasarnya, semua logam yang mampu dicairkan dapat dibentuk melalui proses

pengecoran. Logam yang umum dibentuk dengan proses pengecoran antara lain

besi, alumunium, tembaga, magnesium, dan timah. Penggunaan produk cor dalam

kehidupan sehari-hari pun sangat luas; dapat dijumpai mulai dari peralatan rumah

tangga, industri komponen pemesinan, industri mesin-mesin perkakas, alat-alat

berat, industri automotif maupun peralatan transportasi.

Salah satu faktor penting dalam proses pengecoran adalah waktu

solidifikasi; seberapa lama logam yang telah dilebur akan kembali membeku

setelah dituang ke dalam cetakan.

1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah yang akan dibahas dalam makalah ini antara lain:

1) Apa itu proses pengecoran, serta bagaimana fenomena transport yang

menyertainya?

2) Bagaimana menghitung waktu solidifikasi dalam proses pengecoran?

1.3 Tujuan Penulisan

Secara umum, makalah ini disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah

Fenomena Transport. Berdasarkan rumusan masalah di atas, secara khusus

penulisan makalah ini bertujuan untuk:

1) mengetahui proses pengecoran, fenomena transport yang menyertainya, dan

mengetahui perhitungan waktu solidifikasi dalam proses pengecoran.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor (heat transfer) adalah perpindahan energi dalam bentuk

panas yang terjadi akibat adanya perbedaan suhu di antara benda atau material.

Ada tiga mekanisme perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Gambar 2.1 Ilustrasi perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi

2.1.1 Konduksi

Konduksi adalah proses perpindahan kalor dari daerah yang

bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu

medium atau antara medium-medium berlainan yang bersinggungan secara

langsung sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum. Laju perpindahan

kalor secara konduksi dirumuskan dalam Hukum Fourier:

................................................................................................. [2.1]

Keterangan:

q = laju konduksi (kJ/s, Watt)

k = konduktivitas termal (W/m·K)

A = luas permukaan (m2)

dT = perbedaan temperatur (K)

dx = ketebalan benda (m)

2.1.2 Konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor antara permukaan solid dengan fluida

yang mengalir di sekitarnya. Contoh konveksi yaitu peristiwa pendinginan

secangkir kopi. Perpindahan kalor secara konveksi diklasifikasikan menjadi

dua, yaitu:

1) Konveksi bebas (free/natural convection): aliran fluida disebabkan

perbedaan kerapatan akibat perbedaan temperatur.

2) Konveksi paksa (forced convection): aliran fluida disebabkan oleh gaya

pemaksa (misalkan oleh pompa atau kipas).

Laju konveksi dirumuskan dalam Hukum Pendinginan Newton:

( ) ...................................................................................... [2.2]

Keterangan:

q = laju konveksi (kJ/s, Watt)

h = koefisien konveksi (W/m·K)

A = luas permukaan (m2)

Ts = temperatur permukaan solid (K)

T∞ = temperatur fluida yang mengalir (K)

2.1.3 Radiasi

Berbeda dengan konduksi dan konveksi, radiasi merupakan perpindahan

kalor yang terjadi akibat pancaran gelombang elektromagnetik sehingga dapat

terjadi di ruang hampa udara sekalipun. Radiasi elektromagnetik yang

diakibatkan perbedaan temperatur disebut radiasi termal. Menurut Hukum

Stefan-Boltzmann, laju perpindahan kalor secara radiasi dirumuskan:

.................................................................................................... [2.3]

Keterangan:

q = laju radiasi (kJ/s, Watt)

σ = konstanta Boltzmann (5.669·10-8

W/m2·K

4)

A = luas permukaan (m2)

T4 = temperatur benda (K)

2.2 Pengecoran Logam

Pengecoran / penuangan (casting) merupakan teknik pembuatan produk

logam dengan menuangkan logam cair yang telah dilebur ke dalam rongga

cetakan yang serupa dengan bentuk asli dari produk cor yang akan dibuat.

Gambar 2.2 Penuangan logam cair ke dalam cetakan (pengecoran)

Berdasarkan metodenya, pengecoran diklasifikasikan menjadi:

1) Sand casting

2) Die casting

3) Centrifugal casting

4) Continuous casting

5) Shell moulding

6) Investment casting

Sedangkan berdasarkan usia cetakannya, secara garis besar proses pengecoran

diklasifikasikan menjadi:

1) Expendable mold processes, cetakan dihancurkan setelah proses pengecoran

(sekali pakai).

2) Permanent mold processes, cetakan terbuat dari logam dan dapat digunakan

berkali-kali.

2.3 Sand Casting

Sand casting merupakan proses pembentukan benda kerja dengan

menuangkan logam cair (molten metals) ke dalam cetakan pasir. Cetakan pasir

harus dibuat dan dikerjakan sedemikian rupa dengan bagian-bagian yang lengkap

sesuai dengan bentuk benda kerja. Bagian-bagian cetakan pasir yang paling

penting antara lain:

Gambar 2.3 Bagian-bagian cetakan pasir dalam proses sand-casting

1) Pouring basin, adalah lekukan pada cetakan. Berfungsi mengurangi

kecepatan logam cair hang masuk langsung dari ladle ke sprue. Kecepatan

aliran logam yang tinggi akan mengerosi sprue.

2) Sprue (saluran turun), saluran masuk dari luar dengan posisi vertikal.

Jumlah sprue dapat lebih dari satu, tergantung kecepatan penuangan yang

diinginkan.

3) Gating system, merupakan saluran masuk ke dalam cavity dari sprue.

Jumlah gating system dapat lebih dari satu, tergantung ukuran rongga

cetakan yang akan diisi logam cair.

4) Cavity (rongga cetakan), dibuat menggunakan pola (pattern). Merupakan

ruang tempat logam cair yang dituangkan ke dalam cetakan. Rongga ini

berbentuk sama dengan benda kerja yang akan dicor.

5) Core (inti), membuat rongga pada benda cor. Bahan core harus tahan

temperatur cair logam. Core dibuat terpisah dari cetakan dan dirakit saat

cetakan akan digunakan.

6) Riser, tempat yang akan terisi oleh kelebihan logam cair. Riser berguna

dalam mengisi kembali rongga cetakan bila terjadi penyusutan akibat proses

solidifikasi.

2.3.1 Tahapan-tahapan dalam Proses Sand Casting

Gambar 2.4 Diagram alir proses sand casting

Proses sand casting melibatkan perancangan produk cor, pembuatan pola

dan core inti, pembuatan cetakan (cope & drag), penuangan logam cair serta

pembongkaran produk cor, sebagai berikut:

1) Perancangan produk cor.

2) Menyiapkan bidang dasar / pelat datar.

3) Meletakkan cope (pola atas) yang sudah dilengkapi dudukan core (inti)

pada permukaan pelat datar tadi.

4) Sama seperti langkah 3, untuk drag (pola bawah) beserta sistem saluran.

5) Menyiapkan koak core (untuk pembuatan core).

6) Core yang telah jadi disatukan (core dibuat berupa paroan / setengah).

7) Cope ditambahkan sistem saluran (saluran masuk dan riser), lalu diisi

dengan pasir cetak.

8) Setelah dipadatkan, cope dan sistem saluran dilepaskan dari cetakan.

9) Drag diisi pasir cetak, dipadatkan, lalu pola dilepaskan dari cetakan

10) Core ditempatkan pada dudukan core yang ada pada drag.

11) Cope dipasangkan dengan drag, dikunci, lalu dituangkan logam cair.

12) Setelah membeku dan dingin, cetakan dibongkar lalu produk cor

dibersihkan dari sisa-sisa pasir cetakan.

13) Produk cor siap untuk diperlakukan lebih lanjut.

2.4 Solidifikasi Logam

Solidifikasi (pembekuan) adalah proses transformasi logam dari fasa

liquidnya kembali ke fasa padat. Proses solidifikasi logam murni berbeda dengan

logam paduan. Logam murni membeku pada temperatur konstan yang sama

dengan temperatur leburnya. Solidifikasi terjadi seiring berjalannya waktu seperti

terlihat pada kurva di bawah ini:

Gambar 2.5 Kurva pendinginan logam murni

Tahapan solidifikasi logam murni dalam proses pengecoran, yaitu:

1) Logam murni cair pada titik leburnya (temperatur lebur).

2) Seiring penuangan logam cair ke cetakan, cairan logam mengalami

penurunan temperatur.

3) Pendinginan awal dimulai. Temperatur awal dan temperatur akhir

pendinginan adalah sama; local solidification time.

4) Setelah pendinginan selesai, cairan logam mulai mengalami pengerasan

struktur hingga proses solidifikasi mendekati temperatur kamar.

Beberapa istilah waktu dalam proses solidifikasi logam murni:

1) Local solidification time (waktu solidifikasi lokal): waktu pembekuan

sebenarnya.

2) Total solidification time (waktu solidifikasi total): waktu keseluruhan dari

penuangan sampai proses pembekuan berakhir. Setelah pembekuan

berakhir, temperatur turun hingga temperatur kamar.

2.4.1 Waktu Solidifikasi

Baik dalam pengecoran logam murni maupun logam paduan, proses

solidifikasi memerlukan waktu. Waktu solidifikasi total adalah waktu yang

diperlukan oleh logam cair untuk membeku (menjadi padat) setelah penuangan

ke dalam cetakan. Lamanya waktu solidifikasi tergantung kepada ukuran dan

bentuk bahan cor sesuai persamaan empiris berikut:

(

)

[

(

)

] (

)

.................................................... [2.4]

yang dikenal sebagai aturan Chvorinov. Di mana C adalah konstanta

Chvorinov, V dan A adalah volume dan luas permukaan bahan cor.

Aturan Chvorinov mengindikasikan bahwa bahan cor yang memiliki

rasio V/A tinggi akan mengalami proses solidifikasi yang lebih lambat daripada

bahan cor dengan rasio V/A rendah.

2.5 Contoh Permasalahan & Pemodelan

2.5.1 Permasalahan

Sand casting of a magnesium part with dimensions of 10 cm by 10 cm by

2.5 cm. The environment temperature is 25°C. Determine the time for the part

to solidify if the metal is poured at its melting point!

Tabel 2.1 Karakteristik pasir dan magnesium (solid & liquid)

Material Specific Heat

(kJ/kg·K)

Density

(kg/m3)

Thermal

Conductivity

(W/m·K)

Melting

Point

(°C)

Latent Heat of

Solidification

(kJ/kg)

Sand 1.16 1500 0.6 - -

Mg (solid) 1.07 1700 156 - -

Mg (liquid) 1.38 - - 650 384

Penyelesaian:

(subscript c = cast = magnesium, m = mold = sand)

Latent heat of solidification of Mg,

Density of Mg,

Melting temperature of Mg,

Initial sand temperature,

Thermal conductivity of sand,

Density of sand,

Specific heat of sand,

Volume of solidified Mg,

Area of sand-Mg interface,

( ) ( )

Total solidification time (Chvorinov’s rule):

(

)

[

(

)

] (

)

(Geiger & Poirier, 1973: 332)

*

(

)

(

)+ (

)

*

( )( )+ ( )

seconds

2.5.2 Pemodelan dengan Macromedia Flash Player

Permasalahan pada subbab 2.5.1 dapat dimodelkan dalam Flash Player.

Kita juga dapat berkreasi membuat animasi proses sand casting. Dengan

menggunakan bantuan Action Script dan properties, variabel-variabel yang

diketahui di soal dapat dijadikan input text, sedangkan variabel yang akan

dicari (yaitu t) dijadikan dynamic text.

Adapun supaya nilai t (waktu solidifikasi) dapat diperoleh, rumus aturan

Chvorinov terlebih dahulu diterjemahkan ke dalam script seperti berikut:

stop();

//deklarasi tipe variabel dan nilai awal

var t,hf,dm,mp,et,tc,ds,sh,v,a = Number;

t = 0;

hf = 0;

dm = 0;

mp = 0;

et = 0;

tc = 0;

ds = 0;

sh = 0;

v = 0;

a = 0;

//deklarasi fungsi rumus

rumus = function(){

A= (dm*hf);

B= (mp-et);

C= (tc*ds*sh);

D= (v/a);

E= 3.14*Math.pow (A,2)*1*Math.pow (D,2);

F= 4*Math.pow (B,2)*C ;

t = E/F ;

}

//objek hitung

bt_play.onRelease = function (){

rumus(); //mengupdate hasil dengan memanggil rumus fungsi

}

rumus(); //memanggil fungsi rumus

Begitu Flash Movie di-play, masukkan semua variabel yang diketahui ke

dalam kotak input text lalu tekan button/tombol (harus dibuat terlebih dahulu)

sehingga nilai t otomatis muncul. Ilustrasinya dapat dilihat di Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Tampilan pemodelan untuk menghitung waktu solidifikasi pada sand casting magnesium

Gambar 2.7 Animasi sand casting magnesium

BAB III

KESIMPULAN

3.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil tinjauan pustaka pada BAB II, penulis menarik beberapa

kesimpulan sebagai berikut:

1) Pengecoran merupakan teknik pembuatan produk logam dengan

menuangkan logam cair ke dalam rongga cetakan yang serupa dengan

bentuk produk cor yang akan dibuat.

2) Fenomena transport yang terlibat dalam proses pengecoran salah satunya

yaitu konduksi. Adanya perpindahan kalor antara logam cair yang dituang

dengan dinding-dinding cetakan.

3) Peristiwa solidifikasi dalam proses pengecoran mengindikasikan bahwa

terjadi juga perpindahan kalor secara konveksi; logam cair mengalami

pendinginan hingga membeku akibat kehilangan kalor terhadap udara di

sekelilingnya.

4) Waktu solidifikasi total dapat dihitung menggunakan aturan Chvorinov:

(

)

[

(

)

] (

)

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah, Arsyad; Ardi. N/A. Makalah Teknik Pengecoran Logam. Makassar:

Jurusan Mesin UNHAS.

Buchori, Luqman. N/A. Perpindahan Panas (Heat Transfer) http://tekim.undip.

ac.id/images/download/PERPINDAHAN_PANAS.pdf diunduh 16 November 2014

Colton, J.S. 2011. Casting Analysis 2 – Solidification and Cooling, Surface

Tension, Gas Solubility and Porosity. USA: Georgia Institute of

Technology.

Finkelstein & Leete. 2006. Macromedia®

Flash®

8 For Dummies®

. Indiana:

Wiley Publishing.

Geiger & Poirier. 1973. Transport Phenomena in Metallurgy. USA: Addison–

Wesley Publishing Company.

Holman, J.P. 1968. Heat Transfer, sixth edition. New York: McGraw Hill, Ltd.

Karim, Moh. Irsyad; dkk. 2013. Makalah Media Flash Menggunakan Aplikasi

Adobe Flash CS3. Surabaya: IAIN Sunan Ampel.

N/A. N/A. BAB II – Dasar Teori http://eprints.undip.ac.id/41578/3/BAB_II.pdf

diunduh 16 November 2014

N/A. N/A. Solidification of Metals http://www.kecbu.uobaghdad.edu.iq/uploads/articles/

lectures/AutoMat/%20MANUFACTURING%20PROCESSES%20-I-first%20stage%20

dr.%20faez/Solidification%20of%20Metals%208.pdf diunduh 30 November 2014

Sudjana, Hardi. 2008. Teknik Pengecoran Logam, Jilid 2. Jakarta: Depdiknas.