Nim : 5315077624
BAB 10
Dasar-Dasar Pengecoran Logam
10.Pendahuluan 10,4 Kelenturan Logam cair
10.2 Pemadatan Logam 10,5 perpindahan panas
10.3Aliran Fluida 10,6 Cacat
Pertama digunakan sekitar enam ribu tahun yang lalu, casting terus menjadi proses manufaktur penting untuk memproduksi bagian kecil ataupun besar . Untuk memahami aspek-aspek mendasar dari proses ini, bab ini menjelaskan:
• Mekanisme solidifikasi pada logam dan paduannya.
• Signifikansi pola pemadatan di casting.
• Karakteristik aliran fluida dan perpindahan panas dalam cetakan dan efek mereka.
• Peran gas dan penyusutan dalam pembentukan cacat di casting.
10,1 Pendahuluan
Proses pengecoran logam pada dasarnya melibatkan (a) menuangkan cair ke dalam cetakan bermotif setelah bagian yang akan dibuat, (b) memungkinkan untuk memperkuat, dan (c) menghapus bagian dari cetakan. Seperti semua proses manufaktur lainnya, pemahaman tentang fundamental sangat penting untuk produksi berkualitas baik dan untuk menetapkan teknik yang tepat untuk desain cetakan dan praktek casting.
Pertimbangan penting dalam casting operasi adalah sebagai berikut:
• Arus dari logam cair ke dalam rongga cetakan
• Solidifikasi dan pendinginan dari logam dalam cetakan
• Pengaruh jenis bahan cetakan
Bab ini menjelaskan hubungan antara banyak faktor yang terlibat dalam casting. Aliran logam cair ke dalam rongga cetakan pertama dibahas dalam hal desain cetakan dan karakteristik aliran fluida. Pembekuan dan pendinginan dari logam dalam cetakan dipengaruhi oleh beberapa faktor, termasuk sifat metalurgi dan termal logam. Jenis jamur juga memiliki pengaruh penting karena mempengaruhi laju pendinginan logam dalam cetakan. Akhirnya, faktor-faktor yang mempengaruhi pembentukan cacat juga dijelaskan.
Industri pengecoran logam-proses, pertimbangan desain, dan bahan casting dijelaskan dalam Bab 11 dan 12. The casting keramik dan plastik, yang melibatkan metode agak mirip dan prosedur untuk logam, dijelaskan dalam Bab 18, dan 19 masing-masing.
10,2 Solidifikasi dari Logam
Setelah logam cair dituang ke dalam cetakan, rangkaian acara berlangsung selama solidifikasi pengecoran dan pendinginan untuk suhu lingkungan. Kejadian-kejadian yang besar, mempengaruhi ukuran, bentuk, keseragaman, dan komposisi kimia butir terbentuk sepanjang casting, yang pada gilirannya mempengaruhi sifat secara keseluruhan. Faktor signifikan yang mempengaruhi peristiwa-peristiwa ini adalah jenis logam, sifat termal baik logam dan cetakan, hubungan geometris antara volume dan luas permukaan coran, dan bentuk cetakan.
10.2.1 logam murni
Karena logam murni memiliki titik leleh jelas didefinisikan (atau pembekuan) titik, itu didinginkan pada suhu konstan seperti yang ditunjukkan pada Fig.10.1. aluminium murni, misalnya, didinginkan dengan 660 ° C, besi pada 1537 ° C, dan tungsten pada 3110 ° C. (Lihat juga tabel 3.1 dan Gambar 4.4..) Setelah temperatur logam cair berkurang untuk temperatur beku yang tetap konstan sedangkan panas laten fusi dilepaskan. solidifikasi depan (antarmuka padat-cair) bergerak melalui logam cair, memperkokoh dari dinding cetakan dalam ke tengah. Setelah solidifikasi telah terjadi dalam hal apapun, pendinginan kembali. Logam memperkuat, yang sekarang kita sebut coran, kemudian diambil dari cetakan dan mulai mendingin ke suhu lingkungan.
Struktur butir dari logam cor murni dalam cetakan persegi ditampilkan di Fig.10.2a. Pada dinding cetakan, logam mendinginkan dengan cepat sejak dinding pada suhu lingkungan. pendinginan cepat menghasilkan kulit dipadatkan, atau shell, sama-sumbu butiran halus. Butir tumbuh di arah yang berlawanan untuk memanaskan transfer keluar melalui cetakan. Mereka butir yang memiliki orientasi menguntungkan akan tumbuh preferentially dan disebut butir columnar (Gambar 10.3). Sebagai ubin mengemudi berlakunya perpindahan panas berkurang jauh dari dinding cetakan, butir menjadi sama-sumbu dan kasar. Mereka biji-bijian yang telah subtansial orientasi yang berbeda diblokir dari pertumbuhan lebih lanjut. pengembangan butir tersebut dikenal sebagai nukleasi homogen, yang berarti bahwa butir (kristal) tumbuh pada diri mereka sendiri, mulai dari dinding cetakan.
GAMBAR 10.1 (a) Suhu sebagai fungsi waktu bagi pembekuan logam murni. Perhatikan bahwa pembekuan berlangsung pada suhu konstan. (B) Kepadatan sebagai fungsi dari waktu.
GAMBAR 10,2 Skema ilustrasi dari tiga struktur cor logam mengeras di dalam cetakan persegi: (a) logam murni; (b) Paduan solid-solusi, dan struktur yang diperoleh dengan menggunakan agen ¬ nucle Ating. Sumber: Formulir GW, JF Wallace, JL Walker, dan A. Cibula.
GAMBAR 10,3 Pengembangan pilihan tekstur di dinding cetakan dingin. Perhatikan bahwa hanya mendukung ¬ butir tumbuh dengan kemampuan berorientasi jauh dari permukaan cetakan.
10.2.2 Paduan
Solidifikasi dalam paduan dimulai ketika suhu turun di bawah likuidus, TL, dan selesai saat mencapai solidus itu, TS (Gambar 10.3). Dalam rentang suhu ini, paduan ini dalam keadaan lembek atau bubur dengan dendrit kolumnar (dari dendron Yunani yang berarti "mirip", dan drys berarti "pohon"). Catatan kehadiran logam cair antara lengan dendrit. Dendrit memiliki senjata tiga-dimensi dan cabang (senjata sekunder) yang akhirnya interlock, seperti dapat dilihat pada Gambar. 10.5. Studi tentang struktur dendritik, meskipun kompleks, adalah penting karena faktor merugikan, seperti variasi komposisi, segregasi, dan microporosity dalam bagian cor.
GAMBAR 10,4 Skema ilustrasi tentang pembekuan paduan dan distribusi temperatur pada logam memperkuat. Catatan pembentukan dendrit di zona lembek.
Lebar zona lembek, tahap dimana kedua cair dan padat yang hadir, merupakan faktor penting selama pembekuan. Kami menjelaskan zona ini dalam hal perbedaan suhu ¬ mendatang, yang dikenal sebagai rentang pembekuan, sebagai berikut:
Pembekuan rentang = TL – TS
Hal ini dapat dilihat pada Gambar. 10,4 logam murni yang memiliki rentang titik beku yang mendekati nol dan yang bergerak solidifikasi depan sebagai depan pesawat, tanpa membentuk sebuah zona lembek. Eutectics (Bagian 4.3) memperkuat dengan cara yang sama dengan pesawat sekitar depan. Jenis struktur solidifikasi dikembangkan tergantung pada komposisi eutektik tersebut. Untuk paduan dengan diagram fase hampir simetris, struktur umumnya pipih dengan dua atau lebih fase solid ini, tergantung pada sistem paduan. Bila fraksi volume fasa minor paduan kurang dari sekitar 25%, struktur umumnya menjadi berserat. Kondisi ini sangat penting untuk besi cor.
Untuk paduan, meskipun tidak tepat, rentang pendek beku umumnya melibatkan perbedaan suhu kurang dari 50 ° C (90 ° F), dan berbagai beku panjang lebih besar dari 110 ° C (200 ° F). tuang Ferrous umumnya memiliki zona lembek sempit, sedangkan aluminium dan paduan magnesium memiliki lebar zona lembek. Akibatnya, campuran logam ini dalam keadaan lembek di hampir seluruh proses pembekuan.
GAMBAR 10.4 (a) Solidifikasi pola untuk besi cor kelabu dengan 180 mm (7-in) casting persegi.. Perhatikan bahwa setelah 11 menit pendinginan, dendrit mencapai satu sama lain, tetapi casting masih lembek seluruh. Dibutuhkan sekitar dua jam untuk casting ini untuk memperkuat sepenuhnya. (B) Solidifikasi baja karbon di pasir dan dinginkan (logam) cetakan. Perhatikan perbedaan dalam pola solidifikasi dengan meningkatnya kadar karbon. Sumber: H. Bishop F. dan S. W. Pellini.
Pengaruh tingkat pendinginan. Lambat tingkat pendinginan (pada urutan 10 ² K / s) atau panjang, kali solidifikasi lokal menghasilkan struktur dendritik kasar dengan jarak yang besar antara lengan dendrit. Untuk tingkat lebih cepat pendinginan (pada urutan 104 K / s) atau pendek kali solidifikasi lokal, struktur menjadi lebih halus dengan jarak lengan dendrit lebih kecil. Untuk harga masih lebih cepat pendinginan (pada urutan 106-108 K / s) struktur dikembangkan adalah amorf, seperti dijelaskan dalam Bagian 6.14.
Struktur dikembangkan dan hasil ukuran butir mempengaruhi sifat dari coran. Seperti butir mengecilnya ukuran, kekuatan dan daktilitas peningkatan paduan cor, microporosity (void penyusutan interdenderitic) di casting berkurang, dan kecenderungan untuk casting untuk retak (panas robek, lihat Gambar 10,12). Menurun selama pembekuan. Kurangnya keseragaman dalam ukuran butir dan hasil distribusi di cor dengan sifat anisotropik.
Sebuah kriteria yang menggambarkan kinetika antarmuka padat cair adalah rasio G / R, di mana G adalah gradien termal dan R adalah tingkat di mana bergerak interface cair-padat. Khas untuk rentang nilai G 102-103 K / m dan untuk R 10-3 untuk l0-4 m / s. Tipe struktur dendritik, ditunjukkan dalam Gambar. 10,5 dan b, biasanya memiliki G / R rasio dalam kisaran 105-107, sedangkan rasio 1010-1012 menghasilkan antarmuka, pesawat-depan cair-padat nondendritic (Gambar 10.7).
10.2.3 Struktur properti hubungan
Karena semua proses casting diharapkan memiliki sifat tertentu untuk memenuhi persyaratan desain dan kebutuhan, hubungan antara sifat dan struktur yang dikembangkan selama solidifikasi merupakan aspek penting dari casting. Bagian ini menjelaskan hubungan dalam hal morfologi dendrit dan konsentrasi paduan elemen di berbagai daerah dalam logam.
GAMBAR 10,5 Skema ilustrasi dari tiga jenis dasar struktur tuang: (a) denderitic kolumnar; (b) denderitic sama-sumbu, dan (c) sama-sumbu nondenderitic. Sumber: Apelian D.
GAMBAR 10,6 Skema ilustrasi struktur cor (a) depan pesawat fase, tunggal, dan (b) depan pesawat, dua tahap. Sumber: Apelian D.
Komposisi dendrit dan logam cair diberikan oleh diagram fasa dari paduan tertentu. Ketika paduan didinginkan sangat lambat, setiap dendrit mengembangkan komposisi yang seragam. Namun, normal Under (lebih cepat) pendingin ditemui dalam praktik, dendrit buang terbentuk dan memiliki komposisi permukaan yang berbeda dari yang ditengah (gradien konsentrasi). Permukaan memiliki konsentrasi yang lebih tinggi dari paduan sisa elemen dari pada inti dari dendrit karena penolakan terlarut dari inti ke permukaan selama pembekuan dari dendrit, yang disebut microsegregation. Dengan shading gelap dalam cairan interdendritic dekat akar dendrit pada Gambar. 10,6 menunjukkan bahwa wilayah tersebut memiliki konsentrasi zat terlarut lebih tinggi. Jadi microsegregation di wilayah ini jauh lebih jelas daripada di tempat lain.
Ada banyak jenis segregasi. Berbeda dengan microsegregation, macrosegregation melibatkan perbedaan dalam komposisi seluruh casting itu sendiri. Dalam situa ¬ tions mana bergerak memperkuat depan jauh dari permukaan casting sebagai depan pesawat, (Gambar 10.7), konstituen titik lebur yang lebih rendah dalam memperkuat paduan didorong menuju pusat (normal segregasi). Akibatnya, seperti casting memiliki konsentrasi yang lebih tinggi dari paduan unsur-unsur di pusatnya daripada di permukaan nya. Dalam struktur dendritik ¬ tures seperti untuk Aloys solid-solusi (Gambar 10.2b), sebaliknya terjadi: Pusat casting memiliki konsentrasi yang lebih rendah dari paduan unsur (segrega SI ¬ invers). Alasannya adalah bahwa logam cair (memiliki konsentrasi yang lebih tinggi elemeans paduan) memasuki rongga dikembangkan dari penyusutan solidifikasi di lengan dendrit, yang telah mengukuhkan cepat.
Bentuk lain dari segregasi adalah hasil dari gravitasi (segregasi gravitasi), dimana kerapatan lebih tinggi-senyawa inklusi atau tenggelam, dan elemen ringan (seperti antimon dalam paduan antimon-timbal) yang mengapung ke permukaan.
Struktur cast khas dari paduan solid-solusi dengan zona bagian dalam butir sama-sumbu ditunjukkan pada Gambar. 10.2b. Panggilan ini zona batin diperpanjang seluruh coran, seperti ditunjukkan pada Gambar. 10.2c, dengan menambahkan inokulan (nukleasi agen) untuk paduan. inokulan yang menyebabkan nukleasi butir di seluruh logam cair (nukleasi heterogen).
Karena adanya gradien thermal dalam memperkuat massa logam cair dan karena gravitasi (maka perbedaan densitas), konveksi memiliki pengaruh kuat pada struktur dikembangkan. Konveksi mempromosikan pembentukan zona dingin luar, memurnikan ukuran butir, dan mempercepat transisi dari kolumnar untuk biji-bijian sama-sumbu. struktur yang ditunjukkan pada Gambar. 10.6b panggilan juga akan diperoleh dengan meningkatkan konveksi dalam logam cair, dimana lengan dendrit terpisah multiplikasi (dendrit). Sebaliknya, mengurangi atau menghilangkan hasil konveksi di butir kasar dan lagi denderitic kolumnar.
Lengan dendrit tidak terlalu kuat, dan mereka dapat dipecah oleh agitasi atau getaran mekanis pada tahap awal pembekuan (logam semisolid membentuk dan rheocasting; Bagian lihat 11.3.7). Hal ini menghasilkan ukuran butir halus, dengan butir nondendretic sama-sumbu mendistribusikan lebih merata di seluruh casting (Gambar 10.6c). Konveksi panggilan ditingkatkan dengan menggunakan metode mekanik atau elektromagnetik.
Percobaan sekarang sedang dilakukan selama penerbangan angkasa tentang efek gravitasi pada struktur mikro produk cor. Kurangnya gravitasi atau gayaberat mikro, seperti yang sekarang disebut dalam hal melakukan perjalanan ruang, berarti bahwa tidak seperti di Bumi, tidak ada perbedaan signifikan kepadatan atau gradien termal (maka tidak ada konveksi) selama solidifikasi, sehingga mempengaruhi struktur solidifikasi dan distribusi kotor. Recent eksperimen melibatkan kristal tumbuh untuk menghasilkan cadmium telluride-seng, telluride merkuri-seng, dan selenium-ditipu sampel semikonduktor gallium arsenide (lihat Bagian 28,3).
10,3 Aliran Fluida
Untuk menekankan pentingnya aliran fluida, mari kita jelaskan secara singkat sistem casting dasar, seperti ditunjukkan pada Gambar. 10,8. Logam cair dituang melalui Cawan tuang atau cangkir. Hal ini kemudian mengalir melalui sistem gating (sariawan, pelari, dan gerbang) ke dalam rongga cetakan. Seperti dijelaskan dalam Gambar. 11,3, sariawan adalah vertical melalui saluran yang mengalir ke bawah logam cair dalam cetakan. Pelari adalah saluran yang membawa logam cair dari sariawan ke rongga cetakan atau sariawan menghubungkan ke pintu gerbang. Pintu gerbang itu adalah bagian dari pelari melalui mana logam cair memasuki rongga cetakan. Riser berfungsi sebagai waduk untuk memasok logam cair yang diperlukan untuk mencegah penyusutan selama pembekuan. (Lihat juga Gambar 11.3..)
GAMBAR 10,7 Skema ilustrasi dari sebuah casting riser-gated khas. Riser berfungsi sebagai waduk, memasok untuk pengecoran logam cair saat itu menyusut selama solidi ¬ fikasi.
Meskipun seperti sistem gating tampaknya relatif sederhana, casting berhasil membutuhkan rancangan yang cermat pertengahan proses pemadatan untuk memastikan aliran fluida yang memadai sistem. Sebagai contoh, salah satu fungsi yang paling penting dari genteng gating sistem adalah kontaminan perangkap (seperti oksida dan inklusi lainnya) dalam logam cair dengan memiliki kontaminan mematuhi dinding gating sistem, sehingga mencegah mereka mencapai rongga cetakan yang sebenarnya . Selain itu, desain yang tepat dari sistem gating menghindari atau mengurangi masalah seperti pendingin dini, turbulensi, dan entrapment gas. Bahkan sebelum mencapai rongga cetakan, logam cair harus ditangani dengan hati-hati untuk menghindari pembentukan oksida pada permukaan logam cair dari eksposur ke pengenalan lingkungan atau kotoran ke dalam logam cair.
Dua prinsip dasar dari aliran fluida yang relevan untuk gating desain: teorema Bernoulli dan hukum kontinuitas massa.
Teorema Bernoulli. teorema ini didasarkan pada prinsip konservasi energi dan terkait tekanan, kecepatan, ketinggian cairan pada setiap lokasi dalam sistem, dan kerugian geser pada sistem yang penuh cairan. Hal ini sesuai dengan persamaan
h + p + v2 = constant
pg 2g
di mana h adalah ketinggian di atas pesawat referensi tertentu, p adalah tekanan pada vation ¬ elemen, v adalah kecepatan cairan di ketinggian itu, p adalah densitas fluida (sebagai ¬ menjumlahkan bahwa mampat), dan g adalah konstanta gravitasi. Kekekalan energi mengharuskan, di lokasi tertentu di dalam sistem, hubungan berikut harus dipenuhi sebagai
hi + Pi + v12 = h2 + p2 + v2 + f
pg 2g pg 2g
dimana subskrip 1 dan 2 merupakan dua ketinggian yang berbeda, masing-masing. Berikut f merupakan kerugian gesek dalam cairan pada saat dikirimkan ke bawah melalui sistem. Kerugian gesekan meliputi faktor-faktor seperti kehilangan energi pada dinding antarmuka cair-jamur dan turbulensi dalam cairan.
Kontinuitas massa. Hukum kontinuitas massa menyatakan bahwa untuk cairan mampat dan dalam suatu sistem dengan dinding kedap laju aliran adalah konstan. Dengan demikian,
Q = A1v1 = A2v2
mana Q adalah tingkat volume aliran (seperti m3 / s), A adalah luas penampang aliran cair, dan v adalah kecepatan rata-rata cairan di lokasi penampang Subskrip 1 dan 2 merujuk ke dua lokasi yang berbeda dalam sistem. Menurut hukum ini, laju alir harus dijaga di mana saja di sistem. Kemampuan tembok sistem ini penting, karena jika tidak, beberapa cairan akan merembes ke seluruh dinding (seperti terjadi pada cetakan pasir). Jadi, tingkat aliran akan berkurang bergerak cair melalui sistem. Pelapisan sering digunakan untuk menghambat perilaku seperti itu dalam cetakan pasir.
Sariawan desain. Aplikasi dua prinsip hanya lain adalah desain meruncing tradisional sprues (ditunjukkan dalam Gambar. 10,8). Bentuk sariawan dapat mencegah ¬ ditambang dengan menggunakan Persamaan. (10.3) dan (10.4). Dengan asumsi bahwa tekanan di bagian atas sariawan adalah sama dengan tekanan di bagian bawah, dan bahwa tidak ada kerugian gesekan, hubungan antara tinggi dan luas penampang pada setiap titik di sariawan diberikan oleh hubungan parabolik
mana, misalnya, subskrip 1 menunjukkan bagian atas sariawan dan 2 menunjukkan bagian bawah. Pindah ke bawah dari atas, luas penampang sariawan yang karena itu harus menurun. Tergantung pada asumsi yang dibuat, selain ekspresi Persamaan. (10.5) juga dapat diperoleh. Sebagai contoh, kita bisa mengasumsikan kecepatan cair-logam tertentu, V1, di bagian atas sariawan itu. Kemudian, dengan menggunakan Persamaan. (10.3) dan (10,4), seorang mantan pression ¬ dapat diperoleh untuk Al/A2 rasio sebagai fungsi dari hl,, h2 dan V1.
Catatan bahwa dalam jatuh bebas-cair (seperti air dari keran), maka luas penampang sungai berkurang karena keuntungan kecepatan ke bawah. Jika kita merancang sariawan dengan luas penampang konstan dan menuangkan logam cair ke dalamnya, kembali dapat mengembang di mana cairan kehilangan kontak dengan dinding sariawan. Akibatnya, aspirasi (suatu proses dimana air tersedot atau terjebak dalam cairan) dapat dilakukan. Sebuah alternatif umum sprues tapered adalah penggunaan sprues lurus-sisi dengan mekanisme tersedak di bagian bawah, yang terdiri dari baik choke inti atau menjalankan tersedak (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.4).. Choke memperlambat arus cukup untuk mencegah aspirasi di sariawan tersebut.
Modeling. Aplikasi lain dari persamaan sebelumnya adalah dalam pemodelan cetakan mengisi. Sebagai contoh, mempertimbangkan situasi yang ditunjukkan pada Gambar. 10,7 dimana logam cair dituangkan ke dalam sebuah baskom menuangkan; mengalir melalui sariawan ke saluran dan pintu gerbang dan mengisi rongga cetakan. Jika Cawan tuang memiliki luas penampang yang jauh lebih besar daripada bagian bawah sariawan, maka kecepatan dari logam cair di bagian atas cekungan ing ¬ menuangkan sangat rendah dan dapat diambil sebagai nol. Jika kerugian gesekan yang karena energi disipasi viskos, maka f pada Persamaan. (10.3) dapat diambil sebagai fungsi jarak vertikal dan sering diperkirakan sebagai fungsi linier. Oleh karena itu, kecepatan dari logam cair meninggalkan gerbang diperoleh dari Persamaan. (10.3) sebagai
di mana h adalah jarak dari dasar sariawan dengan tinggi logam cair dan c adalah faktor gesekan. Untuk aliran tanpa gesekan, c sama dengan kesatuan dan selalu antara 0 dan 1.
Besarnya c bervariasi dengan bahan cetakan, tata letak runner, dan ukuran saluran dan dapat termasuk kerugian akibat turbulensi energi, serta efek viskos. Jika tingkat cair telah mencapai ketinggian x, maka kecepatan adalah gerbang
Tingkat mengalir melalui pintu gerbang akan produk kecepatan ini dan daerah gerbang menurut Persamaan. (10.4). Bentuk casting akan menentukan tinggi sebagai fungsi dari waktu. Mengintegrasikan Persamaan. (10.4) memberikan mean mengisi waktu dan laju aliran dan membagi volume casting oleh laju alir berarti memberikan cetakan mengisi waktu.
Simulasi mengisi cetakan membantu desainer dalam spesifikasi pelari Diameter, serta ukuran dan jumlah sprues dan cekungan menuangkan. Untuk memastikan bahwa pelari tetap terbuka, waktu harus mengisi sebagian kecil dari waktu solidifikasi, tetapi kecepatannya tidak boleh terlalu tinggi untuk mengikis bahan cetakan (disebut sebagai jamur mencuci) atau untuk menghasilkan terlalu tinggi dari bilangan Reynolds (lihat berikut ini). Jika tidak, Tur ¬ bulence dan udara terkait hasil entrainment. Untungnya, alat komputasi kini banyak tersedia untuk mengevaluasi desain gating dan membantu dalam ukuran komponen.
Karakteristik aliran. Satu pertimbangan penting dari aliran fluida di gating sistem adalah adanya turbulensi, yang bertentangan dengan aliran laminar cairan. Bilangan Reynolds, Re, digunakan untuk mengukur aspek aliran fluida. Ini merupakan rasio inersia untuk pasukan viskos dalam aliran fluida dan didefinisikan sebagai
dimana v adalah kecepatan cairan, D adalah diameter saluran, dan p dan 71 adalah densitas dan viskositas cairan itu, masing-masing. Semakin tinggi bilangan Reynolds, semakin besar kecenderungan untuk aliran turbulen terjadi.
Dalam gating sistem, Re berkisar dari tahun 2000 menjadi 20.000, di mana nilai sampai dengan 2000 merupakan aliran laminar. Antara tahun 2000 dan 20.000, itu merupakan campuran mendatang dari laminer dan aliran turbulen. Seperti campuran umumnya dianggap sebagai tidak berbahaya dalam gating sistem. Namun, nilai Re lebih dari 20.000 merupakan turblen parah, sehingga entrainment udara dan pembentukan sampah (sampah yang terbentuk pada permukaan logam cair) dari reaksi logam cair dengan udara dan gas lainnya. Teknik untuk meminimalkan turbulensi umumnya melibatkan menghindari perubahan mendadak dalam arah aliran dan geometri saluran-lintas bagian dalam desain sistem gating.
Terak sampah atau dapat dihilangkan hampir sepenuhnya hanya oleh casting vakum (Bagian 11.3.2). Konvensional casting atmosfer meringankan terak sampah atau oleh (a) skim ming, (b) dengan menggunakan dengan benar dirancang menuangkan waduk dan sistem saluran, atau (c) menggunakan filter, yang juga dapat menghilangkan aliran turbulen dalam sistem saluran. Filter biasanya terbuat dari keramik, mika, atau fiberglass; lokasi yang benar dan penempatan yang efektif penting untuk menyaring sampah dan terak.
10,4 Kelenturan Logam cair
Kemampuan logam cair mengisi rongga cetakan disebut fluiditas, yang terdiri dari dua faktor dasar: (1) karakteristik dari logam cair dan (2) parameter casting. Berikut pengaruh karakteristik fluiditas logam cair.
Viskositas. Sebagai viskositas dan kepekaan terhadap suhu (indeks viskositas) meningkat, menurun fluiditas.
Tegangan permukaan. Ketegangan tinggi permukaan logam cair mengurangi fluiditas. Karena itu, oksida film pada permukaan logam cair memiliki pengaruh yang signifikan terhadap fluiditas. Sebagai contoh, sebuah film oksida pada permukaan minum murni tiga kali lipat alur cair tegangan permukaan.
Inklusi. Karena mereka tidak larut, inklusi dapat memiliki efect signifikan merugikan fluiditas. Efek ini dapat diverifikasi dengan mengamati viskositas cairan (seperti minyak) dengan dan tanpa partikel pasir di dalamnya; cairan dengan pasir di dalamnya memiliki cosityvis lebih tinggi dan, karenanya, fluiditas yang lebih rendah.
Solidifikasi pola paduan. Cara dimana pemadatan terjadi (Bagian 10.2) dapat mempengaruhi fluiditas. Selain itu, fluiditas berbanding terbalik dengan rentang titik beku. Rentang waktu yang lebih pendek (seperti pada logam murni dan eutectics) fluiditas, semakin tinggi. Sebaliknya, dengan rentang pembekuan paduan panjang (seperti paduan solid-solusi) fluiditas telah lebih rendah.
pembekuan paduan dengan rentang panjang (seperti paduan solid-solusi) memiliki fluiditas yang lebih rendah.
The casting berikut parameter pengaruh fluiditas dan juga mempengaruhi karakteristik aliran fluida dan termal dari sistem.
Mold desain. Desain dan dimensi dari sariawan, pelari, dan penambah semua mempengaruhi fluiditas.
Mold material dan karakteristik permukaannya. Semakin tinggi konduktivitas termal cetakan dan kasar permukaan nya, semakin rendah fluiditas logam cair. Meskipun pemanasan cetakan meningkatkan fluiditas, memperlambat solidifikasi logam. Jadi casting mengembangkan butir kasar dan karenanya memiliki kekuatan yang lebih rendah.
Tingkat superheat. Superheat (didefinisikan sebagai kenaikan suhu suatu paduan di atas titik leleh) meningkatkan fluiditas dengan menunda pembekuan. Suhu penuangan sering ditentukan bukan tingkat superheat, karena lebih mudah ditetapkan.
Tingkat penuangan. Semakin lambat kecepatan penuangan logam cair ke dalam cetakan, semakin rendah fluiditas karena laju pendinginan yang lebih tinggi saat menuangkan perlahan-lahan.
Perpindahan panas. Faktor ini secara langsung mempengaruhi viskositas logam cair (lihat di bawah).
Meskipun kompleks, istilah castability umumnya digunakan untuk menggambarkan kemudahan dengan logam yang dapat dibuang untuk menghasilkan bagian dengan kualitas yang baik. Istilah ini dalam ¬ cludes tidak hanya fluiditas tetapi sifat casting praktek juga.
10.4.1 Pengujian fluiditas
Beberapa tes telah dikembangkan untuk mengukur fluiditas, meskipun tidak ada yang diterima ¬ versally uni. Dalam salah satu tes umum seperti, logam cair dibuat mengalir melalui saluran yang pada suhu kamar (Gbr. 10,9); jarak logam arus sebelum solidifikasi dan berhenti mengalir adalah ukuran fluiditas nya. Jelas, panjang ini adalah fungsi dari sifat termal logam dan cetakan, serta dari desain saluran. Namun, tes fluiditas tersebut berguna dan simulasi situasi casting untuk gelar rea-sonable.
GAMBAR 10,9 Sebuah cara uji fluiditas menggunakan cetakan spiral. Indeks fluiditas adalah panjang dari logam mengeras di bagian spiral. Semakin besar panjang logam mengeras, semakin besar fluiditas nya.
10,5 Heat Transfer
Perpindahan panas selama siklus lengkap (dari penuangan, untuk solidifikasi, dan pendinginan untuk suhu kamar) merupakan salah satu pertimbangan penting dalam pengecoran logam. arus panas di lokasi yang berbeda dalam sistem adalah fenomena yang kompleks dan tergantung pada beberapa faktor yang berhubungan dengan materi pemain dan cetakan dan parameter proses. Misalnya, di bagian casting tipis, harga logam aliran harus cukup tinggi untuk menghindari dingin prematur dan pembekuan. Di sisi lain, laju alir tidak harus begitu tinggi untuk menyebabkan turbulensi berlebihan dengan efek yang merugikan pada proses pengecoran.
Sebuah distribusi temperatur khas pada antarmuka cetakan logam cair ditunjukkan pada Gambar. 10,10. Panas dari logam cair dilepaskan melalui dinding cetakan dan ke udara sekitar. Penurunan temperatur di udara dan antarmuka cetakan cetakan logam disebabkan oleh adanya lapisan batas dan kontak yang tidak sempurna pada interface ini. Bentuk kurva tergantung pada sifat termal dari logam cair dan cetakan.
10.5.1 Solidifikasi waktu
Selama tahap awal solidifikasi, tipis, kulit padat mulai terbentuk pada dinding cetakan dingin, dan dengan berjalannya waktu, ketebalan kulit meningkat (Gbr. 10,11). Dengan dinding cetakan datar, ketebalan ini sebanding dengan akar kuadrat waktu. Jadi, penggandaan waktu akan membuat kulit
Waktu solidifikasi adalah fungsi dari volume sebuah casting dan luas permukaannya (aturan Chvorinov's):
di mana C adalah konstanta yang mencerminkan (a) bahan cetakan, (b) sifat logam (termasuk laten panas), dan (c) suhu. N memiliki nilai parameter ¬ tween menjadi 1,5 dan 2 tetapi biasanya diambil sebagai 2. Dengan demikian, besar, bola solid akan memperkuat dan sejuk dengan suhu lingkungan di tingkat yang lebih lambat dari lingkup solid akan lebih kecil.
GAMBAR 10,10 Distribusi temperatur pada antarmuka dinding cetakan dan logam cair saat pembekuan logam di casting.
GAMBAR 10.11Solidified kulit pada baja cor. Logam cair yang tersisa ditumpahkan pada waktu ditunjukkan pada gambar. objek Hollow hias dan dekorasi yang dibuat oleh suatu proses yang disebut casting lumpur, yang didasarkan pada prinsip ini. Sumber: HF Setelah Taylor, J. Wulff, dan Fleming MC.
Alasan untuk ini adalah bahwa volume bola sebanding dengan diameter kubus, dan luas permukaan sebanding dengan kuadrat diameternya. Demikian pula, dapat ditunjukkan bahwa logam cair dalam cetakan berbentuk kubus akan memperkuat lebih cepat daripada dalam cetakan bola dari volume yang sama (lihat Contoh 10.1).
Pengaruh geometri cetakan dan waktu berlalu ketebalan kulit dan bentuk ditunjukkan pada Gambar. 10.11. Sebagai ilustrasi, logam cair unsolidified telah dicurahkan dari cetakan pada interval waktu yang berbeda mulai dari lima detik sampai enam menit. Perhatikan bahwa (seperti yang diharapkan) meningkat ketebalan kulit dengan waktu berlalu, dan kulit yang tipis di sudut internal (lokasi A dalam gambar) daripada di sudut eksternal (lokasinya ¬ SI B). Kondisi terakhir ini disebabkan oleh pendinginan lebih lambat di sudut internal dari sudut eksternal.
CONTOH 10,1 Solidifikasi kali untuk berbagai bentuk
Tiga buah logam yang dilemparkan memiliki volume yang sama tetapi bentuk yang berbeda: Satu adalah sebuah bola, satu kubus, dan silinder lain dengan ketinggian sama dengan diameter nya. Yang akan memperkuat bagian tercepat, dan yang satu paling lambat? Asumsikan bahwa n = 2.
Solusi Volume artikel tersebut diambil sebagai kesatuan. Jadi dari Persamaan. (10,7),
Permukaan bidang masing-masing adalah sebagai berikut:
Sphere:
Cube:
V = a3, a = 1, and A = 6a2 = 6
Clynder:
The solidifikasi Oleh karena itu masing-masing kali
tsphere = 0.043C, tcube = 0.028C, tcylinde, = 0.033C
Oleh karena itu, bagian berbentuk kubus akan memperkuat tercepat, dan benda bulat akan memantapkan paling lambat.
10.5.2 Penyusutan
Karena karakteristik mereka ekspansi termal, logam biasanya menyusut (kontrak) selama pembekuan dan sementara pendinginan sampai suhu kamar. Penyusutan, yang menyebabkan perubahan dimensi dan (kadang) retak, adalah hasil dari tiga peristiwa berikut sekuensial:
1. Kontraksi logam cair karena cools sebelum pembekuan tersebut.
2. Kontraksi logam pada perubahan fasa dari cair ke padat (panas laten fusi).
3. Kontraksi saya memantapkan-al (casting) sebagai suhu turun ke suhu lingkungan.
Jumlah penyusutan potensi terbesar terjadi selama pendinginan casting untuk suhu lingkungan. Jumlah kontraksi selama pemadatan berbagai logam dapat dilihat pada Tabel 10.1. Perhatikan bahwa beberapa logam (seperti besi cor kelabu) memperluas (alasannya adalah grafit yang memiliki volume spesifik yang relatif tinggi, dan ketika presipitasi sebagai grafit serpih selama pembekuan dari besi cor kelabu, menyebabkan ekspansi bersih dari logam). Penyusutan adalah dijelaskan lebih lanjut pada Bagian 12.2.1 sehubungan dengan pertimbangan desain di casting.
10,6 Cacat
Seperti yang akan terlihat di bagian ini (dan juga bagian lain di seluruh Bagian II melalui VI), berbagai cacat dapat mengembangkan dalam proses manufaktur tergantung pada faktor-faktor seperti bahan, desain bagian, dan teknik pengolahan. Sementara beberapa cacat hanya mempengaruhi tampilan pada suku cadang yang dibuat, yang lain dapat memiliki dampak buruk besar terhadap integritas struktural dari bagian-bagian.
Beberapa cacat dapat mengembangkan dalam benda tuang (Gambar 10,12 dan 10,13). Karena berbeda nama telah digunakan di masa lalu untuk menggambarkan cacat yang sama, Komite Internasional Foundry Asosiasi Teknis telah mengembangkan clature nomen standar, yang terdiri dari tujuh kategori dasar dari cacat tuang diidentifikasi dengan huruf kapital tebal:
A. proyeksi logam, terdiri dari sirip, flash, atau proyeksi seperti membengkak dan permukaan kasar.
B. rongga, terdiri dari rongga bulat atau kasar internal atau terkena termasuk blowholes, lubang jarum, dan rongga penyusutan (lihat porositas, Bagian 10.6.1).
C. Cacat, seperti retak, dingin atau panas sobek dan dingin menutup. Jika logam memperkuat dibatasi dari menyusut bebas, keretakan dan sobek mungkin terjadi. Meskipun ada beberapa faktor yang terlibat dalam merobek, ukuran butir kasar dan kehadiran mensegregasikan-titik lebur yang rendah sepanjang batas butir (intergranular) meningkatkan kecenderungan untuk robek panas. Dingin menutup adalah sebuah antarmuka dalam casting yang tidak memiliki fusi lengkap karena pertemuan dua aliran logam cair dari gerbang yang berbeda.
D. cacat permukaan, seperti lipatan permukaan, lap, bekas luka, mengikuti lapisan pasir, dan skala oksida.
E. lengkap casting, seperti misruns (karena solidifikasi prematur), dalam volume yang cukup ¬ logam dituangkan, dan runout (karena hilangnya logam dari cetakan setelah penuangan). tuang lengkap juga dapat hasil dari logam cair berada di suhu terlalu rendah atau dari penuangan logam terlalu lambat.
F. Salah dimensi atau bentuk, karena faktor-faktor seperti tunjangan penyusutan yang tidak tepat, kesalahan pola-mount, kontraksi tidak teratur, pola cacat, atau casting menyesatkan.
G. Inklusi, yang merupakan saat leleh, solidifikasi, dan cetakan; biasanya bukan logam secara lisan. Mereka dianggap sebagai berbahaya karena mereka bertindak sebagai raisers stres dan, dengan demikian, mengurangi kekuatan coran. Sekecil partikel 30 μm bisa disaring keluar pada saat pengolahan logam cair. Inklusi mungkin bentuk selama mencair ketika logam cair akan bereaksi dengan lingkungan (biasanya oksigen) atau dengan wadah atau bahan cetakan. Reaksi kimia antar komponen dalam logam cair itu sendiri dapat menghasilkan inklusi; slags dan bahan asing lainnya terperangkap dalam logam cair juga menjadi inklusi datang. Spalling dari permukaan cetakan dan inti juga dapat menghasilkan inklusi, yang mengindikasikan pentingnya kualitas cetakan dan pemeliharaan mereka.
10,12 GAMBAR Contoh air mata panas di cor. Cacat ini terjadi karena casting tidak dapat menyusut dengan bebas pada saat pendinginan, karena kendala di berbagai bagian cetakan dan inti. Eksotermik (panas-memproduksi) senyawa dapat digunakan (sebagai padding eksotermik) untuk mengontrol pendinginan pada bagian penting untuk menghindari robek panas.
GAMBAR 10.13Examples cacat umum di cor. Cacat ini dapat diminimalkan atau dihilangkan dengan desain yang tepat dan persiapan cetakan dan kontrol penuangan prosedur. Sumber: Setelah J. Datsko.
10.6.1 Porositas
Porositas dalam sebuah casting dapat disebabkan oleh penyusutan, atau gas, atau keduanya. daerah berpori dapat mengembangkan di tuang karena penyusutan dari logam padat. Tipis bagian dalam sebuah casting memperkuat lebih cepat dari daerah tebal; sebagai akibatnya, aliran logam cair ke daerah tebal yang belum dipadatkan. daerah berpori dapat mengembangkan ditengah mereka karena kontraksi sebagai permukaan daerah tebal mulai memperkuat pertama. Microporosity juga dapat mengembangkan saat logam cair membeku dan menyusut menjadi dendrit ¬ tween dan di antara cabang dendrit.
Porositas adalah merugikan daktilitas dari casting dan menyelesaikan permukaan, sehingga permeabel dan, dengan demikian, mempengaruhi tekanan ketatnya kapal tekanan cor. Porositas yang disebabkan oleh penyusutan dapat dikurangi atau dihilangkan dengan berbagai cara seperti:
• logam cair yang memadai harus disediakan untuk menghindari rongga yang disebabkan oleh penyusutan.
• Internal atau menggigil eksternal, seperti yang digunakan dalam casting pasir (Gambar 10,14), juga merupakan cara yang efektif untuk mengurangi porositas penyusutan. Fungsi untuk kedinginan adalah untuk meningkatkan tingkat pemadatan di daerah kritis. Internal kedinginan biasanya terbuat dari bahan yang sama seperti casting dan yang tersisa di cor. Namun, mungkin ada masalah terlibat dalam fusi benar panas dingin internal dengan casting, sehingga foundries umumnya menghindari penggunaan internal kedinginan karena alasan ini. kedinginan Eksternal dapat dilakukan dari bahan yang sama atau mungkin besi, tembaga, atau grafit.
• Dengan paduan, porositas dapat dikurangi atau dihilangkan dengan membuat curam gradien suhu. Sebagai contoh, bahan cetakan yang lebih tinggi konduktivitas termal dapat digunakan.
• menundukkan casting untuk menekan isostatik panas adalah metode lain untuk mengurangi porositas (lihat Bagian 17.3.2).
Karena logam cair kelarutan jauh lebih besar untuk gas daripada padat (Gambar 10,15), ketika logam mulai memperkuat, gas terlarut dikeluarkan dari solusi. Gas mungkin juga hasil dari reaksi antara logam cair dengan bahan cetakan.
GAMBAR 10,14 Berbagai jenis (a) internal dan (b) menggigil eksternal (daerah gelap di sudut-sudut) yang digunakan dalam tuangan untuk menghilangkan porositas yang disebabkan oleh penyusutan. Kedinginan ditempatkan di daerah dimana terdapat volume yang lebih besar dari logam, seperti ditunjukkan dalam (c).
GAMBAR 10,15 Kelarutan hidrogen dalam aluminium. Perhatikan penurunan tajam dalam kelarutan sebagai logam cair mulai memperkuat.
Baik gas terakumulasi dalam wilayah porositas yang ada (seperti di daerah interdendritic) atau menyebabkan microporosity di casting, terutama dalam besi cor, aluminium, dan tembaga. gas terlarut dapat dihapus dari logam cair dengan pembilasan atau pembilasan dengan gas inert atau dengan peleburan dan penuangan logam dalam ruang hampa. Jika gas oksigen terlarut, logam cair dapat deoxidized. Baja biasanya deoxidized dengan aluminium, silikon, paduan tembaga berbasis dengan fosfor tembaga, titanium, dan bahan zirkonium bantalan.
Apakah microporosity adalah hasil penyusutan atau disebabkan oleh gas mungkin sulit untuk ditentukan. Jika porositas adalah bola dan dinding halus (mirip dengan lubang-lubang di keju Swiss mengkilap), secara umum dari gas. Jika dinding yang kasar dan sudut, porositas kemungkinan dari penyusutan antara dendrit. porositas Bruto adalah dari penyusutan dan biasanya disebut rongga penyusutan.
CONTOH 10,2 Casting aluminium piston otomotif
Gambar 10,16 menunjukkan piston aluminium otomotif yang digunakan dalam mesin pembakaran internal. Produk ini harus diproduksi di tingkat yang sangat tinggi dengan toleransi dimensi yang sangat ketat dan Persyaratan bahan yang ketat untuk mencapai proper operasi. keprihatinan Ekonomi jelas penting, dan sangat penting bahwa piston diproduksi dengan minimal operasi finishing mahal dan dengan beberapa bagian ditolak.
piston Aluminium yang diproduksi melalui casting karena kemampuan untuk menghasilkan di dekat bagian berbentuk bersih pada tingkat produksi yang dibutuhkan. Namun, dengan buruk dirancang cetakan, underfills atau porositas berlebih bisa menyebabkan bagian harus ditolak, menambah biaya. Ini cacat secara tradisional dikontrol melalui penggunaan mesin besar tunjangan ditambah dengan desain cetakan intuitif berdasarkan pengalaman.
Piston yang dihasilkan dari paduan silikon tinggi, seperti 413,0 paduan aluminium. paduan ini memiliki fluiditas tinggi dan dapat membuat permukaan definisi tinggi melalui pengecoran cetakan permanen, tetapi juga memiliki ketahanan yang tinggi terhadap korosi, mampu las yang baik, dan berat jenis rendah. Penerimaan universal piston aluminium untuk aplikasi mesin pembakaran internal terutama disebabkan berat yang ringan dan konduktivitas termal yang tinggi. inersia rendah memungkinkan mereka untuk kecepatan mesin yang lebih tinggi dan bobot negara ter ¬ berkurang di crankshaft, dan konduktivitas termal yang lebih tinggi memungkinkan untuk mentransfer panas yang lebih efisien dari mesin.
H13 alat cetakan baja dipanaskan 200 ° sampai 450 ° C, tergantung pada ukuran paduan cor dan bagian. Awalnya, panaskan ini dicapai dengan tangan memegang obor, tapi setelah beberapa tuang, cetakan profil negara mencapai suhu stabil. Aluminium cair dipanaskan untuk antara 100 ° sampai 200 ° C di atas suhu likuidus, dan kemudian menembak ditempatkan ke bagian infeed dari cetakan. Setelah menembak logam cair berada di tempat, piston drive logam ke dalam cetakan. Karena konduktivitas termal tinggi bahan cetakan, ekstraksi panas dari logam cair cepat, dan logam dapat memperkuat di saluran kecil sebelum mengisi cetakan sepenuhnya. Solidifikasi biasanya dimulai di salah satu ujung pengecoran cetakan sebelum diisi penuh.
GAMBAR 10,16 Aluminium piston untuk mesin pembakaran dalam: (a) as-cast dan (b) mesin setelah.
Seperti kebanyakan paduan, adalah yang dikehendaki untuk mulai pembekuan di salah satu ujung ekstrem dari casting dan memiliki solidifikasi depan melanjutkan di volume. Hal ini menghasilkan mikro secara terarah padat dan penghapusan porositas kotor yang muncul ketika dua front solidifikasi bertemu dalam sebuah casting. Apapun, cacat casting seperti memotong, hot spot, porositas, retak, dan cacat terjebak zona udara (seperti lubang pukulan dan scabs) dapat terjadi. Dengan desain cetakan miskin, 5% dari benda tuang dapat rusak.
Dalam rangka meningkatkan kehandalan dan mengurangi biaya associatzd dengan pengecoran cetakan permanen, model komputer berbasis jamur pengisian berlangsung untuk menunjukkan penyebab potensial defecis. Model komputer menggunakan Bernoulli dan persamaan kontinuitas digabungkan dengan perpindahan panas dan pembekuan untuk model proses pengecoran dan mengidentifikasi potensi kelemahan. Sebagai contoh, Gambar. 10,17 menunjukkan hasil dari simulasi cetakan mengisi dimana volume udara tetap terperangkap dalam cetakan. Hal ini diperbaiki dengan menempatkan sebuah lubang di daerah yang menjadi perhatian untuk memungkinkan udara untuk melarikan diri selama pengecoran. Simulasi komputer memungkinkan para desainer untuk mengevaluasi fitur-fitur cetakan dan geometri sebelum membeli peralatan mahal dan telah menjadi suatu proses yang sangat diperlukan untuk mengurangi biaya dan menghilangkan cacat di casting.
GAMBAR 10,17 Simulasi cetakan mengisi dan pembekuan. (Awal) setelah 3,7 detik dari pour. Perhatikan bahwa zona lembek telah ditetapkan sebelum cetakan diisi secara lengkap. (B) Dengan menggunakan lubang dalam cetakan untuk menghilangkan udara terjebak, 5 detik setelah turun.
