Mengapa gelembung udara muncul saat proses pengecoran logam?

Salah satu cacat yang paling umum dalam industri pengecoran adalah porositas, yaitu kondisi di mana hasil pengecoran dipenuhi lubang udara saat dipotong atau memiliki lubang-lubang kecil di permukaannya. Selain memengaruhi penampilan, porositas yang parah dapat menyebabkan bagian yang tampak utuh tiba-tiba patah saat digunakan.

Apakah ini masalah pabrik atau masalah desain? Apakah produk ini masih bisa digunakan? Bagaimana cara menghindarinya? Pertanyaan-pertanyaan ini, yang diajukan oleh para pembeli dan insinyur pengendalian mutu, akan dijawab di bagian berikut.

1. Apakah porositas sering terjadi pada pengecoran logam?

Sebagaimana telah disebutkan, porositas merupakan cacat yang paling umum dijumpai dalam industri pengecoran. Hampir semua proses pengecoran tidak mampu sepenuhnya mencegah terjadinya hal ini. Porositas hanya dapat dijaga agar tetap berada dalam kisaran yang dapat diterima melalui perancangan dan pelaksanaan proses yang baik.

Semua insinyur pengecoran sepakat bahwa bahkan proses pengecoran cetakan yang paling presisi sekalipun tidak dapat menghasilkan komponen yang sama sekali bebas porositas. Masalah porositas pada pengecoran pasir lebih sering terjadi karena cetakan pasir mengandung kelembapan dan bahan pengikat organik, yang menghasilkan gas saat bersentuhan dengan logam pada suhu tinggi.

Industri ini telah menetapkan kerangka kerja terstandarisasi mengenai klasifikasi, deteksi, dan metode perbaikan porositas. Masalah-masalah tersebut dapat dijelaskan secara akurat, dan kewajaran penjelasan dari pihak pabrik dapat dievaluasi setelah memahami dasar-dasar porositas.

2. Mengapa gelembung udara muncul saat proses pengecoran logam?

Porositas pada hasil cor dapat dikategorikan menjadi dua jenis: Porositas Gas dan Porositas Penyusutan.

Penyebab kedua hal tersebut sama sekali berbeda. Ciri-cirinya berbeda, dan solusinya pun sama sekali berbeda.

Penyebab porositas gas:

Logam cair mirip dengan minuman berkarbonasi bertekanan, yang memiliki kelarutan gas yang tinggi dalam cairan bersuhu tinggi. Kelarutan gas tersebut menurun drastis setelah pendinginan dan pemadatan, dan gas yang tidak dapat keluar membentuk gelembung udara di dalam logam. Gas yang paling umum adalah hidrogen. Masalah ini lebih serius pada pengecoran paduan aluminium karena kelarutan gas hidrogen dalam aluminium pada keadaan cair puluhan kali lipat lebih tinggi daripada pada keadaan padat.

Gas tersebut berasal dari beberapa sumber:

● Kelembapan dan lemak dalam bahan baku terurai pada suhu tinggi sehingga menghasilkan gas.

● Kelembapan dalam cetakan pasir menguap menjadi uap saat bersentuhan dengan logam cair.

● Turbulensi pada logam cair menyebabkan udara terperangkap di dalam rongga cetakan selama proses penuangan.

● Gas terperangkap akibat sistem ventilasi yang buruk di rongga cetakan.

Penyebab porositas penyusutan:

Logam mengalami penyusutan saat mengeras dari keadaan cair. Paduan aluminium menyusut sekitar 6%, sedangkan tingkat penyusutan baja adalah 3-4%. Jika dirancang dengan sistem pengumpanan yang tidak memadai (seperti desain riser), bagian terakhir yang mengeras selama proses pengkristalan logam—yang biasanya berada di tempat dinding paling tebal atau di tempat pendinginan terjadi paling akhir—akan membentuk lubang akibat kekurangan bahan.

Bentuk penyusutan biasanya tidak beraturan, menyerupai cabang pohon, atau berupa lekukan yang tidak beraturan. Hal ini merupakan perbedaan penampilan jika dibandingkan dengan porositas gas.

Ada kondisi khusus lainnya yang disebut porositas reaktif. Logam cair bereaksi dengan bahan cetakan, lapisan pelindung, atau oksigen dan nitrogen di atmosfer, sehingga menghasilkan gas tambahan. Sebagai contoh, baja cair bereaksi dengan bahan organik dalam cetakan pasir sehingga menghasilkan CO dan CO₂.

3. Bagaimana kita dapat menentukan penyebabnya berdasarkan ciri-ciri stomata?

Seorang insinyur pengecoran yang berpengalaman dapat menentukan penyebabnya berdasarkan karakteristik stomata dan mengambil tindakan yang sesuai.

Stoma melingkar yang halus: Porositas gas

Dinding bagian dalam pori-pori gas biasanya halus dan berbentuk hampir bulat atau oval, yang tampak seperti gelembung di dalam air. Hal ini disebabkan oleh gas yang membentuk gelembung berbentuk bola di dalam logam cair. Jika pori-pori berbentuk lingkaran tersebut terkonsentrasi di permukaan atau dekat permukaan coran, hal ini bisa disebabkan oleh kelembapan cetakan pasir atau masalah ventilasi cetakan; sedangkan jika pori-pori tersebut tersebar di seluruh bagian coran, hal ini umumnya disebabkan oleh kandungan gas yang berlebihan dalam bahan baku atau proses penghilangan gas yang tidak memadai.

Stomata bergerigi tidak beraturan: Porositas akibat penyusutan

Dinding bagian dalam porositas penyusutan memiliki permukaan yang kasar dan bentuk yang tidak beraturan, sehingga tampak seperti cabang pohon atau bergerigi. Porositas ini biasanya terletak di tengah penampang coran, atau di tempat ketebalan dinding berubah secara tajam, yang merupakan zona terakhir yang mengeras.

Gelembung: Porositas dekat permukaan

Tonjolan pada permukaan cetakan, yang bagian dalamnya kosong setelah retak, disebabkan oleh penumpukan gas di dekat permukaan. Hal ini umumnya terjadi akibat permeabilitas pasir yang tidak memadai atau adanya kelembapan pada lapisan pelapis dalam proses pengecoran pasir.

Lubang Jarum: Porositas Gas Hidrogen

Stomata-stomata kecil yang berjejal rapat sering ditemukan pada coran paduan aluminium, yang disebabkan oleh tingginya kandungan hidrogen dalam aluminium cair. Hal ini menandakan proses penghilangan gas yang tidak memadai atau adanya kelembapan pada bahan baku.

Lubang semburan: Gas hasil reaksi cetakan pasir

Stoma ini berukuran jauh lebih besar daripada lubang jarum, yang biasanya terletak di bagian atas coran akibat munculnya gelembung udara. Hal ini disebabkan oleh kadar kelembapan yang berlebihan atau permeabilitas yang tidak memadai pada cetakan pasir dalam proses pengecoran pasir. Jika terdapat noda teroksidasi pada dinding bagian dalam lubang gelembung, hal tersebut mungkin disebabkan oleh reaksi antara logam cair dan cetakan pasir.

4. Apakah langkah-langkah persiapan tersebut dapat mencegah terjadinya porositas selama proses pengecoran?

Pencegahan porositas merupakan salah satu masalah utama dalam pengelolaan proses pengecoran. Langkah-langkah pencegahan tersebut tercantum di bawah ini, disusun berdasarkan urutan tahap produksi.

Tahap persiapan bahan baku:

Langkah pencegahan pertama adalah mengontrol kadar kelembapan dan kebersihan bahan baku. Semua bahan logam harus dipanaskan terlebih dahulu dan dikeringkan sebelum dimasukkan ke dalam tungku, guna menghilangkan kelembapan dan minyak pada permukaannya. Bahan bekas coran yang dilebur ulang mudah membawa kotoran, sehingga proporsinya tidak boleh melebihi 30-40% dari total bahan masukan.

Ingot aluminium yang digunakan sebagai bahan baku paduan aluminium harus disimpan di lingkungan yang kering untuk mencegah penyerapan kelembapan.

Peleburan dan penghilangan gas:

Suhu leleh harus dikendalikan secara tepat, karena kelarutan gas akan meningkat seiring kenaikan suhu, sementara kelancaran aliran dan pengisian akan terganggu jika suhu terlalu rendah. Proses penghilangan gas harus dilakukan pada pengecoran paduan aluminium. Salah satu metode yang paling umum adalah dengan membiarkan gelembung gas inert naik ke permukaan logam cair dan keluar bersama hidrogen terlarut melalui penambahan nitrogen atau argon. Unit penghilangan gas rotari akan digunakan untuk memeriksa kandungan gas dan memastikan kepatuhan terhadap standar setelah proses penghilangan gas.

Cetakan pasir dan persiapan cetakan:

Kadar air cetakan pasir harus dikendalikan dengan ketat, yaitu harus berada dalam kisaran 2–4%. Cetakan pasir harus dikeringkan secara menyeluruh sebelum penuangan, terutama saat cuaca lembap atau setelah bekerja secara terus-menerus. Desain sistem ventilasi pada cetakan sangat penting karena gas akan terperangkap di dalam logam kecuali ada jalur untuk keluar. Kadar air pada lapisan cetakan (bahan pelepas) juga harus dikontrol, dan pastikan lapisan tersebut dalam keadaan kering sebelum digunakan.

Desain sistem gating:

Kecepatan penuangan secara langsung memengaruhi porositas dan metode tersebut. Turbulensi logam cair akan terjadi jika kecepatan penuangan terlalu cepat, sedangkan pemadatan dini dapat terjadi jika kecepatannya terlalu lambat. Sistem saluran tuang yang ideal harus dirancang untuk menghasilkan aliran laminar, yang mengisi cetakan dari bawah ke atas secara merata dan memberikan waktu bagi gas untuk keluar.

Desain sistem pemberian pakan:

Desain riser dan chill yang tepat merupakan kunci untuk mencegah porositas. Riser adalah area tambahan untuk penyimpanan logam, yang menyediakan logam tambahan selama penyusutan pemadatan coran. Chill adalah blok logam yang dapat mempercepat pendinginan di lokasi tertentu, sehingga menyebabkan pengkristalan terarah; hal ini membuat penyusutan terkonsentrasi pada riser, bukan pada komponen coran.

Pasca-pemrosesan:

Impregnasi Vakum merupakan metode perbaikan standar untuk coran yang memiliki persyaratan penyegelan khusus. Benda kerja direndam dalam resin khusus, yang mengisi semua porositas kecil, dalam kondisi vakum. Porositas tersebut tersegel setelah proses pengeringan, dan komponen tersebut dapat menahan tekanan operasi normal. Metode ini banyak digunakan dalam aplikasi yang memerlukan penyegelan, seperti komponen mesin kendaraan bermotor dan komponen hidraulik.

5. Apakah coran logam yang memiliki porositas dapat digunakan?

Tidak semua porositas berarti komponen tersebut harus dibuang, tetapi apakah coran logam yang memiliki porositas dapat digunakan atau tidak bergantung pada penggunaannya dan tingkat keparahan porositas tersebut.

● Dapat digunakan: Jika porositas kecil pada permukaan komponen eksterior tidak memengaruhi kekuatan dan fungsinya, komponen tersebut dapat digunakan setelah melalui proses pengamplasan dan pengisian. Batas toleransi porositas untuk komponen yang tidak menanggung beban dan non-struktural (seperti casing) lebih tinggi daripada komponen fungsional. Terdapat tabel penilaian porositas yang terstandarisasi, seperti ASTM E505, yang memungkinkan pembeli dan penjual menyepakati tingkat porositas yang dapat diterima sejak awal guna menghindari perselisihan.

● Kondisi yang harus dibuang: Porositas pada bagian penahan tekanan (seperti casing pompa, badan katup, dan silinder hidrolik) menciptakan saluran kebocoran, yang dapat mengakibatkan kegagalan total jika porositas tersebut saling terhubung dan cairan serta gas bocor melalui saluran tersebut. Pada komponen struktural seperti komponen dirgantara dan komponen keselamatan otomotif, porositas akan menjadi titik tegangan dan lebih rentan retak akibat kelelahan material. Porositas juga dapat menjebak bahan kimia dalam proses pelapisan elektro, yang menyebabkan lapisan pelapisan elektro mengelupas dan terkelupas akibat ekspansi termal.

Impregnasi vakum dapat dipertimbangkan untuk komponen yang memiliki akurasi dimensi keseluruhan yang baik namun cacat akibat porositas. Komponen dapat memenuhi persyaratan kedap udara setelah melalui proses impregnasi vakum dengan biaya yang lebih rendah dibandingkan dengan memproduksinya ulang dari awal. Proses ini dianggap sebagai proses pasca-pengolahan standar untuk pengecoran cetakan bertekanan di industri otomotif, bukan sebagai tindakan perbaikan setelah masalah terdeteksi.

6. Berikut ini 5 pabrik yang direkomendasikan yang memproduksi cetak logam berkualitas tinggi

CFS Foundry (Tiongkok)	Ini adalah pabrik pengecoran presisi yang berspesialisasi dalam pengecoran investasi menggunakan silica sol dan water glass. Pabrik ini menyediakan laporan uji kekerasan yang lengkap serta laporan pemeriksaan sinar-X yang dapat melacak porositas pada setiap batch, sehingga cocok bagi pembeli yang membutuhkan tingkat presisi menengah hingga tinggi dengan pengendalian porositas bersertifikat.
Dawang Metals (Tiongkok)	Perusahaan ini memiliki tiga lokasi pabrik seluas 120.000 meter persegi, yang cocok bagi pembeli yang membutuhkan pasokan dalam volume besar dan stabil. Produk mereka diekspor ke pasar Eropa, Amerika Utara, dan Asia, serta memiliki pengalaman yang mumpuni dalam memenuhi standar kualitas internasional.
Kualitas Pengecoran Industri (Tiongkok)	Pabrik ini menyediakan layanan pengecoran investasi, pengecoran pasir, dan pengecoran cetakan, sehingga menjadi salah satu dari sedikit pabrik yang mampu memenuhi berbagai kebutuhan. Metode manufaktur yang paling sesuai dapat dipilih sesuai dengan persyaratan toleransi porositas yang berbeda-beda.
Sunrise Metal (Tiongkok)	Perusahaan ini mengkhususkan diri dalam pengecoran aluminium dengan cetakan (die casting) yang dilengkapi dengan peralatan impregnasi vakum lengkap, yang cocok untuk komponen otomotif dan elektronik yang memerlukan penyegelan. Tingkat porositas dapat dikendalikan melalui sistem pengendalian proses statistik (SPC) profesional, yang mampu menghasilkan laporan data porositas per batch.
MetalTek International (AS)	Perusahaan ini berfokus pada pengecoran sentrifugal untuk paduan logam berkadar tinggi dan logam tahan panas, pengecoran investasi, serta pengecoran pasir. Perusahaan ini telah memperoleh Sertifikasi AS9100 dan Pendaftaran ITAR, sehingga cocok bagi pembeli di industri pertahanan, kedirgantaraan, dan medis yang memiliki persyaratan regulasi ketat terkait porositas.