Strategi Penting untuk Mencegah Porositas dalam Die Casting

TL;DR

Mencegah porositas dalam pengecoran die, sebuah cacat yang disebabkan oleh terperangkapnya gas atau penyusutan logam, memerlukan pendekatan sistematis. Pencegahan yang efektif bergantung pada pengoptimalan desain cetakan dan saluran masuk, memastikan ventilasi die yang tepat, serta pengendalian tekanan dan suhu secara akurat selama proses pengecoran. Untuk komponen yang sudah terkena dampak, impregnasi vakum adalah metode pasca pengecoran yang andal untuk menyegel kerongkongan internal secara permanen dan menyelamatkan komponen.

Memahami Penyebab Utama Porositas

Porositas, yaitu adanya rongga kecil atau lubang dalam coran jadi, merupakan salah satu tantangan paling serius dalam pengecoran die. Hal ini merusak integritas struktural, ketahanan tekanan, dan kualitas permukaan suatu komponen. Pencegahan cacat ini secara efektif dimulai dari pemahaman yang jelas mengenai dua bentuk utamanya: porositas gas dan porositas penyusutan. Masing-masing jenis memiliki penyebab dan karakteristik yang berbeda, dan mengidentifikasi dengan tepat jenis yang muncul merupakan langkah pertama untuk menerapkan solusi yang tepat.

Porositas gas terjadi ketika gas terperangkap di dalam logam cair saat membeku. Gas ini dapat berasal dari berbagai sumber. Gas tersebut bisa berupa udara yang terperangkap di dalam selongsong injeksi atau rongga cetakan selama proses injeksi kecepatan tinggi, uap yang dihasilkan dari pelumas cetakan yang berlebihan atau terkontaminasi kelembapan, atau bahkan hidrogen yang dilepaskan dari paduan cair itu sendiri, terutama pada pengecoran aluminium. Rongga yang terbentuk umumnya berbentuk bulat, dindingnya halus, dan terkadang memiliki permukaan bagian dalam yang mengilap, menyerupai gelembung kecil. Lokasinya bisa acak, meskipun sering muncul di dekat permukaan atas coran karena sifat apungnya.

Porositas susut, di sisi lain, terjadi karena pengurangan volume alami logam saat berubah dari wujud cair ke padat. Jika bagian-bagian tertentu dari coran—biasanya area yang lebih tebal—mendingin dan membeku lebih lambat dibandingkan area sekitarnya, bagian tersebut dapat terisolasi dari aliran logam cair sebelum sepenuhnya padat. Saat cairan terisolasi ini terus mendingin dan menyusut, ia tertarik terpisah, membentuk rongga internal yang bergerigi, linier, atau menyerupai retakan. Berbeda dengan gelembung halus pada porositas gas, cacat susut bersifat angular dan sering mengikuti struktur butir dendritik dari logam yang telah membeku.

Mendiagnosis jenis porositas sangat penting untuk pemecahan masalah yang efektif. Pemeriksaan cermat, yang sering memerlukan pembesaran, dapat mengungkapkan bentuk dan sifat rongga-rongga tersebut. Memahami apakah penyebab utamanya adalah gas yang terperangkap atau pengisian yang tidak memadai selama proses pembekuan menentukan apakah solusinya terletak pada perbaikan ventilasi dan parameter injeksi atau pada perancangan ulang geometri bagian dan manajemen termal. Tabel berikut memberikan perbandingan yang jelas dari dua jenis cacat dasar ini.

Strategi Pencegahan Utama Selama Desain dan Operasi

Cara paling efektif untuk mengatasi porositas adalah mencegah terbentuknya sejak awal. Ini memerlukan pendekatan yang terintegrasi, menggabungkan desain komponen dan cetakan yang cerdas dengan pengendalian ketat terhadap parameter operasional. Langkah-langkah proaktif yang diambil selama tahap desain dan pengecoran jauh lebih hemat biaya dibandingkan berusaha memperbaiki cacat pada komponen jadi.

Salah satu benteng pertahanan utama adalah optimalisasi cetakan dan sistem saluran. Saluran utama (runner) dan saluran masuk (gate) harus dirancang untuk memfasilitasi aliran logam cair yang lancar dan tidak turbulen ke dalam rongga cetakan. Menurut panduan dari FLOW-3D , desain saluran yang buruk dapat menimbulkan turbulensi yang menjebak udara, yang kemudian terinjeksi ke dalam komponen. Menjaga ketebalan dinding yang konsisten dalam desain komponen cor juga sangat penting untuk mencegah titik panas terisolasi yang menyebabkan porositas susut. Sudut tajam harus dihindari karena dapat mengganggu aliran logam dan berfungsi sebagai titik konsentrasi tegangan.

Ventilasi yang tepat sama pentingnya untuk mencegah porositas gas. Saluran udara adalah saluran kecil yang dibubut pada cetakan dan memungkinkan udara yang sudah berada di rongga keluar saat logam cair masuk dengan cepat. Jika ventilasi tidak memadai, udara tidak memiliki tempat untuk keluar dan terperangkap di dalam coran. Seperti yang dicatat oleh para ahli dari Lethiguel USA, penggunaan area evakuasi dengan ukuran yang sesuai seperti blok ventilasi sangat penting untuk evakuasi udara yang efisien. Lokasi saluran udara sama pentingnya dengan ukurannya; saluran harus ditempatkan pada titik-titik terakhir yang terisi dan di setiap kantong dalam tempat udara cenderung terjebak.

Mengendalikan suhu dan tekanan merupakan hal mendasar untuk meminimalkan kedua jenis porositas. Suhu cetakan memengaruhi pola pembekuan; pengelolaannya dapat membantu mencegah pembekuan awal pada gerbang dan memastikan pengisian yang tepat ke bagian-bagian yang lebih tebal. Tekanan yang diberikan selama dan setelah injeksi merupakan alat ampuh untuk melawan penyusutan. Seperti dijelaskan oleh Hill & Griffith, tekanan intensifikasi tinggi yang diberikan selama pembekuan membantu mendorong logam cair tambahan masuk ke rongga penyusutan yang terbentuk, sehingga meningkatkan kepadatan komponen. Tingkat kendali proses ini sangat penting dalam industri seperti otomotif, di mana perusahaan-perusahaan yang berspesialisasi dalam komponen die cast berintegritas tinggi bergantung pada desain teliti dan jaminan kualitas untuk mencegah cacat.

Untuk memastikan konsistensi, operator dan insinyur dapat mengikuti daftar periksa sistematis sebelum menjalankan produksi:

1. Verifikasi Desain Cetakan: Pastikan sistem gerbang dan saluran dirancang untuk aliran laminar dan ketebalan dinding seuniform mungkin.
2. Periksa Sistem Ventilasi: Pastikan semua saluran ventilasi bersih, berukuran tepat, dan terletak di titik akhir pengisian.
3. Periksa Kualitas Material: Gunakan batangan paduan yang bersih dan kering untuk meminimalkan masuknya hidrogen dan uap air.
4. Kalibrasi Parameter Mesin: Atur dan pantau kecepatan penyuntikan, tekanan injeksi, dan tekanan intensifikasi sesuai spesifikasi proses.
5. Kelola Suhu: Pastikan logam cair dan cetakan berada pada suhu operasional optimal sebelum memulai produksi.
6. Kontrol Pelumasan Cetakan: Gunakan jumlah pelumas seminimal mungkin yang diperlukan untuk memudahkan pelepasan komponen, hindari kelebihan yang dapat menguap dan menyebabkan porositas gas.

Teknik Lanjutan dan Solusi Pasca Pengecoran

Meskipun dengan langkah-langkah pencegahan terbaik, tingkat porositas mikro tertentu dapat melekat dalam proses die casting, terutama pada komponen yang kompleks. Untuk aplikasi di mana ketahanan tekanan mutlak tidak bisa ditawar atau untuk menyelamatkan komponen bernilai tinggi yang mengalami porositas, diterapkan teknik canggih dan perlakuan pasca pengecoran. Yang paling menonjol dan efektif di antaranya adalah impregnasi vakum.

Impregnasi vakum adalah proses yang dirancang untuk menyegel secara permanen porositas yang dapat menciptakan jalur kebocoran pada suatu komponen jadi. Proses ini tidak menambah kekuatan struktural, tetapi sangat efektif dalam membuat coran menjadi tahan tekanan. Proses ini melibatkan beberapa langkah utama. Pertama, coran yang porous ditempatkan di dalam sebuah ruang, lalu vakum diterapkan untuk mengosongkan seluruh udara dari rongga internal. Selanjutnya, cairan sealant dimasukkan ke dalam ruang tersebut, dan di bawah tekanan, sealant dipaksa masuk jauh ke dalam pori-pori mikro. Akhirnya, komponen dikeluarkan, sealant berlebih dibersihkan dari permukaan, dan sealant yang berada di dalam pori-pori dikeringkan (seringkali dengan panas) sehingga membentuk polimer padat yang inert dan menyegel jalur kebocoran secara permanen. Metode ini dihargai karena kemampuannya menyegel komponen tanpa mengubah toleransi dimensi maupun penampilannya.

Teknik canggih lainnya, yang diterapkan selama proses pengecoran itu sendiri, adalah penggunaan sistem bantu vakum. Ini melibatkan pemasangan pompa vakum ke cetakan dan secara aktif mengosongkan udara dari rongga tepat sebelum dan selama injeksi logam cair. Dengan menciptakan kondisi hampa sebagian, jumlah udara yang terperangkap menjadi jauh berkurang, sehingga porositas akibat gas turun drastis. Ini merupakan tindakan pencegahan, berbeda dengan sifat perbaikan dari impregnasi. Pemilihan antara sistem bantu vakum dan impregnasi setelah pengecoran sering kali bergantung pada persyaratan khusus komponen, volume produksi, serta pertimbangan biaya.

Keputusan kapan menggunakan solusi pasca pengecoran seperti impregnasi vakum bergantung pada tingkat kritis aplikasi tersebut. Pertimbangkan skenario-skenario berikut:

• Komponen Kedap Tekanan: Untuk komponen yang harus menahan cairan atau gas, seperti komponen sistem bahan bakar, blok mesin, atau badan katup hidrolik, penyegelan semua jalur kebocoran potensial bersifat wajib.
• Pemanfaatan Kembali Pengecoran Bernilai Tinggi: Jika sebuah coran yang kompleks dan mahal ditemukan memiliki porositas setelah proses permesinan, impregnasi dapat menjadi cara yang hemat biaya untuk menyelamatkan bagian tersebut agar tidak dibuang.
• Meningkatkan Kualitas Pelapisan atau Coating: Menyegel pori-pori permukaan buta mencegah larutan pembersih dan asam terperangkap selama pra-perlakuan, yang nantinya dapat keluar dan menyebabkan noda atau lepuh pada permukaan akhir.

Menetapkan dan Mengukur Standar Penerimaan Porositas

Meskipun tujuannya adalah meminimalkan porositas, mencapai nol porositas pada setiap pengecoran sering kali secara teknis tidak layak dan secara ekonomi tidak praktis. Oleh karena itu, aspek penting dalam kontrol kualitas pengecoran die adalah menetapkan standar penerimaan porositas yang jelas dan realistis. Standar-standar ini menentukan jumlah, ukuran, dan jenis porositas maksimum yang diperbolehkan untuk komponen tertentu berdasarkan fungsi dan persyaratan kinerjanya. Pendekatan pragmatis ini memastikan bahwa bagian-bagian tersebut sesuai dengan fungsinya tanpa menimbulkan biaya berlebih yang terkait dengan upaya mencapai kesempurnaan absolut.

Tingkat porositas yang dapat diterima sangat tergantung pada aplikasi bagian tersebut. Komponen yang digunakan untuk tujuan dekoratif murni dapat mentolerir tingkat porositas internal yang lebih tinggi dibandingkan bagian struktural yang mengalami tekanan tinggi atau komponen hidrolik yang harus tahan tekanan. Area kritis, seperti permukaan penyegel, lubang berulir, atau bagian yang menanggung beban mekanis signifikan, akan memiliki standar yang jauh lebih ketat dibandingkan area non-kritis. Insinyur kualitas bekerja sama dengan desainer dan pelanggan untuk memetakan zona-zona ini pada suatu bagian dan menentukan kriteria penerimaan khusus untuk masing-masing zona.

Standar industri, seperti yang dirujuk oleh ASTM, memberikan kerangka kerja untuk mengklasifikasikan porositas berdasarkan ukuran dan distribusinya sebagaimana terlihat pada radiograf (sinar-X). Sebagai contoh, suatu standar mungkin menentukan bahwa untuk area penyegelan pada pengecoran die aluminium, diameter satu pori tunggal tidak boleh melebihi 0,5 mm, dan pori berbentuk rantai dilarang. Sebaliknya, pada area yang tidak kritis di bagian yang sama mungkin diperbolehkan pori yang lebih besar atau kepadatan pori kecil yang lebih tinggi. Hal ini memastikan bahwa upaya pengendalian kualitas difokuskan pada area yang paling penting.

Analisis biaya-manfaat merupakan hal yang utama dalam diskusi ini. Upaya mencapai porositas hampir nol memerlukan peralatan yang lebih kompleks, waktu siklus yang lebih lambat, bahan berkualitas tinggi, serta proses canggih seperti bantuan vakum, yang semuanya meningkatkan biaya per unit produk. Dengan menetapkan standar yang dapat diterima, produsen dapat menyeimbangkan biaya produksi dengan kinerja dan keandalan yang dibutuhkan oleh produk akhir. Hal ini melibatkan kerja sama untuk mendokumentasikan standar-standar tersebut secara jelas dalam gambar komponen dan rencana pengendalian kualitas, sehingga baik produsen maupun pelanggan memiliki pemahaman bersama mengenai apa yang dianggap sebagai komponen yang dapat diterima.

Pertanyaan Umum Mengenai Porositas Die Casting

1. Bagaimana cara mengecor tanpa porositas?

Mencapai pengecoran yang benar-benar bebas dari porositas sangatlah sulit. Namun, Anda dapat mendekati hasil tersebut dengan menggabungkan beberapa strategi. Ini melibatkan pengoptimalan desain komponen dan rongga cetakan agar aliran logam menjadi lancar, memastikan ventilasi die yang luas dan terletak secara tepat, menggunakan sistem bantu vakum untuk mengeluarkan udara dari rongga, serta menjaga kontrol yang presisi terhadap kecepatan injeksi, tekanan, dan suhu. Untuk aplikasi kritis, impregnasi vakum pasca pengecoran sering digunakan untuk menutup sisa porositas mikro.

2. Cara mengurangi porositas?

Porositas dapat dikurangi secara signifikan melalui pendekatan sistematis. Metode utama meliputi: memastikan logam cair bersih dan bebas gas; mengoptimalkan sistem gating dan runner untuk mengurangi turbulensi; menambahkan atau memperbesar vent agar udara terperangkap dapat keluar; meningkatkan tekanan intensifikasi untuk membantu mengisi area yang rentan penyusutan; serta mengontrol suhu die dan logam agar pembekuan berlangsung seragam.

3. Berapa banyak porositas yang dapat diterima dalam pengecoran?

Jumlah porositas yang dapat diterima sepenuhnya tergantung pada aplikasi bagian tersebut. Bagian-bagian yang tidak kritis dan tidak struktural dapat mentolerir sejumlah porositas internal. Namun, untuk komponen yang harus kedap tekanan atau menahan beban mekanis yang signifikan, standarnya jauh lebih ketat. Kriteria penerimaan, yang sering ditentukan oleh standar industri, mengatur ukuran maksimum, jumlah, dan lokasi pori yang diizinkan pada area pengecoran yang kritis dibandingkan dengan yang tidak kritis.