Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kualitas Permukaan Coran

Kualitas permukaan coran merupakan fungsi dari setiap langkah yang menyentuh pola, cetakan dan logam - dari kondisi cetakan/pola dan reologi bahan pola melalui persiapan cangkang/lapisan muka, dewaxing dan penembakan cangkang, untuk mencair, penuangan, pendinginan dan penanganan akhir.

Mengontrol kekasaran permukaan (Ra) dan menghindari penyimpangan skala mikro memerlukan perhatian yang cermat terhadap peralatannya, bahan, parameter proses dan penanganan pasca pengecoran.

Artikel ini menganalisis faktor-faktor utama, mengkuantifikasi rentang kendali praktis jika memungkinkan, dan memberikan rekomendasi proses dan inspeksi yang dapat ditindaklanjuti.

1. Faktor Terkait Jamur

Cetakan berfungsi sebagai fondasi casting investasi, karena kualitasnya secara langsung menentukan bentuk dan kondisi permukaan pola lilin, yang pada akhirnya ditransfer ke casting akhir.

Dampak jamur terhadap kualitas permukaan pola lilin dapat diuraikan dari tiga aspek:

Desain Struktur Cetakan dan Kualitas Permukaan

Desain struktur cetakan yang tidak masuk akal sering kali menyebabkan goresan dan rasa sakit selama pencetakan pola lilin. Permukaan pola lilin yang diperbaiki pasti lebih rendah kualitasnya dibandingkan aslinya, dan cacat ini akan langsung direplikasi pada permukaan pengecoran.

Misalnya, sudut tajam (tanpa fillet R<0.3mm), sudut draft yang tidak mencukupi (<1° untuk rongga yang kompleks), atau permukaan belahan yang tidak rata pada struktur cetakan meningkatkan gesekan antara pola lilin dan rongga cetakan, menyebabkan kerusakan permukaan selama pembongkaran.

Kekasaran permukaan cetakan merupakan faktor penentu kualitas permukaan pola lilin. Jika kekasaran permukaan cetakan hanya Ra3.2μm, pola lilin yang dihasilkan akan memiliki kualitas permukaan yang lebih rendah lagi (Ra4.0–5.0μm), yang langsung ditransmisikan ke casting.

Pengalaman praktis menunjukkan bahwa kekasaran permukaan cetakan yang optimal harus dikontrol dalam Ra0.8μm; kehalusan yang berlebihan (MISALNYA., Ra0,2μm) tidak secara signifikan meningkatkan kualitas pola lilin tetapi meningkatkan biaya pemrosesan cetakan sebesar 30% –50%.

Kontrol Suhu Cetakan

Suhu cetakan mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap fluiditas lilin dan akurasi replikasi. Untuk sistem lilin suhu sedang, suhu cetakan optimal adalah 45–55℃.

Ketika suhu cetakan terlalu rendah (<35℃), fluiditas bahan lilin menurun tajam, mengakibatkan replikasi permukaan pola lilin yang buruk, disertai dengan tanda aliran dan penutupan dingin.

Lebih kritis lagi, jika suhu cetakan turun di bawah titik embun air (biasanya 15–20℃ di bengkel), banyak tetesan air akan terbentuk di permukaan cetakan.

Tetesan ini menempati ruang bahan lilin selama injeksi, menyebabkan permukaan pola lilin tidak rata—cacat yang juga disebabkan oleh zat pelepas yang berlebihan (ketebalan penyemprotan >5μm).

Mempertahankan suhu cetakan yang tepat sangat penting. Meningkatkan suhu cetakan dengan benar (hingga 50–55℃) dan tekanan injeksi (hingga 0,3–0,5MPa) dapat secara efektif meningkatkan fluiditas bahan lilin, meningkatkan kemampuan replikasi pola lilin pada permukaan cetakan, dan dengan demikian secara tidak langsung meningkatkan kualitas permukaan pengecoran.

Namun, suhu cetakan yang terlalu tinggi (>60℃) dapat menyebabkan bahan lilin mendingin dan mengeras terlalu lambat, menyebabkan deformasi pola lilin (penyimpangan dimensi >0.5mm) dan meningkatkan waktu siklus produksi, memerlukan keseimbangan antara kualitas dan efisiensi.

Ukuran Gerbang Injeksi Lilin

Ukuran gerbang injeksi lilin secara langsung mempengaruhi tekanan injeksi dan kecepatan pengisian lilin.

Untuk coran kecil (berat <500G), diameter gerbang optimal adalah **φ8–φ10mm**; untuk coran besar (berat >500G), diameter gerbang dapat ditingkatkan menjadi φ10–φ12 mm.

Meningkatkan ukuran gerbang dengan tepat membantu meningkatkan tekanan injeksi lilin, memastikan pengisian penuh rongga cetakan, dan mengurangi cacat permukaan seperti pengisian yang kurang dan tanda aliran pada pola lilin.

Untuk pengecoran kompleks dengan dinding tipis (<2mm), desain multi-gerbang (2–4 gerbang) disarankan untuk lebih meningkatkan keseragaman pengisian.

2. Dampak Bahan Lilin

Jenis dan kinerja bahan lilin merupakan faktor inti yang menentukan kualitas permukaan pola lilin, karena bahan lilin yang berbeda menunjukkan perilaku kristalisasi dan pemadatan yang berbeda.

Meja 1 merangkum parameter kinerja utama dan efek kualitas permukaan bahan lilin umum untuk pengecoran investasi.

Meja 1: Perbandingan Kinerja Bahan Lilin Umum untuk Pengecoran Investasi

Lilin Suhu Rendah (Lilin Asam Parafin-Stearat)

Lilin bersuhu rendah, terdiri dari parafin (60%–70%) dan asam stearat (30%–40%), menghasilkan pola lilin dengan kualitas permukaan paling buruk.

Sebagai lilin kristal, ia memiliki kisaran suhu kristalisasi yang sempit dan butiran asam stearat yang kasar (Ukuran biji -bijian >50μm).

Selama pemadatan, lilin cair tidak cukup untuk mengisi celah antar butiran, menghasilkan permukaan pola lilin yang kasar.

Bahkan dengan meningkatkan tekanan injeksi atau menyesuaikan parameter proses, kualitas permukaan pola lilin yang terbuat dari lilin bersuhu rendah tidak dapat ditingkatkan secara signifikan, membatasi penerapannya dalam pengecoran presisi tinggi.

Lilin Suhu Sedang

Lilin bersuhu sedang, campuran multi-komponen yang mengandung lilin mikrokristalin, damar, dan pemlastis, tidak memiliki titik leleh tetap dan kisaran suhu pemadatan yang lebih luas dibandingkan dengan lilin bersuhu rendah.

Selama pemadatan, karena perbedaan suhu pemadatan komponen-komponennya, fase cair dapat sepenuhnya mengisi celah antara fase padat, menghasilkan pola lilin dengan kualitas permukaan yang jauh lebih tinggi.

Namun, kinerja lilin suhu sedang bervariasi antar produsen; lilin dengan kandungan resin 5% –8% menunjukkan keseimbangan terbaik antara fluiditas dan kehalusan permukaan.

Lilin Terisi

Lilin terisi, diperkuat dengan bubuk keramik (5%–10%) atau serat kaca (3%–5%), menghasilkan pola lilin dengan kualitas permukaan tertinggi.

Penambahan bahan pengisi mengoptimalkan perilaku kristalisasi matriks lilin, mengurangi penyusutan solidifikasi (dari 2.0% menjadi 0,8%–1,2%), dan meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan aus pola lilin.

Hal ini tidak hanya meningkatkan kehalusan permukaan pola lilin tetapi juga mengurangi deformasi selama penyimpanan dan transportasi (tingkat deformasi <0.2% dalam waktu 24 jam), memastikan transfer kualitas permukaan yang stabil ke pengecoran.

Pembersihan pola lilin dan pengetsaan permukaan

Pembersihan pola lilin sering disalahartikan sebagai sekadar menghilangkan zat pelepas dari permukaan, tapi fungsinya yang paling penting adalah etsa permukaan.

Untuk pola lilin suhu sedang, proses pembersihan yang optimal menggunakan bahan etsa netral (konsentrasi 5% –8%) dengan nilai pH 6,5–7,5, waktu perendaman 1-2 menit, diikuti dengan membilas dengan air deionisasi dan mengeringkan pada suhu 40–50℃ selama 10–15 menit.

Selama proses pembersihan, efek etsa ringan terbentuk pada permukaan pola lilin, yang meningkatkan kekasaran permukaan pola lilin pada skala mikro (Ra dari 1,6μm menjadi 2,0–2,5μm) dan meningkatkan keterbasahan dan daya rekat lapisan permukaan berikutnya.

Pengetsaan yang tepat akan menciptakan permukaan “kasar mikro” yang memungkinkan lapisan menempel lebih kuat, menghindari lapisan terkelupas atau ketebalannya tidak rata pada saat pengeringan dan pemanggangan.

Hal ini sangat penting untuk meningkatkan kehalusan permukaan coran, sebagai lapisan yang melekat dengan baik dapat secara efektif meniru permukaan pola lilin dan mencegah cacat penetrasi pasir.

4. Faktor Pelapisan Permukaan

Lapisan permukaan (lapisan primer) bersentuhan langsung dengan pola lilin, dan kinerja serta parameter aplikasinya mempunyai dampak yang menentukan terhadap kualitas permukaan pengecoran.

Sifat Bahan Pelapis Permukaan

Sedangkan pengaruh serbuk permukaan dan pasir terhadap kualitas permukaan telah diketahui secara luas, pengaruh sol silika—komponen penting pelapis—terhadap kualitas permukaan masih kurang dipahami.

Sol silika berkualitas tinggi (baik impor maupun produksi dalam negeri) dengan ukuran partikel koloid yang seragam (10-20nm) dan viskositas rendah (2–5 mPa·s pada 25℃) menunjukkan kinerja yang unggul.

Di bawah viskositas cangkir aliran yang sama (Piala Ford #4: 20-25 detik), sol silika tersebut dapat mencapai rasio bubuk-cair yang lebih tinggi (2.5:1–3.0:1 untuk bubur bubuk zirkon), menghasilkan lapisan primer yang lebih padat.

Lapisan yang lebih padat mengurangi porositas permukaan (porositas <5%) dan meningkatkan kemampuan untuk mereplikasi permukaan pola lilin, menghasilkan permukaan pengecoran yang lebih halus (Ra berkurang 0,4–0,8μm dibandingkan dengan menggunakan sol silika berkualitas rendah).

Ketebalan Lapisan Permukaan

Untuk bubur bubuk zirkon (partikel bubuk zirkon ukuran 325–400 mesh), ketebalan lapisan primer yang optimal adalah 0.08–0.1mm. Ketebalan yang berlebihan dan tidak mencukupi mempengaruhi kualitas permukaan pengecoran:

• Ketebalan tidak mencukupi (<0.08mm): Mudah menyebabkan cacat “duri mentimun”—tajam, tonjolan seperti jarum (tinggi 0,1–0,3 mm) pada permukaan pengecoran akibat penetrasi pasir atau lapisan yang tidak rata.
• Ketebalan yang berlebihan (>0.1mm): Menghasilkan berbagai bentuk cacat.
  Akibat penyusutan pada saat pengeringan dan pemanggangan (tingkat penyusutan 3% –5%), lapisan tebal mungkin terlepas sebagian dari permukaan pola lilin, membentuk kasar, partikel cembung bulat (diameter 0,2–0,5 mm) pada permukaan pengecoran.

Mengontrol ketebalan lapisan memerlukan penyesuaian viskositas bubur yang tepat (Piala Ford #4: 20-25 detik), waktu pencelupan (5–10 detik), dan kondisi pengeringan (suhu 25–30℃, kelembapan 40%–60%, waktu pengeringan 2–4 jam) untuk memastikan ketebalan yang seragam dan daya rekat yang baik.

5. Proses Dewaxing

Tujuan dari dewaxing adalah untuk menghilangkan lilin sepenuhnya dari cetakan cangkang.

Untuk lilin bersuhu sedang, proses dewaxing yang optimal menggunakan ketel uap dewaxing dengan tekanan sebesar 0.6-0,8 MPa dan suhu 120–130℃, waktu dewaxing 15–25 menit (disesuaikan dengan ukuran cangkang).

Sisa lilin di cangkangnya (fraksi massa >0.5%), jika tidak terbakar sempurna saat dipanggang, akan menghasilkan karbon hitam dan kotoran lainnya, yang menempel pada permukaan pengecoran dan menurunkan kualitas permukaan—hal ini dibahas lebih lanjut di bagian pemanggangan.

Namun, dewaxing yang lengkap tidak berarti waktu dewaxing yang berkepanjangan. Di bawah premis untuk memastikan penghapusan lilin sepenuhnya (sisa lilin <0.5%), waktu dewaxing harus diminimalkan.

Suhu dalam ketel dewaxing melebihi suhu peralatan dehidrasi cepat pada umumnya, dan paparan lilin dalam jangka panjang pada suhu tinggi (>130℃ untuk >30 menit) mempercepat penuaan lilin.

Lilin yang sudah tua menunjukkan berkurangnya fluiditas (viskositas meningkat 20% –30%) dan peningkatan kerapuhan, yang dapat mempengaruhi daur ulang lilin selanjutnya dan meningkatkan risiko cacat pada pola lilin baru.

6. Penyimpanan Cetakan Cangkang

Cara penyimpanan cetakan cangkang tergantung pada kebersihan bengkel, dengan tujuan inti meminimalkan atau mencegah masuknya benda asing ke dalam rongga cangkang.

Meja 2 mencantumkan parameter penyimpanan optimal untuk cetakan cangkang setelah dewaxing.

Meja 2: Parameter Penyimpanan Optimal untuk Cetakan Cangkang Dewax

Banyak produsen yang secara keliru percaya bahwa menempatkan cangkang dengan wadah sariawan menghadap ke bawah menjamin keamanan, tapi hal ini tidak selalu terjadi.

Jika cangkang diletakkan langsung di atas tanah atau rangka besi yang terkontaminasi partikel pasir dan serpihan lainnya, benda asing dapat masuk ke rongga selama penanganan, menyebabkan inklusi dalam coran.

Inklusi semacam itu memerlukan perbaikan penggilingan dan pengelasan, yang sangat merusak kualitas permukaan pengecoran (Ra meningkat 2,0–3,0μm setelah perbaikan).

7. Memanggang Cetakan Kerang

Sisa lilin dalam cetakan cangkang harus dibakar seluruhnya selama pemanggangan untuk menghindari residu karbon. Proses pemanggangan yang optimal untuk cangkang berbahan zirkon adalah sebagai berikut:

1. Tahap pemanasan: Panaskan dari suhu kamar hingga 500℃ dengan laju 5–10℃/menit (pemanasan lambat untuk menghindari retaknya cangkang).
2. Tahap isolasi 1: Tahan pada suhu 500℃ untuk 30 menit untuk membakar sisa lilin.
3. Tahap pemanasan 2: Panaskan dari 500℃ hingga 900–1100℃ dengan kecepatan 10–15℃/menit.
4. Tahap isolasi 2: Tahan pada 900–1100℃ untuk 2–3 jam untuk meningkatkan kekuatan cangkang dan menghilangkan sisa kelembapan.

Untuk memastikan pembakaran sempurna dari sisa lilin, kandungan oksigen dalam tungku pemanggangan harus mencapai 12% (dipantau oleh sensor oksigen pada peralatan kelas atas).

Saat kandungan oksigennya hanya sekitar 6%, asap hitam tebal akan muncul pada suhu sekitar 800℃, yang harus dihindari.

Untuk peralatan tanpa fungsi suplai oksigen, membuka sebagian pintu tungku (jarak 5–10cm) untuk meningkatkan asupan udara dapat meningkatkan kadar oksigen dan meningkatkan pembakaran lilin secara sempurna.

Pemanggangan yang tepat juga meningkatkan kekuatan cangkang (Kekuatan tekan >20MPa) dan mengurangi porositas permukaan, lebih mengoptimalkan kualitas permukaan pengecoran.

8. Meleleh, kebersihan dan penuangan logam

Praktek peleburan dan penuangan mempengaruhi oksidasi permukaan, reaktivitas dan pembentukan film di permukaan.

Pengaruh utama

• Kontrol muatan dan terak: bahan muatan yang terkontaminasi dan fluks yang buruk menghasilkan inklusi yang lebih tinggi pada permukaan atau lapisan oksida yang memerangkap kekasaran dekat permukaan.
• Menuangkan suhu dan kecepatan: suhu penuangan yang terlalu tinggi dapat meningkatkan oksidasi atau reaksi berlebihan dengan cangkang; suhu yang terlalu rendah dapat menyebabkan pengisian tidak sempurna dan menjadi kasar akibat pembekuan dini.
• Metode pendinginan pasca penuangan: kontrol laju pendinginan dan penghindaran reoksidasi permukaan (MISALNYA., penggunaan kotak tuang/penutup) membantu meminimalkan pertengkaran permukaan.

Kontrol praktis

• Kontrol ketat terhadap muatan tungku, deoksidasi yang efektif dan praktik fluks/terak yang bersih.
• Tentukan jendela suhu penuangan dan skema gerbang yang mendorong laminar, pengisian non-turbulen untuk mengurangi jebakan gas dan pembentukan lapisan permukaan.
• Minimalkan paparan atmosfer pengoksidasi selama pemadatan awal (MISALNYA., penggunaan cetakan tertutup bila diperlukan).

9. Tahap Pasca Finishing

Banyak coran yang menunjukkan kualitas permukaan yang dapat diterima segera setelah dituang namun menjadi rusak parah setelah pasca-finishing—menjadikan tahap ini sebagai penyebab utama penurunan kualitas permukaan di banyak produsen..

Ada dua isu utama yang menonjol: kerusakan akibat tabrakan dan ledakan tembakan.

Pencegahan Kerusakan Akibat Tabrakan

Menerapkan a sistem penyimpanan dan transportasi rahasia: gunakan nampan plastik dengan bantalan lembut (Ketebalan busa EVA 5–10mm) untuk coran kecil; gunakan perlengkapan khusus untuk pengecoran besar untuk menghindari kontak langsung antar pengecoran. Hal ini dapat mengurangi tingkat kerusakan akibat tabrakan hingga lebih dari 80%.

Optimasi Proses Peledakan Tembakan

Peledakan tembakan digunakan untuk menghilangkan oksida permukaan dan pasir, dan parameter prosesnya secara langsung mempengaruhi kualitas permukaan pengecoran. Parameter shot blasting yang optimal untuk coran baja tahan karat adalah sebagai berikut:

• Spesifikasi tembakan baja: Tembakan baja cor, diameter 0,3–0,5 mm, kekerasan HRC 40–50.
• Tekanan ledakan tembakan: 0.4–0,6 MPa.
• Waktu peledakan tembakan: 10–15 menit per siklus (tidak lebih dari 15 menit).
• Persyaratan peralatan: Gunakan shot blaster dengan sistem proyeksi seragam (keseragaman proyeksi ≥90%) dan kontrol arus yang stabil (fluktuasi saat ini <5%).

Waktu peledakan harus dikontrol dengan ketat—tidak lebih dari 15 menit per siklus. Jika permukaannya tidak cukup dibersihkan, beberapa siklus pendek lebih disukai daripada peledakan satu siklus yang berkepanjangan untuk menghindari erosi permukaan yang berlebihan (Ra meningkat 1,0–2,0μm setelah peledakan berlebihan).

10. Kesimpulan

Kualitas permukaan coran merupakan hasil multi-disiplin: metalurgi, pengolahan keramik, teknik termal dan penanganan mekanis semuanya berkontribusi.

Dengan memperlakukan penyelesaian permukaan sebagai atribut kualitas yang sangat penting dalam proses — menentukan target numerik, memantau parameter kritis (alat Ra, Viskositas bubur, ketebalan lapisan wajah, kadar oksigen dewax, melelehkan/menuangkan jendela) dan memasang pos pemeriksaan inspeksi — pengecoran logam dapat menghasilkan produksi yang mulus secara konsisten, coran berkualitas tinggi dengan kemampuan manufaktur yang dapat diprediksi dan biaya pengerjaan ulang yang lebih rendah.