Process and Related Factors in Solidification of Metals.pdf

process solidification of metals

1. SOLIDIFIKASI
edisepte.s

2. ⚫Dalam pembentukan logam, sebagian besar cara yang dilakukan adalah
dengan melebur logam tersebut sebelum dituang kedalam cetakan
sesuai dengan bentuk yang diinginkan

3. Pada proses pembentukan
logam dengan cara penuangan
terjadi solidifikasi

4. Tahapan Proses Solidifikasi
1.Pembentukan Inti
⚫Pada temperatur tinggi dan dalam keadaan cair, atom-atom memiliki
energi yang besar, sehingga mudah bergerak dan tidak memiliki susunan
yang teratur.
⚫Penurunan temperatur menyebabkan penurunan energi atom, sehingga
memperlambat pergerakan atom dan mulai berikatan dengan atom
lainnya membentuk sel satuan berupa inti kristal (nucleous).
⚫Inti-inti ini akan menjadi pusat
dari proses kristalisasi selanjutnya

5. 2.Pertumbuhan Butir (Kristal)
⚫Semakin turun temperatur, semakin banyak atom yang
bergabung dengan inti
⚫Pertumbuhan ini berlangsung dari tempat yang bertemperatur
rendah (pada inti) ke cairan yang bertemperatur lebih tinggi
⚫Dendrit akan terus tumbuh ke segala
arah
⚫Pertumbuhan inti tidak bergerak lurus
saja, akan tetapi mulai membentuk
cabang-cabang dan ranting-ranting.
Struktur ini disebut dengan struktur
dendritik.

6. ⚫Ranting-ranting dendrit tersebut hampir
bersentuhan satu dengan lainnya sehingga sisa
cairan yang terakhir akan membeku disela-sela
dendrit tersebut
⚫Pertemuan antar dendrit kristal akan
membentuk batas butir.
⚫Pada batas butir tsb terdapat unsur ikutan
(impurity) yang lebih banyak dan
ketidakteraturan susunan atom (mismatch).

8. ⚫Dua mekanisme utama terjadinya pengintian
partikel padat dalam lelehan logam adalah :
pengintian homogendan pengintian heterogen
Pembentukan Inti pada Logam Cair
Apabila logam cair murnididinginkan
beberapa derajat dari temperatur batas
cairnya, sebagian besar atom-atom akan
berikatan dan membentuk inti homogen

9. Titik Leleh, Engergi Solidifikasi, Energi Permukaan & Temperatur Pengintian
Logam
Titik Leleh (Tm)
Energi Solidifikasi
(Δ Hs)
Energi Permukaan
()
Temperatur
Pengintian
(
o
C ) (
o
K ) ( J/ cm
3
) ( J/ cm
2
) T (
o
C )
Pb 327 600 - 280 33.3 x 10
-7
80
Al 660 933 - 1066 93 x 10
-7
130
Ag 962 1235 - 1097 126 x 10
-7
227
Cu 1083 1356 - 1826 177 x 10
-7
236
Ni 1453 1726 - 2660 255 x 10
-7
319
Fe 1535 1808 - 2098 204 x 10
-7
295
Pt 1772 2045 - 2160 240 x 10
-7
332
Logam membutuhkan penurunan temperatur yang berbeda dalam
pembentukan inti homogen, seperti diperlihatkan pada Tabel

10. ⚫Untuk menjadi inti yang stabil, inti tersebut akan tumbuh
menjadi kristal, dan mencapai ukuran kritis (critical size).
⚫Ikatan atom-atom yang berukuran dibawah ukuran kritis
disebut embrio, sedangkan yang berukuran besar dari
ukuran kritis disebut inti (nucleus).
⚫Karena ketidakstabilannya, embrio akan terbentuk secara
kontinyu dan larut kembali dalam lelehan logam

11. Energi yang Terlibat dalam Pengintian Homogen
1. Energi bebas volume (energi bulk)
→energi yang dilepaskan cairan logam selama solidifikasi
2. Energi permukaan
→energi yang dibutuhkan partikel untuk membentuk
permukaan padat baru.

12. ⚫Apabila lelehan logam cair didinginkan →driving
energi untuk transformasi dari cair ke padat adalah :
energi bebas volume (Gv) cair -padat.
⚫Gv : perubahan energi bebas antara cair dan padat
persatuan volume logam
⚫Karena volume bola adalah 4/3.  .r
3
Maka :
⚫Perubahan energi bebas inti (spherical nucleus)
dengan radius r, adalah :
G
V= 4/3. .r
3
. Gv

13. ⚫Energi yang dibutuhkan untuk membentuk permukaan
partikel bulat adalah G
S.
G
S: energi spesifik permukaan partikel .
⚫Karena luas permukaan bola = 4. r
2
,
⚫maka :
G
S= 4. r
2
. 

14. ⚫Energi total yang diperlukan dalam pembentukan
embrio atau inti adalah jumlah perubahan energi bebas
volume dan perubahan energi bebas permukaan.
⚫Secara matematis ditulis :
G
T= G
V+ G
S
G
T=4/3. .r
3
. Gv + 4. r
2
. 
G
T= perubahan energi bebas total.
r = radius embrio atau inti.
Gv = perubahan energi bebas volume.
= energi bebas permukaan spesifik

15. Radius partikel, rr*
G
T
*
G
V = Perubahan energi bebas volume
G
V = 4/3. .r
3
. G
v
Perubahan energi bebas,

G
G
S = Perubahan energi bebas permukaan
G
S = 4.  r
2
.  .
G
T = Perubahan energi bebas total
G
T = G
V +G
S.
_
+
Energi dorong
Energi penghambat
Perubahan energi bebas vs radius inti

16. ⚫Dalam praktek sistem dapat berubah secara spontan dari
kondisi energi yang tinggi ke energi yang rendah.
⚫Jika partikel padat terbentuk dengan r < r*→ sistem
memerlukanenergi lebih rendah untuk larut kembali →
Sehingga inti dengan ukuran yang kecil tersebut akan
larut dalam lelehan logam.
⚫Jika partikel padat terbentuk dengan r > r*→ sistem
memerlukanenergi lebih rendah untuk tumbuh menjadi
partikel yang lebih besar atau kristal.
⚫Apabila r mencapai radius kritis (r*), G
Takan mencapai
nilai maksimum pada G
T*.

17. ⚫Hubungan antara ukuran kritis inti, energi bebas
permukaan dan energi bebas volume proses
solidifikasi logam murni diperoleh melalui
differensiasi persamaan diatas.
⚫Differensial energi bebas total G
Tfungsi r adalah 0,
bila r = r* , karena energi bebas total vs radius inti
berpotongan pada kondisi maksimum dan slope :
d(G
T)/dr = 0. Jadi :
d(GT)= d (4/3. .r
3
. Gv + 4. r
2
. )
dr dr
= 12  (r
*
)
2
. Gv + 8 r
*
 = 0
3
4  (r*)
2
. Gv = 8 r* 
r*. Gv = 2 
r*= 2 
Gv

18. Radius Kritis vs Derajat Pendinginan
⚫Semakin besar derajat pendinginan (T) dibawah
temperatur cair setimbang logam, maka semakin
besar perubahan energi bebas volumenya (Gv).
⚫Peningkatan derajat pendinginan akan menurunkan
ukuran kritis inti.
⚫Perubahan energi bebas terhadap energi permukaan
dipengaruhi oleh temperatur lelehnya.
⚫Jadi : r*= 2 . Tm
Hs. T
dimana :
r* = radius kritis inti, cm
 = energi bebas permukaan ( J/ cm2 )
H
S = Panas leten solidifikasi ( J/ cm3 )
T = derajat pendinginan terbentuknya inti,
o
K

19. Daerah pembentukan
inti stabil
Daerah pelarutan
kembali inti
r*, cm
T,
o
C
10
-6
1,5 x10
-6
5 x10
-7

500
300
100
0
Radius kritis inti fungsi derajat pendinginan tembaga

20. ⚫Apabilalogammurnidituangdalamcetakantetap,
akandiperoleh2(dua)jenisstrukturbutir,yaitu:
(1).Equiaxedgrainsdan(2).Columnargrains.
⚫Jikaselamasolidifikasikristaltumbuhsecaraterbatas
dalamsemuaarah→menghasilkanbutirequiaxed.
⚫Butirequiaxedterbentukpadadaerahdekatdinding
cetakan→karenaderajatpendinginannyarelatif
besar,sehinggakonsentrasipengintianselama
pembekuantinggi.
→
Struktur Butir

21. ⚫Jikalogammengalamipembekuansecaralambat
dengangradientemperaturpendinginanyangtajam
→Jumlahintiyangterbentukselamapembekuan
relatifsedikit→menghasilkanbutiryangtipis,halus
danpanjang(columnar).
⚫Butircolumnartumbuhtegaklurusterhadap
permukaancetakan→Karenabesarnyagradien
termalyangterdapatpadaarahtersebut
Dinding
cetakan
Equiaxed
grains
Columnar grains

22. Pengintian Heterogen
⚫Pengintianyangterjadidalamcairanpadapermukaan
unsurlaindanpengotoryangtidaklarutyangterdapat
dalamlogamcairtersebutyangmemilikienergibebas
kritislebihrendahdalampembentukanintistabilnya.
→Pengintianheterogenterjadipadamedia
pengintian,karenaenergipermukaanuntuk
membentukintistabillebihrendahdibandingapabila
materialtersebutmengalamipengintianhomogen

23. ⚫Karenaenergipermukaanpengintianheterogenlebih
rendah→perubahanenergibebastotaluntuk
membentukintistabilakanlebihrendahpula→
ukuranintikritisnyaakanlebihkecil.
⚫Jadiderajatpendinginanyanglebihkecildapat
membentukintistabilpadapengintianheterogen
Media Pengintian
Cair
Solid
Gambar memperlihatkan media pengintian (solid nucleating agent)
yang dibasahi oleh cairan yang telah membeku, yang memiliki sudut
kontak () yang kecil, antara logam beku dan media pengintian.

24. Pertumbuhan Kristal dalam Logam Cair dan
Pembentukan Butir
⚫Setelahintistabilterbentuk,intitersebuttumbuhmenjadi
kristal.Padamasing-masingkristalatom-atomtersusun
dalamsuatupolaregular,akantetapiorientsikristalnya
bervariasi.
⚫Jikapembekuantelahsempurna,kristalakansaling
berikatandalamorientasiyangberbedadandiantarakristal-
kristalituterbentukbataskristal.

25. ⚫Jumlahintiyangterbentukselamapembekuanlogam
akanmempengaruhistrukturbutirsuatulogam.
→Jikaintiyangterbentuksedikit,makabutiryang
dihasilkanbesar-besar.
→Jikaintiyangterbentukbanyak,makabutiryang
dihasilkankecil-kecilatauhalus.
⚫Sebagianbesarlogamdanpaduannyayangdigunakan
sebagaibahanteknikdituangdenganstrukturbutir
yanghalusuntukmenghasilkankekuatanyanglebih
baikdanbentukpermukaanyanghalusapabila
dibentukmenjadiproduk

26. TERIMA KASIH