Jenis-jenis pasir yang digunakan dalam teknologi faundri

Disiar dalam Dewan Kosmik Mac 2011

Jenis-jenis pasir yang digunakan dalam teknologi faundri

Muhammad Nuruddin Bashah

Bc Hons Eng UM

Bila anda menyebut dunia kejuruteraan logam, ia terlalu luas untuk ditakrifkan. Antara ilmu teknologi logam tertua di dunia ialah ilmu faundri. Kaedah penghasilan aacuan yang paling kukuh, fleksibel dan mampu dikeluarkan dala bentuk yang besar adalah acuan pasir. Acuan jenis ini dipercayai pernah digunakan oleh Samiri iaitu pengikut Nabi Musa A.S membuat patung lembu emas semasa Bani Isreal cuba menolak dakwah Nabi Musa A.S.

Pasir Faundri terdiri hampir keseluruhannya daripada pasir silika (SiO2) dalam bentuk kuartza. Terdapat juga sedikit sisa kotoran (bahantidak tulen), seperti ilmenit (Feo-TiO2), magnetit (Fe3O4), atau pepasir olivin, yang terdiri daripada magnesium dan ferosortosilikat [(Mg, Fe) SiO4]. Pasir silika digunakan kerana mudah didapati dan murah.

Sebelum mengaitkan dunia kejuruteraan fondri dengan ilmu bahan pasir, mari kita kenali apa itu faundri. Faundri adalah sebuah kilang yang menghasilkan logam tuang. Logam dihasilkan dalam pelbagai bentuk melalui perleburan logam tertentu ke dalam bentuk cecair, kemudian dituang ke dalam acuan. Acuan akan dimusnahkan untuk dikeluarkan logam teracu tersebut. Logam-logam yang paling umum diproses adalah aluminium dan besi. Namun, logam lain, seperti gangsa, keluli, magnesium, tembaga, timah, dan zink, juga digunakan untuk menghasilkan besi tuang di faundri.

Pasir dibentuk menjadi acuan berongga

Pasir Silika

Kebanyakan acuan pasir dibuat daripada pasir silika yang diikat dengan campuran Bentonit, Natrium Silikat dan air. Komposisi, saiz,, ketulenan, dan bentuk pasir adalah penting bagi kejayaan operasi pembuatan acuan pasir. Dahulu tenologi acuan pasir menggunakan kaedah acuan pasir hijau (green sand mould).

Kini kebanyakan foundri menggunakan teknologi acuan alfa set. Alfa set adalah resin fenolik alkali yang digunakan sebagai ejen pengikat pasir untuk membentuk pasir menjadi acuan yang kukuh. Pemangkin atau bahan pengeras yang digunakan adalah ester. Teknologi ini lebih bersih, tidak berbau, tidak memerlukan karbon dioksida, tidak memerlukan haba untuk mengeraskan acuan. Sebaliknya sistem ini dinakan sistem pengerasan sendiri (self cure) yang menyebabkan resin termoset berbentuk cecair (iaitu ejen pengikat) menjadi keras dan kuat selepas bertindakbalas dengan ester sebagai pemangkin. Kaedah pengikat lain adalah kaedah Beta Set, kaedah Sistem Uretena Fenolik, Sistem Furan dan lain-lain kaedah.

Butiran pasir silika

Silika akan mengalami siri peralihan kristalografi selepas dipanaskan (akibat menerima tuangan besi lebur). Pada suhu 573 ° C, pasir silika akan mengembang serta menyebabkan acuan pasir mulai merekah. Di atas suhu 870 ° C, silika menukar bentuk kepada tridimit, dan pasir mungkin akan mengucup pula semasa pemanasan. Pada suhu masih lebih tinggi (> 1470 ° C), tridimit menukar ke kristobalit.

Silika yang berbentuk bersegi dan mempunyai luas permukaan besar memerlukan ejen pengikat yang tinggi. Silika tidak sesuai degunakan untuk membuat acuan teras (core) kerana bentuknya memerlukan ajen pengikat yang lebih. Penambahan segi-segi pada pasir adalah diakibatkan oleh kejutan terma, pengunaan kitar semula beberapa kali dan sebab mekanikal. Namun ada juga pasir silika berbentuk bulat dan sesuai dijadikan acuan teras.

Silika ada kelemahannya seperti mudah bertindakbalas dengan besi lebur yang dituang menyebabkan terjadi tindakbalas eksotermik yang merosakkan permukaan hasil tuangan. Jika besi lebur mengandungi banyak unsur mangan, ia akan menghasilkan sebatian silikat rendah takat lebur yang menjadikan masalah pembakaran permukaan (burn on).

Takat pengembangan termanya juga tinggi dan boleh menyebabkan masalah penghausan permukaan besi tuang (scabbing).

Silika memiliki tahap kerefrektoran yang rendah berbanding pasir lain. Ini menyebabkan ia mudah dihakis oleh besi lebur dan menyebabkan penetrasi dinding acuan serta masalah pembakaran permukaan.

Keporosan pasir acuan juga ada kepentingannya iaitu ia membolehkan gas atau haba yang timbul semasa tuangan besi dibebaskan melalui liang poros tersebut. Gas dan lembapan yang terperangkap dalam rongga acuan semasa penuangan besi amat berbahaya kerana boleh mengakibatkan letupan kecil atau kecacatan permukaan besi tunag akibat tindak balas redok yang berlaku.

Namun, jika keporosan acuan pasir terlalu besar, logam dapat menembusi butiran pasir dan menyebabkan burn-in cacat. Disebabkan itulah taburan saiz pasir perlu sekata dan mesin pra campuran ejen pengikat dan pemangkin perlu ditentukur (calibration) untuk memastikan nisbah ejen pengikat seimbang dengan nisbah berat pasir.

Kebanyakan faundri di serata dunia termasuk di Malaysia menggunakan nombor American Foundrymens 'Society (AFS) butir kehalusan sebagai penunjuk umum kehalusan pasir.

Jenis-jenis bentuk pasir.

Pasir Zirkon

Pasir Zirkon terdiri majoriti daripada kandungan zirkonium silikat (ZrSiO4). Pasir ini sangat tahan haba dan mempunyai ciri-ciri tuangan yang sangat baik. Ia memiliki pengembangan terma yang sangat rendah, konduktiviti panas yang tinggi dan ketumpatan yang besar serta kurang bertindakbalas dengan logam cair. Zirkon memerlukan ejen pengikat yang kurang kerana butirannya bulat. Bentuknya stabil walaupun menerima suhu panas dan ia menjadi pilihan untuk dicampurkan dengan silika untuk penambahbaikan ciri silika. Zirkon yang berbentuk bulat mudah dimampat dan sesuai dijadikan bahan acuan teras (core).

Spesifikasi pasir ini adalah kandungan Zirkon hampir 97.00% minima. Titanium oksida TiO2 sebanyak 0.3 5 % maksima. Bijih besi Fe203 sebanyak 0.40% maksimum serta silika bebas SiO2 1% maksimum.

Butiran pasir zirkon

Pasir Olivin

Mineral Olivin adalah campuran larutan pepejal forsterit (Mg2SiO4) fayalit (Fe2SiO4). Sifat fizikalnya berbeza berbanding komposisi kimianya, sehingga komposisi digunakan harus ditetapkan untuk mengawal kebolehhasilan semula campuran pasir. Pengawalan semasa proses kalsin (pemanggangan pasir) adalah perlu untuk menghuraikan kandungan serpentin yang mengandungi lembapan.

Butiran pasir olivin

Ciri khusus pasir olivin adalah serupa dengan silika, tetapi pengembangan terma adalah jauh lebih sedikit. Oleh kerana itu, olivin hanya digunakan untuk mengawal dimensi acuan. Olivin agak kurang tahan lama daripada silika. Butiran olivin juga berbentuk sekata tetapi bersegi-segi seperti Silika.

Specifikasi pasir olivin adalah;

Magnesium oksida MgO 42-47 %, Silika SiO2 35-42%, Bijih besi Fe2O3 10-13%, Kalsium Oksida CaO 2-2.5 %.

Pasir Aluminum Silikat

Aluminium silikat (Al2SiO5) wujud dalam tiga bentuk umum iaitu kyanit, sillimanit, dan andalusit. Namun Ini semua mempunyai komposisi kimia yang sama tetapi bersifat polymorfik, mempunyai struktur kristal yang berbeza. Ketiga-tiga polimorfik ini jarang ditemui di yang sama, kerana setiap jenis terhasil di bawah tekanan dan suhu berbeza. Hanya kyanit dan sillimanit digunakan dalam dunia industri.

Pasir ini mempunyai tahap kerefraktoran tinggi (ketahanan mengekalkan kekuatan pada suhu tinggi), pengembangan terma rendah, dan pertahanan yang tinggi terhadap kejutan haba. Pasir ini selalunya digunakan dengan campuran pasir zirkon.

Pasir kromit

Pasir yang terbaik dan termahal sekali dalam industri faundri adalah pasir kromit. Hari ini harga pasir ini adalah RM2.10 sekilogram berbanding pasir silika yang hanya RM 1.44 sekilogram. Kromit adalah pasir yang tidak berbau tidak larut air an pelarut organik. Disebabkan ia mahal, kegunaannya terbatas kepada lapisan permukaan acuan yang menyentuh besi lebur semasa tuang. Ia memiliki tahap penyejukan yang tinggi, amat sesuai untuk pembuatan acuan pasir yang besar. Jika kita ingin menghasilkan barangan besi yang besar serta memiliki ketebalan berbeza, selalunya bahagian ketebalan yang nipis akan menyejuk lebih cepat berbanding bahagian yang lebih tebal. Hal ini menyebabkan penyejukan tidak sekata. Maka kesan penyejukan pada pasir kromit mampu menyeimbangkan penyejukan bahagian tebal dan nipis. Ia tidak mudah pecah dan sekaligus mengelakkan pembakaran permukaan besi tuang (burn on).

Pasir ini berbentuk bersegi seperti Silika dan memerlukan ajen pengikat yang lebih.

Spesifikasi pasir kromit adalah seperti di bawah;

Kromium Cr2O3 = 45% minimum.

Besi oksida Fe2O3 = 25% maksima

Aluminum oksida Al2O3 = 12% oksida

Silika SiO2 <>

Magnesium oksida MgO = 10% - 12%

Titanium oksida TiO2 = 0.60%

Nisbah kromium kepada besi adalah Cr : Fe Ratio : 1:55:1.

Butiran pasir kromit

Pasir Kromit terdiri daripada kandungan FeCr2O4, ia adalah oksida semulajadi dari bijih besi dan kromium, biasanya dengan kehadiran sisa magnesium dan aluminium. Kandungan kromit yang biasanya terjadi pada magnesium dan batuan beku kaya dengan unsur Ferum. Pasir ini mudah didapati di Kazakhstan, Afrika Selatan, Zimbabwe, Cuba, Turki, dan Finland. Ketika Khromit dan karbon dipanaskan, kromium akan berkurangan (kerana teroksida).

Secara idealnya untuk digunakan acuan pasir berkandungan pasir kromit, kandungan kromium (Cr2O3) boleh melebihi 45% dan besi (Fe2O3) tidak lebih dari 33% dari peratusan kromium untuk membuat peleburan. Ini adalah bahan yang umum digunakan dalam tuangan Besi dan keluli.

Kadar pengaliran haba pasir kromit adalah lebih tinggi daripada pasir yang lain. Hal ini menyebabkan terhasilnya lapisan besi luar (kulit) yang tebal serta mengelakkan kecacatan pada permukaan besi tuang. Kromit juga menggalakkan proses pembekuan terarah (directional solidification) yang menyebabkan pembekuan lebih sekata dan seragam sekaligus mengelakkan kerapuhan.

Jika acuan pasir kita memerlukan perletakan besi penyejuk (chill), pasir kromit akan ditampal pada sekeliling besi penyejuk untuk mengelakkan keretakan pada permukaan besi tuang yang bersentuhan dengan besi penyejuk.

Pasir kromit juga perlu untuk pembuatan acuan barangan besar kerana ia mengelakkan masalah keterhakisan dinding dalam acuan (erosion/wash out) akibat penuangan besi lebur dengan kuantiti dan halaju yang besar.

Good quality Chromite Sand has a higher melting point than Silica Sand which reduces the likelihood of burn-on sand and similar defects.

Pasir kromit yang berkualiti baik memiliki takat lebur yang tinggi daripada takat lebur pasir silika. Kriteria ini amat penting untuk mengelak masalah pembakaran permukaan (burn on).

Kemampuan sesebuah faundri menyeimbangkan penggunaan pasir di atas dengan jenis bahan ejen pengikat akan mampu menghasilkan acuan terbaik untuk penghasilan hasil tuangan yang baik.

Muhammad Nuruddin Bashah

Jurutera Moulding