Anil, pendinginan, dan penuaan merupakan jenis perlakuan panas dasar untuk paduan aluminium. Anil merupakan perlakuan pelunakan, yang bertujuan untuk membuat paduan seragam dan stabil dalam komposisi dan struktur, menghilangkan pengerasan kerja, dan mengembalikan plastisitas paduan. Pendinginan dan penuaan merupakan perlakuan panas penguatan, yang bertujuan untuk meningkatkan kekuatan paduan, dan terutama digunakan untuk paduan aluminium yang dapat diperkuat dengan perlakuan panas.
1 Anil
Menurut berbagai persyaratan produksi, anil paduan aluminium dibagi menjadi beberapa bentuk: anil homogenisasi ingot, anil billet, anil antara, dan anil produk jadi.
1.1 Homogenisasi ingot annealing
Dalam kondisi kondensasi cepat dan kristalisasi non-kesetimbangan, ingot harus memiliki komposisi dan struktur yang tidak merata, serta memiliki tegangan internal yang tinggi. Untuk mengubah situasi ini dan meningkatkan kemampuan proses pengerjaan panas ingot, anil homogenisasi umumnya diperlukan.
Untuk mendorong difusi atom, suhu yang lebih tinggi harus dipilih untuk anil homogenisasi, tetapi tidak boleh melebihi titik leleh eutektik paduan pada titik leleh rendah. Umumnya, suhu anil homogenisasi 5-40℃ lebih rendah dari titik leleh, dan waktu anil umumnya berkisar antara 12-24 jam.
1.2 Anil billet
Anil billet mengacu pada anil sebelum deformasi dingin pertama selama pemrosesan tekanan. Tujuannya adalah agar billet memperoleh struktur yang seimbang dan memiliki kapasitas deformasi plastis maksimum. Misalnya, suhu akhir penggulungan pelat paduan aluminium canai panas adalah 280~330℃. Setelah pendinginan cepat pada suhu ruang, fenomena pengerasan kerja tidak dapat sepenuhnya dihilangkan. Khususnya, untuk paduan aluminium yang diperkuat dengan perlakuan panas, setelah pendinginan cepat, proses rekristalisasi belum berakhir, dan larutan padat lewat jenuh belum sepenuhnya terurai, dan sebagian efek pengerasan kerja dan pendinginan masih dipertahankan. Sulit untuk menggulung dingin secara langsung tanpa anil, sehingga diperlukan anil billet. Untuk paduan aluminium yang diperkuat tanpa perlakuan panas, seperti LF3, suhu anil adalah 370~470℃, dan pendinginan udara dilakukan setelah dijaga tetap hangat selama 1,5~2,5 jam. Suhu billet dan anil yang digunakan untuk pemrosesan tabung tarik dingin sebaiknya lebih tinggi, dan suhu batas atas dapat dipilih. Untuk paduan aluminium yang dapat diperkuat dengan perlakuan panas, seperti LY11 dan LY12, suhu anil billet adalah 390~450℃, dipertahankan pada suhu ini selama 1~3 jam, kemudian didinginkan dalam tungku hingga di bawah 270℃ dengan laju tidak lebih dari 30℃/jam, dan kemudian didinginkan dengan udara di luar tungku.
1.3 Anil antara
Anil antara mengacu pada anil di antara proses deformasi dingin, yang bertujuan untuk menghilangkan pengerasan kerja guna memfasilitasi deformasi dingin yang berkelanjutan. Secara umum, setelah material dianil, akan sulit untuk melanjutkan pengerjaan dingin tanpa anil antara setelah mengalami deformasi dingin 45-85%.
Sistem proses anil antara pada dasarnya sama dengan anil billet. Berdasarkan persyaratan derajat deformasi dingin, anil antara dapat dibagi menjadi tiga jenis: anil lengkap (deformasi total ε≈60~70%), anil sederhana (ε≤50%), dan anil ringan (ε≈30~40%). Dua sistem anil pertama sama dengan anil billet, sedangkan anil billet dipanaskan pada suhu 320~350℃ selama 1,5~2 jam, kemudian didinginkan dengan udara.
1.4. Anil produk jadi
Pemanasan produk jadi merupakan perlakuan panas akhir yang memberikan sifat organisasi dan mekanis tertentu pada material sesuai dengan persyaratan kondisi teknis produk.
Anil produk jadi dapat dibagi menjadi anil suhu tinggi (produksi produk lunak) dan anil suhu rendah (produksi produk semi-keras dalam berbagai kondisi). Anil suhu tinggi harus memastikan tercapainya struktur rekristalisasi yang sempurna dan plastisitas yang baik. Dengan syarat material memperoleh struktur dan kinerja yang baik, waktu penahanan tidak boleh terlalu lama. Untuk paduan aluminium yang dapat diperkuat dengan perlakuan panas, laju pendinginan harus dikontrol secara ketat untuk mencegah efek pendinginan udara.
Anil suhu rendah meliputi anil pelepas tegangan dan anil pelunakan parsial, yang utamanya digunakan untuk aluminium murni dan paduan aluminium yang diperkuat tanpa perlakuan panas. Merumuskan sistem anil suhu rendah merupakan tugas yang sangat rumit. Tidak hanya perlu mempertimbangkan suhu anil dan waktu penahanan, tetapi juga pengaruh pengotor, derajat paduan, deformasi dingin, suhu anil menengah, dan suhu deformasi panas. Untuk merumuskan sistem anil suhu rendah, perlu mengukur kurva perubahan antara suhu anil dan sifat mekanik, kemudian menentukan kisaran suhu anil sesuai dengan indikator kinerja yang ditentukan dalam spesifikasi teknis.
2. Pendinginan
Pendinginan paduan aluminium juga disebut perlakuan larutan, yaitu melarutkan sebanyak mungkin unsur paduan dalam logam sebagai fase kedua ke dalam larutan padat melalui pemanasan suhu tinggi, diikuti dengan pendinginan cepat untuk menghambat pengendapan fase kedua, sehingga diperoleh larutan padat α berbasis aluminium yang lewat jenuh, yang dipersiapkan dengan baik untuk perlakuan penuaan berikutnya.
Premis untuk mendapatkan larutan padat α lewat jenuh adalah bahwa kelarutan fase kedua dalam paduan aluminium harus meningkat secara signifikan dengan peningkatan suhu, jika tidak, tujuan perlakuan larutan padat tidak dapat tercapai. Sebagian besar elemen paduan aluminium dapat membentuk diagram fase eutektik dengan karakteristik ini. Mengambil paduan Al-Cu sebagai contoh, suhu eutektik adalah 548℃, dan kelarutan tembaga dalam aluminium pada suhu ruang kurang dari 0,1%. Ketika dipanaskan hingga 548℃, kelarutannya meningkat menjadi 5,6%. Oleh karena itu, paduan Al-Cu yang mengandung tembaga kurang dari 5,6% memasuki wilayah fase tunggal α setelah suhu pemanasan melebihi garis solvusnya, yaitu, fase kedua CuAl2 larut sepenuhnya dalam matriks, dan larutan padat α lewat jenuh tunggal dapat diperoleh setelah pendinginan.
Pendinginan (quenching) adalah operasi perlakuan panas yang paling penting dan paling menuntut untuk paduan aluminium. Kuncinya adalah memilih suhu pemanasan pendinginan yang tepat dan memastikan laju pendinginan yang memadai, serta mengontrol suhu tungku secara ketat dan mengurangi deformasi pendinginan.
Prinsip pemilihan suhu pendinginan adalah meningkatkan suhu pemanasan pendinginan semaksimal mungkin sambil memastikan paduan aluminium tidak terbakar berlebihan atau butirannya tumbuh berlebihan, sehingga meningkatkan supersaturasi larutan padat α dan kekuatan setelah perlakuan penuaan. Umumnya, tungku pemanas paduan aluminium membutuhkan akurasi kontrol suhu tungku dalam ±3℃, dan udara di dalam tungku dipaksa bersirkulasi untuk memastikan keseragaman suhu tungku.
Pembakaran berlebih pada paduan aluminium disebabkan oleh pelelehan parsial komponen-komponen bertitik leleh rendah di dalam logam, seperti eutektik biner atau multi-elemen. Pembakaran berlebih tidak hanya menyebabkan penurunan sifat mekanik, tetapi juga berdampak serius pada ketahanan korosi paduan. Oleh karena itu, setelah paduan aluminium terbakar berlebih, ia tidak dapat dihilangkan dan produk paduan harus dibuang. Suhu pembakaran berlebih aktual paduan aluminium terutama ditentukan oleh komposisi paduan dan kandungan pengotor, dan juga terkait dengan keadaan pemrosesan paduan. Suhu pembakaran berlebih produk yang telah mengalami pemrosesan deformasi plastik lebih tinggi daripada suhu coran. Semakin besar pemrosesan deformasi, semakin mudah bagi komponen-komponen bertitik leleh rendah yang tidak seimbang untuk larut ke dalam matriks ketika dipanaskan, sehingga suhu pembakaran berlebih aktual meningkat.
Laju pendinginan selama pendinginan paduan aluminium memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kemampuan penguatan penuaan dan ketahanan korosi paduan. Selama proses pendinginan LY12 dan LC4, perlu dipastikan bahwa larutan padat α tidak terurai, terutama pada area sensitif suhu 290~420℃, dan diperlukan laju pendinginan yang cukup tinggi. Laju pendinginan umumnya ditetapkan di atas 50℃/detik, dan untuk paduan LC4, harus mencapai atau melebihi 170℃/detik.
Media pendinginan yang paling umum digunakan untuk paduan aluminium adalah air. Praktik produksi menunjukkan bahwa semakin tinggi laju pendinginan selama pendinginan, semakin besar pula tegangan sisa dan deformasi sisa material atau benda kerja yang dipadamkan. Oleh karena itu, untuk benda kerja kecil dengan bentuk sederhana, suhu air dapat sedikit lebih rendah, umumnya 10-30℃, dan tidak boleh melebihi 40℃. Untuk benda kerja dengan bentuk kompleks dan perbedaan ketebalan dinding yang besar, untuk mengurangi deformasi dan retak akibat pendinginan, suhu air terkadang dapat ditingkatkan hingga 80℃. Namun, perlu diperhatikan bahwa seiring dengan peningkatan suhu air tangki pendinginan, kekuatan dan ketahanan korosi material juga akan menurun.
3. Penuaan
3.1 Transformasi organisasi dan perubahan kinerja selama penuaan
Larutan padat α super jenuh yang diperoleh melalui pendinginan merupakan struktur yang tidak stabil. Ketika dipanaskan, larutan tersebut akan terurai dan berubah menjadi struktur kesetimbangan. Mengambil contoh paduan Al-4Cu, struktur kesetimbangannya adalah α+CuAl2 (fase θ). Ketika larutan padat α super jenuh fase tunggal setelah pendinginan dipanaskan untuk penuaan, jika suhunya cukup tinggi, fase θ akan langsung diendapkan. Jika tidak, proses ini akan dilakukan secara bertahap, yaitu setelah beberapa tahap transisi antara, fase kesetimbangan akhir CuAl2 dapat dicapai. Gambar di bawah ini mengilustrasikan karakteristik struktur kristal dari setiap tahap presipitasi selama proses penuaan paduan Al-Cu. Gambar a. adalah struktur kisi kristal dalam keadaan pendinginan. Pada saat ini, larutan padat super jenuh α fase tunggal, dan atom tembaga (titik hitam) terdistribusi secara merata dan acak dalam kisi matriks aluminium (titik putih). Gambar b. menunjukkan struktur kisi pada tahap awal presipitasi. Atom tembaga mulai terkonsentrasi di area tertentu dari kisi matriks untuk membentuk area Guinier-Preston, yang disebut area GP. Zona GP sangat kecil dan berbentuk cakram, dengan diameter sekitar 5~10μm dan ketebalan 0,4~0,6nm. Jumlah zona GP dalam matriks sangat besar, dan kepadatan distribusinya dapat mencapai 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Struktur kristal zona GP masih sama dengan matriks, keduanya berbentuk kubik berpusat muka, dan mempertahankan antarmuka yang koheren dengan matriks. Namun, karena ukuran atom tembaga lebih kecil daripada atom aluminium, pengayaan atom tembaga akan menyebabkan kisi kristal di dekat area tersebut menyusut, yang menyebabkan distorsi kisi.
Diagram skema perubahan struktur kristal paduan Al-Cu selama penuaan
Gambar a. Keadaan padam, larutan padat α fase tunggal, atom tembaga (titik hitam) terdistribusi secara merata;
Gambar b. Pada tahap awal penuaan, zona GP terbentuk;
Gambar c. Pada tahap akhir penuaan, fase transisi semi-koheren terbentuk;
Gambar d. Penuaan suhu tinggi, presipitasi fase kesetimbangan inkoheren
Zona GP merupakan produk pra-presipitasi pertama yang muncul selama proses penuaan paduan aluminium. Memperpanjang waktu penuaan, terutama meningkatkan suhu penuaan, juga akan membentuk fase transisi antara lainnya. Pada paduan Al-4Cu, terdapat fase θ” dan θ' setelah zona GP, dan akhirnya fase kesetimbangan CuAl2 tercapai. θ” dan θ' keduanya merupakan fase transisi dari fase θ, dan struktur kristalnya berupa kisi persegi, tetapi konstanta kisinya berbeda. Ukuran θ lebih besar daripada zona GP, masih berbentuk cakram, dengan diameter sekitar 15~40 nm dan ketebalan 0,8~2,0 nm. Zona ini tetap mempertahankan antarmuka yang koheren dengan matriks, tetapi tingkat distorsi kisinya lebih intens. Ketika bertransisi dari fase θ” ke fase θ', ukurannya telah meningkat menjadi 20~600 nm, ketebalannya 10~15 nm, dan antarmuka koheren juga sebagian hancur, menjadi antarmuka semi-koheren, seperti yang ditunjukkan pada Gambar c. Produk akhir dari presipitasi penuaan adalah fase kesetimbangan θ (CuAl2), yang pada saat itu antarmuka koheren hancur total dan menjadi antarmuka non-koheren, seperti yang ditunjukkan pada Gambar d.
Berdasarkan situasi di atas, orde presipitasi penuaan paduan Al-Cu adalah αs → zona α+GP → α+θ” → α+θ' → α+θ. Tahapan struktur penuaan bergantung pada komposisi paduan dan spesifikasi penuaan. Seringkali terdapat lebih dari satu produk penuaan dalam kondisi yang sama. Semakin tinggi suhu penuaan, semakin dekat ke struktur kesetimbangannya.
Selama proses penuaan, zona GP dan fase transisi yang diendapkan dari matriks berukuran kecil, sangat terdispersi, dan tidak mudah mengalami deformasi. Pada saat yang sama, keduanya menyebabkan distorsi kisi dalam matriks dan membentuk medan tegangan, yang memiliki efek penghambatan signifikan terhadap pergerakan dislokasi, sehingga meningkatkan ketahanan terhadap deformasi plastis paduan dan meningkatkan kekuatan serta kekerasannya. Fenomena pengerasan akibat penuaan ini disebut pengerasan presipitasi. Gambar di bawah ini menggambarkan perubahan kekerasan paduan Al-4Cu selama proses pendinginan dan penuaan dalam bentuk kurva. Tahap I pada gambar menunjukkan kekerasan paduan dalam keadaan aslinya. Karena riwayat pengerjaan panas yang berbeda, kekerasan keadaan aslinya akan bervariasi, umumnya HV=30~80. Setelah pemanasan pada suhu 500℃ dan pendinginan (tahap II), semua atom tembaga larut ke dalam matriks untuk membentuk larutan padat α super jenuh fase tunggal dengan HV=60, yang dua kali lebih keras daripada kekerasan dalam keadaan anil (HV=30). Ini adalah hasil dari penguatan larutan padat. Setelah pendinginan, larutan ditempatkan pada suhu ruang, dan kekerasan paduan terus meningkat karena pembentukan zona GP yang berkelanjutan (tahap III). Proses pengerasan penuaan pada suhu ruang ini disebut penuaan alami.
Saya—keadaan asli;
II—keadaan larutan padat;
III—penuaan alami (zona GP);
IVa—perlakuan regresi pada 150~200℃ (dilarutkan kembali di zona GP);
IVb—penuaan buatan (fase θ”+θ');
V—penuaan berlebih (fase θ”+θ')
Pada tahap IV, paduan dipanaskan hingga 150°C untuk penuaan, dan efek pengerasan lebih jelas daripada penuaan alami. Pada saat ini, produk presipitasi terutama adalah fase θ”, yang memiliki efek penguatan terbesar pada paduan Al-Cu. Jika suhu penuaan lebih lanjut ditingkatkan, fase presipitasi bertransisi dari fase θ” ke fase θ', efek pengerasan melemah, dan kekerasan menurun, memasuki tahap V. Setiap perawatan penuaan yang memerlukan pemanasan buatan disebut penuaan buatan, dan tahap IV dan V termasuk dalam kategori ini. Jika kekerasan mencapai nilai kekerasan maksimum yang dapat dicapai paduan setelah penuaan (yaitu, tahap IVb), penuaan ini disebut penuaan puncak. Jika nilai kekerasan puncak tidak tercapai, itu disebut penuaan kurang atau penuaan buatan tidak lengkap. Jika nilai puncak dilewati dan kekerasan menurun, itu disebut penuaan berlebih. Perawatan penuaan stabilisasi juga termasuk dalam penuaan berlebih. Zona GP yang terbentuk selama penuaan alami sangat tidak stabil. Ketika dipanaskan dengan cepat hingga suhu yang lebih tinggi, misalnya sekitar 200°C, dan dijaga tetap hangat untuk waktu yang singkat, zona GP akan larut kembali ke dalam larutan padat α. Jika didinginkan dengan cepat (dipadamkan) sebelum fase transisi lain seperti θ” atau θ' mengendap, paduan dapat dikembalikan ke keadaan padam semula. Fenomena ini disebut "regresi", yaitu penurunan kekerasan yang ditunjukkan oleh garis putus-putus pada tahap IVa pada gambar. Paduan aluminium yang telah diregresi masih memiliki kemampuan pengerasan penuaan yang sama.
Pengerasan penuaan merupakan dasar pengembangan paduan aluminium yang dapat diolah dengan panas, dan kemampuan pengerasannya berkaitan langsung dengan komposisi paduan dan sistem perlakuan panas. Paduan biner Al-Si dan Al-Mn tidak memiliki efek pengerasan presipitasi karena fase kesetimbangannya diendapkan secara langsung selama proses penuaan, sehingga merupakan paduan aluminium yang tidak dapat diolah dengan panas. Meskipun paduan Al-Mg dapat membentuk zona GP dan fase transisi β', kemampuan pengerasan presipitasinya hanya terbatas pada paduan magnesium tinggi. Paduan Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, dan Al-Zn-Mg-Cu memiliki kemampuan pengerasan presipitasi yang kuat pada zona GP dan fase transisinya, dan saat ini merupakan sistem paduan utama yang dapat diolah dengan panas dan diperkuat.
3.2 Penuaan Alami
Umumnya, paduan aluminium yang dapat diperkuat dengan perlakuan panas memiliki efek penuaan alami setelah pendinginan. Penguatan akibat penuaan alami disebabkan oleh zona GP. Penuaan alami banyak digunakan pada paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg. Penuaan alami pada paduan Al-Zn-Mg-Cu berlangsung terlalu lama, dan seringkali membutuhkan waktu beberapa bulan untuk mencapai tahap stabil, sehingga sistem penuaan alami tidak digunakan.
Dibandingkan dengan penuaan buatan, setelah penuaan alami, kekuatan luluh paduan lebih rendah, tetapi plastisitas dan ketangguhannya lebih baik, serta ketahanan korosinya lebih tinggi. Situasi aluminium superkeras pada sistem Al-Zn-Mg-Cu sedikit berbeda. Ketahanan korosi setelah penuaan buatan seringkali lebih baik daripada setelah penuaan alami.
3.3 Penuaan buatan
Setelah proses penuaan buatan, paduan aluminium seringkali dapat mencapai kekuatan luluh tertinggi (terutama penguatan fase transisi) dan stabilitas organisasi yang lebih baik. Aluminium superkeras, aluminium tempa, dan aluminium cor umumnya mengalami penuaan buatan. Suhu dan waktu penuaan memiliki pengaruh penting terhadap sifat paduan. Suhu penuaan umumnya berkisar antara 120~190℃, dan waktu penuaan tidak melebihi 24 jam.
Selain penuaan buatan satu tahap, paduan aluminium juga dapat mengadopsi sistem penuaan buatan bertahap. Sistem ini dilakukan dua kali atau lebih pada suhu yang berbeda. Misalnya, paduan LC4 dapat dimatangkan pada suhu 115-125℃ selama 2-4 jam, kemudian pada suhu 160-170℃ selama 3-5 jam. Penuaan bertahap tidak hanya dapat mempersingkat waktu secara signifikan, tetapi juga memperbaiki struktur mikro paduan Al-Zn-Mg dan Al-Zn-Mg-Cu, serta meningkatkan ketahanan korosi tegangan, kekuatan fatik, dan ketangguhan patah secara signifikan tanpa mengurangi sifat mekaniknya.
Waktu posting: 06-Mar-2025
