Anil, pendinginan, dan penuaan merupakan jenis perlakuan panas dasar untuk paduan aluminium. Anil merupakan perlakuan pelunakan, yang tujuannya adalah untuk membuat paduan menjadi seragam dan stabil dalam komposisi dan struktur, menghilangkan pengerasan kerja, dan mengembalikan plastisitas paduan. Pendinginan dan penuaan merupakan perlakuan panas penguatan, yang tujuannya adalah untuk meningkatkan kekuatan paduan, dan terutama digunakan untuk paduan aluminium yang dapat diperkuat dengan perlakuan panas.
1 Anil
Menurut kebutuhan produksi yang berbeda, 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-keseimbangan, ingot harus memiliki komposisi dan struktur yang tidak merata, dan juga memiliki tekanan internal yang besar. Untuk mengubah situasi ini dan meningkatkan kemampuan proses pengerjaan panas ingot, anil homogenisasi umumnya diperlukan.
Untuk meningkatkan difusi atom, suhu yang lebih tinggi harus dipilih untuk anil homogenisasi, tetapi tidak boleh melebihi titik leleh eutektik paduan yang rendah. Umumnya, suhu anil homogenisasi 5~40℃ lebih rendah dari titik leleh, dan waktu anil sebagian besar antara 12~24 jam.
1.2 Anil billet
Anil billet mengacu pada anil sebelum deformasi dingin pertama selama pemrosesan tekanan. Tujuannya adalah untuk membuat billet memperoleh struktur yang seimbang dan memiliki kapasitas deformasi plastik maksimum. Misalnya, suhu ujung penggulungan pelat paduan aluminium yang digulung panas adalah 280~330℃. Setelah pendinginan cepat pada suhu kamar, fenomena pengerasan kerja tidak dapat dihilangkan sepenuhnya. Secara khusus, untuk paduan aluminium yang diperkuat dengan perlakuan panas, setelah pendinginan cepat, proses rekristalisasi belum berakhir, dan larutan padat yang jenuh belum sepenuhnya terurai, dan sebagian dari 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 tetap hangat selama 1,5~2,5 jam. Suhu billet dan anil yang digunakan untuk pemrosesan tabung yang ditarik dingin harus 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 tujuannya adalah 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. Menurut 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, dan yang terakhir dipanaskan pada suhu 320~350℃ selama 1,5~2 jam dan kemudian didinginkan dengan udara.
1.4. Anil produk jadi
Pemanasan produk jadi adalah 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 bahwa struktur rekristalisasi lengkap dan plastisitas yang baik dapat diperoleh. Dengan syarat memastikan bahwa material memperoleh struktur dan kinerja yang baik, waktu penahanan tidak boleh terlalu lama. Untuk paduan aluminium yang dapat diperkuat dengan perlakuan panas, untuk mencegah efek pendinginan udara, laju pendinginan harus dikontrol secara ketat.
Anil suhu rendah mencakup anil pelepas tegangan dan anil pelunakan parsial, yang terutama digunakan untuk aluminium murni dan paduan aluminium yang diperkuat tanpa perlakuan panas. Merumuskan sistem anil suhu rendah adalah tugas yang sangat rumit, yang tidak hanya perlu mempertimbangkan suhu anil dan waktu penahanan, tetapi juga perlu mempertimbangkan pengaruh pengotor, derajat paduan, deformasi dingin, suhu anil menengah, dan suhu deformasi panas. Untuk merumuskan sistem anil suhu rendah, perlu untuk mengukur kurva perubahan antara suhu anil dan sifat mekanis, dan kemudian menentukan kisaran suhu anil sesuai dengan indikator kinerja yang ditentukan dalam kondisi teknis.
2 Pendinginan
Pendinginan paduan aluminium juga disebut perlakuan larutan, yaitu melarutkan sebanyak mungkin elemen paduan dalam logam sebagai fase kedua ke dalam larutan padat melalui pemanasan suhu tinggi, diikuti oleh pendinginan cepat untuk menghambat presipitasi fase kedua, sehingga diperoleh larutan padat α berbasis aluminium jenuh, yang dipersiapkan dengan baik untuk perlakuan penuaan berikutnya.
Premis untuk memperoleh larutan padat α 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 dalam 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 ruangan 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 jenuh tunggal dapat diperoleh setelah pendinginan.
Pendinginan merupakan operasi perlakuan panas yang paling penting dan paling sulit untuk paduan aluminium. Kuncinya adalah memilih suhu pemanasan pendinginan yang tepat dan memastikan laju pendinginan pendinginan yang cukup, serta mengendalikan suhu tungku secara ketat dan mengurangi deformasi pendinginan.
Prinsip pemilihan suhu pendinginan adalah meningkatkan suhu pemanasan pendinginan sebanyak mungkin sambil memastikan bahwa paduan aluminium tidak terbakar berlebihan atau butiran tumbuh berlebihan, sehingga meningkatkan kejenuhan larutan padat α dan kekuatan setelah perlakuan penuaan. Secara umum, tungku pemanas paduan aluminium mengharuskan akurasi kontrol suhu tungku berada dalam ±3℃, dan udara di dalam tungku dipaksa bersirkulasi untuk memastikan keseragaman suhu tungku.
Pembakaran berlebih pada paduan aluminium disebabkan oleh pelelehan sebagian komponen dengan titik leleh rendah di dalam logam, seperti eutektik biner atau multi-elemen. Pembakaran berlebih tidak hanya menyebabkan penurunan sifat mekanis, tetapi juga berdampak serius pada ketahanan korosi paduan. Oleh karena itu, setelah paduan aluminium terbakar berlebih, paduan tersebut 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 pengecoran. Semakin besar pemrosesan deformasi, semakin mudah bagi komponen titik leleh rendah yang tidak seimbang untuk larut ke dalam matriks saat dipanaskan, sehingga suhu pembakaran berlebih aktual meningkat.
Laju pendinginan selama pendinginan paduan aluminium memiliki dampak signifikan pada kemampuan penguatan penuaan dan ketahanan korosi paduan. Selama proses pendinginan LY12 dan LC4, perlu dipastikan bahwa larutan padat α tidak terurai, terutama di area sensitif suhu 290~420℃, dan diperlukan laju pendinginan yang cukup besar. Biasanya ditetapkan bahwa laju pendinginan harus 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 besar laju pendinginan selama pendinginan, semakin besar tegangan sisa dan deformasi sisa material atau benda kerja yang didinginkan. 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 besar dalam ketebalan dinding, untuk mengurangi deformasi dan retak akibat pendinginan, suhu air terkadang dapat ditingkatkan hingga 80℃. Namun, harus diperhatikan bahwa seiring meningkatnya suhu air tangki pendinginan, kekuatan dan ketahanan korosi material juga menurun.
3. Penuaan
3.1 Transformasi organisasi dan perubahan kinerja selama penuaan
Larutan padat α 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 haruslah α+CuAl2 (fase θ). Ketika larutan padat α jenuh fase tunggal setelah pendinginan dipanaskan untuk penuaan, jika suhunya cukup tinggi, fase θ akan diendapkan secara langsung. Jika tidak, maka akan dilakukan secara bertahap, yaitu, setelah beberapa tahap transisi antara, fase kesetimbangan akhir CuAl2 dapat dicapai. Gambar di bawah ini menggambarkan 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 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 kerapatan 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 wilayah tersebut menyusut, yang menyebabkan distorsi kisi.
Diagram skema perubahan struktur kristal paduan Al-Cu selama penuaan
Gambar a. Keadaan padam, larutan padat α berfase 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 tidak koheren
Zona GP adalah 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. Dalam paduan Al-4Cu, ada 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 adalah kisi persegi, tetapi konstanta kisi berbeda. Ukuran θ lebih besar daripada zona GP, masih berbentuk cakram, dengan diameter sekitar 15~40nm dan ketebalan 0,8~2,0nm. Ia terus mempertahankan antarmuka yang koheren dengan matriks, tetapi tingkat distorsi kisi lebih intens. Ketika beralih dari fase θ” ke fase θ', ukurannya telah tumbuh hingga 20~600nm, ketebalannya 10~15nm, dan antarmuka koheren juga hancur sebagian, menjadi antarmuka semi-koheren, seperti yang ditunjukkan pada Gambar c. Produk akhir dari presipitasi penuaan adalah fase kesetimbangan θ (CuAl2), di mana pada saat itu antarmuka koheren hancur total dan menjadi antarmuka non-koheren, seperti yang ditunjukkan pada Gambar d.
Berdasarkan situasi di atas, urutan presipitasi penuaan paduan Al-Cu adalah αs→α+zona GP→α+θ”→α+θ'→α+θ. Tahap struktur penuaan bergantung pada komposisi paduan dan spesifikasi penuaan. Sering kali terdapat lebih dari satu produk penuaan dalam kondisi yang sama. Semakin tinggi suhu penuaan, semakin dekat ke struktur kesetimbangan.
Selama proses penuaan, zona GP dan fase transisi yang diendapkan dari matriks berukuran kecil, sangat tersebar, dan tidak mudah berubah bentuk. Pada saat yang sama, keduanya menyebabkan distorsi kisi dalam matriks dan membentuk medan tegangan, yang memiliki efek penghambatan yang signifikan terhadap pergerakan dislokasi, sehingga meningkatkan ketahanan terhadap deformasi plastik paduan dan meningkatkan kekuatan dan kekerasannya. Fenomena pengerasan penuaan ini disebut pengerasan presipitasi. Gambar di bawah ini menggambarkan perubahan kekerasan paduan Al-4Cu selama pendinginan dan perlakuan 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 dilarutkan ke dalam matriks untuk membentuk larutan padat α supersatu fase dengan HV=60, yang dua kali lebih keras dari kekerasan dalam keadaan anil (HV=30). Ini adalah hasil dari penguatan larutan padat. Setelah pendinginan, larutan ditempatkan pada suhu ruangan, dan kekerasan paduan terus meningkat karena pembentukan zona GP yang berkelanjutan (tahap III). Proses pengerasan penuaan pada suhu ruangan ini disebut penuaan alami.
I—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 beralih 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 buatan yang kurang atau tidak lengkap. Jika nilai puncak dilintasi 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. Bila dipanaskan dengan cepat ke suhu yang lebih tinggi, seperti sekitar 200°C, dan tetap hangat untuk waktu yang singkat, zona GP akan larut kembali ke dalam larutan padat α. Jika didinginkan dengan cepat (dipadamkan) sebelum fase transisi lainnya seperti θ” atau θ' mengendap, paduan tersebut 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 mengalami regresi masih memiliki kemampuan pengerasan penuaan yang sama.
Pengerasan usia merupakan dasar untuk mengembangkan paduan aluminium yang dapat diolah dengan panas, dan kemampuan pengerasan usianya secara langsung terkait dengan komposisi paduan dan sistem perlakuan panas. Paduan biner Al-Si dan Al-Mn tidak memiliki efek pengerasan presipitasi karena fase kesetimbangan secara langsung diendapkan selama proses penuaan, dan merupakan paduan aluminium yang tidak dapat diolah dengan panas. Meskipun paduan Al-Mg dapat membentuk zona GP dan fase transisi β', mereka hanya memiliki kemampuan pengerasan presipitasi tertentu dalam paduan magnesium tinggi. Paduan Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si dan Al-Zn-Mg-Cu memiliki kemampuan pengerasan presipitasi yang kuat di 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 penuaan alami disebabkan oleh zona GP. Penuaan alami banyak digunakan dalam paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg. Penuaan alami paduan Al-Zn-Mg-Cu berlangsung terlalu lama, dan sering kali 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, dan ketahanan korosinya lebih tinggi. Situasi aluminium superkeras 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 sering kali dapat memperoleh kekuatan luluh tertinggi (terutama penguatan fase transisi) dan stabilitas organisasi yang lebih baik. Aluminium superkeras, aluminium tempa, dan aluminium cor sebagian besar mengalami proses penuaan buatan. Suhu penuaan dan waktu penuaan memiliki pengaruh penting pada sifat paduan. Suhu penuaan sebagian besar berada di antara 120~190℃, dan waktu penuaan tidak melebihi 24 jam.
Selain penuaan buatan satu tahap, paduan aluminium juga dapat mengadopsi sistem penuaan buatan bertingkat. Yaitu, pemanasan dilakukan dua kali atau lebih pada suhu yang berbeda. Misalnya, paduan LC4 dapat mengalami penuaan pada suhu 115~125℃ selama 2~4 jam dan kemudian pada suhu 160~170℃ selama 3~5 jam. Penuaan bertahap tidak hanya dapat mempersingkat waktu secara signifikan, tetapi juga meningkatkan struktur mikro paduan Al-Zn-Mg dan Al-Zn-Mg-Cu, dan secara signifikan meningkatkan ketahanan korosi tegangan, kekuatan lelah, dan ketangguhan patah tanpa pada dasarnya mengurangi sifat mekanis.
Waktu posting: 06-Mar-2025
