Penelitian ekstensif telah dilakukan mengenai penambahan unsur tanah jarang (UTJ) pada paduan aluminium seri 7xxx, 5xxx, dan 2xxx, dan menunjukkan efek yang signifikan. Khususnya, paduan aluminium seri 7xxx, yang mengandung banyak unsur paduan, sering mengalami segregasi parah selama peleburan dan pengecoran, yang mengakibatkan pembentukan fase eutektik dalam jumlah signifikan. Hal ini mengurangi ketangguhan dan ketahanan korosi, sehingga menurunkan kinerja paduan secara keseluruhan. Penambahan unsur tanah jarang ke dalam paduan aluminium paduan tinggi dapat memperhalus butiran, menekan segregasi, dan memurnikan matriks, sehingga meningkatkan struktur mikro dan sifat keseluruhan.
Baru-baru ini, jenis penghalus butiran superplastik telah menarik perhatian. Penghalus ini memanfaatkan unsur tanah jarang seperti La dan Ce untuk meningkatkan pelemahan batas butiran dan subbutir. Hal ini tidak hanya menghaluskan butiran tetapi juga mendorong dispersi presipitat yang seragam, menekan rekristalisasi, dan secara signifikan meningkatkan keuletan paduan, yang pada akhirnya meningkatkan produktivitas dalam proses ekstrusi.
Pada paduan aluminium seri 7xxx, unsur tanah jarang umumnya ditambahkan dengan tiga cara:
1.Unsur tanah jarang saja;
2.Kombinasi Zr dan unsur tanah jarang;
3.Kombinasi Zr, Cr, dan unsur tanah jarang.
Kandungan total unsur tanah jarang biasanya dikontrol dalam 0,1–0,5 wt%.
Mekanisme Unsur Tanah Jarang
Unsur tanah jarang seperti La, Ce, Sc, Er, Gd, dan Y berkontribusi pada paduan aluminium melalui beberapa mekanisme:
Penyempurnaan butiran: Unsur tanah jarang membentuk endapan yang terdistribusi secara seragam yang bertindak sebagai tempat nukleasi heterogen, mengubah struktur dendritik menjadi butiran halus yang sama sumbunya, yang meningkatkan kekuatan dan keuletan.
Penekanan segregasi: Selama pencairan dan pemadatan, unsur tanah jarang meningkatkan distribusi unsur yang lebih seragam, mengurangi pembentukan eutektik, dan meningkatkan kepadatan matriks.
Pemurnian matriks: Y, La, dan Ce dapat bereaksi dengan pengotor dalam lelehan (O, H, N, S) untuk membentuk senyawa yang stabil, menurunkan kandungan gas dan inklusi, yang meningkatkan kualitas paduan.
Modifikasi perilaku rekristalisasi: Unsur tanah jarang tertentu dapat menjepit batas butir dan subbutir, menghambat gerakan dislokasi dan migrasi batas butir. Hal ini menunda rekristalisasi dan mempertahankan struktur subbutir halus selama pemrosesan termal, sehingga meningkatkan kekuatan dan ketahanan korosi.
Unsur Tanah Jarang Utama dan Dampaknya
Skandium (Sc)
Sc memiliki jari-jari atom terkecil di antara unsur-unsur tanah jarang dan juga merupakan logam transisi. Sc sangat efektif dalam meningkatkan sifat-sifat paduan aluminium yang dideformasi.
Dalam paduan aluminium, Sc mengendap sebagai Al₃Sc yang koheren, meningkatkan suhu rekristalisasi dan menekan pengasaran butiran.
Ketika dikombinasikan dengan Zr, partikel Al₃(Sc,Zr) yang stabil pada suhu tinggi terbentuk, mendorong butiran halus yang ekuaksis dan menghambat pergerakan dislokasi serta migrasi batas butir. Hal ini meningkatkan kekuatan, ketahanan lelah, dan kinerja korosi tegangan.
Sc yang berlebihan dapat menyebabkan partikel Al₃(Sc,Zr) menjadi kasar, sehingga mengurangi kemampuan rekristalisasi, kekuatan, dan keuletan.
Erbium (Er)
Er bertindak serupa dengan Sc tetapi lebih hemat biaya.
Pada paduan seri 7xxx, penambahan Er yang tepat akan menghaluskan butiran, menghambat gerakan dislokasi dan migrasi batas butiran, menekan rekristalisasi, dan meningkatkan kekuatan.
Bila ditambahkan bersama Zr, partikel Al₃(Er,Zr) terbentuk, yang lebih stabil secara termal daripada Al₃Er saja, sehingga memberikan penekanan rekristalisasi yang lebih baik.
Er yang berlebihan dapat menghasilkan fase Al₈Cu₄Er, yang mengurangi kekuatan dan keuletan.
Gadolinium (Gd)
Penambahan Gd sedang menghaluskan butiran, meningkatkan kekuatan dan keuletan, serta meningkatkan kelarutan Zn, Mg, dan Cu dalam matriks.
Fasa Al₃(Gd,Zr) yang dihasilkan membatasi dislokasi dan batas subbutir, sehingga menghambat rekristalisasi. Lapisan film aktif juga terbentuk pada permukaan butir, yang selanjutnya membatasi pertumbuhan butir.
Gd yang berlebihan dapat menyebabkan butiran menjadi kasar dan menurunkan sifat mekanis.
Lantanum (La), Serium (Ce), dan Itrium (Y)
La memurnikan biji-bijian, mengurangi kandungan oksigen, dan membentuk lapisan aktif pada permukaan biji-bijian untuk menghambat pertumbuhan.
La dan Ce meningkatkan zona GP dan presipitasi fase η′, meningkatkan kekuatan matriks dan ketahanan korosi.
Y memurnikan matriks, menghambat pelarutan unsur paduan utama ke dalam larutan padat, mendorong nukleasi, dan mengurangi perbedaan potensial antara batas butir dan bagian dalam, sehingga meningkatkan ketahanan terhadap korosi.
La, Ce, atau Y yang berlebihan dapat menyebabkan senyawa blok kasar, yang mengurangi keuletan dan kekuatan.
Sifat-sifat unsur tanah jarang utama dan karakteristiknya dalam aluminium
Waktu posting: 21-Agu-2025
