Paduan aluminium 6063 termasuk dalam paduan aluminium tahan panas seri Al-Mg-Si paduan rendah. Paduan ini memiliki kinerja pencetakan ekstrusi yang sangat baik, ketahanan korosi yang baik, dan sifat mekanik yang komprehensif. Paduan ini juga banyak digunakan dalam industri otomotif karena mudah diwarnai dengan oksidasi. Seiring dengan pesatnya tren mobil ringan, penggunaan material ekstrusi paduan aluminium 6063 dalam industri otomotif juga semakin meningkat.
Struktur mikro dan sifat material ekstrusi dipengaruhi oleh kombinasi kecepatan ekstrusi, suhu ekstrusi, dan rasio ekstrusi. Di antara faktor-faktor tersebut, rasio ekstrusi terutama ditentukan oleh tekanan ekstrusi, efisiensi produksi, dan peralatan produksi. Ketika rasio ekstrusi kecil, deformasi paduan kecil dan penghalusan struktur mikro tidak terlihat; peningkatan rasio ekstrusi dapat secara signifikan menghaluskan butiran, memecah fasa kedua yang kasar, memperoleh struktur mikro yang seragam, dan meningkatkan sifat mekanik paduan.
Paduan aluminium 6061 dan 6063 mengalami rekristalisasi dinamis selama proses ekstrusi. Ketika suhu ekstrusi konstan, seiring dengan peningkatan rasio ekstrusi, ukuran butir mengecil, fasa penguat terdispersi halus, dan kekuatan tarik serta elongasi paduan pun meningkat. Namun, seiring dengan peningkatan rasio ekstrusi, gaya ekstrusi yang dibutuhkan untuk proses ekstrusi juga meningkat, sehingga efek termal yang lebih besar meningkat, yang menyebabkan suhu internal paduan meningkat, dan kinerja produk menurun. Percobaan ini mempelajari pengaruh rasio ekstrusi, terutama rasio ekstrusi besar, terhadap struktur mikro dan sifat mekanik paduan aluminium 6063.
1 Bahan dan metode percobaan
Material percobaan adalah paduan aluminium 6063, dengan komposisi kimia ditunjukkan pada Tabel 1. Ukuran awal ingot adalah Φ55 mm×165 mm, dan diproses menjadi billet ekstrusi berukuran Φ50 mm×150 mm setelah dihomogenisasi pada suhu 560°C selama 6 jam. Billet dipanaskan hingga suhu 470°C dan dijaga tetap hangat. Suhu pemanasan awal tabung ekstrusi adalah 420°C, dan suhu pemanasan awal cetakan adalah 450°C. Bila kecepatan ekstrusi (kecepatan gerak batang ekstrusi) V=5 mm/s tetap tidak berubah, maka dilakukan 5 kelompok uji rasio ekstrusi yang berbeda, dan rasio ekstrusi R adalah 17 (sesuai dengan diameter lubang die D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm), dan 156 (D=4 mm).
Tabel 1 Komposisi kimia paduan Al 6063 (wt/%)
Setelah pengasahan amplas dan pemolesan mekanis, sampel metalografi dietsa dengan reagen HF dengan fraksi volume 40% selama sekitar 25 detik, dan struktur metalografi sampel diamati pada mikroskop optik LEICA-5000. Sampel analisis tekstur berukuran 10 mm x 10 mm dipotong dari bagian tengah penampang longitudinal batang yang diekstrusi, dan pengasahan mekanis serta etsa dilakukan untuk menghilangkan lapisan tegangan permukaan. Figur kutub yang tidak lengkap dari tiga bidang kristal {111}, {200}, dan {220} sampel diukur dengan alat analisis difraksi sinar-X X′Pert Pro MRD dari PANalytical Company, dan data tekstur diproses dan dianalisis dengan perangkat lunak X′Pert Data View dan X′Pert Texture.
Spesimen tarik paduan cor diambil dari bagian tengah ingot, dan spesimen tarik dipotong searah ekstrusi setelah ekstrusi. Ukuran area gauge adalah Φ4 mm×28 mm. Uji tarik dilakukan menggunakan mesin uji material universal SANS CMT5105 dengan laju tarik 2 mm/menit. Nilai rata-rata dari ketiga spesimen standar dihitung sebagai data sifat mekanik. Morfologi fraktur spesimen tarik diamati menggunakan mikroskop elektron pemindaian perbesaran rendah (Quanta 2000, FEI, AS).
2 Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menunjukkan struktur mikro metalografi paduan aluminium 6063 hasil coran sebelum dan sesudah perlakuan homogenisasi. Seperti ditunjukkan pada Gambar 1a, butiran α-Al dalam struktur mikro hasil coran bervariasi ukurannya, sejumlah besar fase β-Al9Fe2Si2 retikuler berkumpul di batas butir, dan sejumlah besar fase Mg2Si granular terdapat di dalam butiran. Setelah ingot dihomogenisasi pada suhu 560°C selama 6 jam, fase eutektik non-kesetimbangan antara dendrit paduan secara bertahap larut, unsur-unsur paduan larut ke dalam matriks, struktur mikro seragam, dan ukuran butir rata-rata sekitar 125 μm (Gambar 1b).
Sebelum homogenisasi
Setelah perlakuan penyeragaman pada suhu 600°C selama 6 jam
Gambar 1. Struktur metalografi paduan aluminium 6063 sebelum dan sesudah perlakuan homogenisasi.
Gambar 2 menunjukkan tampilan batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, kualitas permukaan batang paduan aluminium 6063 yang diekstrusi dengan rasio ekstrusi yang berbeda cukup baik, terutama ketika rasio ekstrusi ditingkatkan menjadi 156 (sesuai dengan kecepatan keluaran ekstrusi batang sebesar 48 m/menit). Permukaan batang masih bebas dari cacat ekstrusi seperti retak dan terkelupas. Hal ini menunjukkan bahwa paduan aluminium 6063 juga memiliki kinerja pembentukan ekstrusi panas yang baik pada kecepatan tinggi dan rasio ekstrusi yang besar.
Gambar 2 Penampakan batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi yang berbeda
Gambar 3 menunjukkan struktur mikro metalografi dari bagian longitudinal batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi yang berbeda. Struktur butiran batang dengan rasio ekstrusi yang berbeda menunjukkan derajat pemanjangan atau penghalusan yang berbeda. Ketika rasio ekstrusi adalah 17, butiran asli memanjang sepanjang arah ekstrusi, disertai dengan pembentukan sejumlah kecil butiran rekristalisasi, tetapi butiran masih relatif kasar, dengan ukuran butiran rata-rata sekitar 85 μm (Gambar 3a); ketika rasio ekstrusi adalah 25, butiran ditarik lebih ramping, jumlah butiran rekristalisasi meningkat, dan ukuran butiran rata-rata menurun menjadi sekitar 71 μm (Gambar 3b); ketika rasio ekstrusi adalah 39, kecuali untuk sejumlah kecil butiran yang cacat, struktur mikro pada dasarnya terdiri dari butiran rekristalisasi ekuaksial dengan ukuran yang tidak rata, dengan ukuran butiran rata-rata sekitar 60 μm (Gambar 3c); Ketika rasio ekstrusi mencapai 69, proses rekristalisasi dinamis pada dasarnya telah selesai. Butiran kasar asli telah sepenuhnya ditransformasikan menjadi butiran rekristalisasi berstruktur seragam, dan ukuran butiran rata-rata telah disempurnakan menjadi sekitar 41 μm (Gambar 3d). Ketika rasio ekstrusi mencapai 156, dengan proses rekristalisasi dinamis yang berjalan penuh, struktur mikro menjadi lebih seragam, dan ukuran butiran telah disempurnakan secara signifikan menjadi sekitar 32 μm (Gambar 3e). Dengan peningkatan rasio ekstrusi, proses rekristalisasi dinamis berlangsung lebih sempurna, struktur mikro paduan menjadi lebih seragam, dan ukuran butiran telah disempurnakan secara signifikan (Gambar 3f).
Gambar 3 Struktur metalografi dan ukuran butir penampang longitudinal batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi yang berbeda
Gambar 4 menunjukkan pola kutub terbalik dari batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi yang berbeda sepanjang arah ekstrusi. Dapat dilihat bahwa struktur mikro batang paduan dengan rasio ekstrusi yang berbeda semuanya menghasilkan orientasi preferensial yang jelas. Ketika rasio ekstrusi adalah 17, tekstur <115>+<100> yang lebih lemah terbentuk (Gambar 4a); ketika rasio ekstrusi adalah 39, komponen tekstur terutama tekstur <100> yang lebih kuat dan sejumlah kecil tekstur <115> yang lemah (Gambar 4b); ketika rasio ekstrusi adalah 156, komponen tekstur adalah tekstur <100> dengan kekuatan yang meningkat secara signifikan, sedangkan tekstur <115> menghilang (Gambar 4c). Penelitian telah menunjukkan bahwa logam kubik berpusat muka terutama membentuk tekstur kawat <111> dan <100> selama ekstrusi dan penarikan. Setelah tekstur terbentuk, sifat mekanis suhu ruang dari paduan menunjukkan anisotropi yang jelas. Kekuatan tekstur meningkat seiring dengan peningkatan rasio ekstrusi, yang menunjukkan bahwa jumlah butiran pada arah kristal tertentu yang sejajar dengan arah ekstrusi dalam paduan meningkat secara bertahap, dan kekuatan tarik longitudinal paduan meningkat. Mekanisme penguatan material ekstrusi panas paduan aluminium 6063 meliputi penguatan butiran halus, penguatan dislokasi, penguatan tekstur, dll. Dalam rentang parameter proses yang digunakan dalam studi eksperimental ini, peningkatan rasio ekstrusi memiliki efek yang mendukung mekanisme penguatan tersebut.
Gambar 4 Diagram kutub terbalik batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi yang berbeda sepanjang arah ekstrusi
Gambar 5 merupakan histogram sifat tarik paduan aluminium 6063 setelah deformasi pada berbagai rasio ekstrusi. Kekuatan tarik paduan cor adalah 170 MPa dan elongasinya 10,4%. Kekuatan tarik dan elongasi paduan setelah ekstrusi meningkat secara signifikan, dan kekuatan tarik serta elongasinya meningkat secara bertahap seiring dengan peningkatan rasio ekstrusi. Pada rasio ekstrusi 156, kekuatan tarik dan elongasi paduan mencapai nilai maksimumnya, yaitu masing-masing 228 MPa dan 26,9%, yang sekitar 34% lebih tinggi daripada kekuatan tarik paduan cor dan sekitar 158% lebih tinggi daripada elongasinya. Kekuatan tarik paduan aluminium 6063 yang diperoleh dengan rasio ekstrusi besar mendekati nilai kekuatan tarik (240 MPa) yang diperoleh dengan ekstrusi sudut saluran sama (ECAP) 4-lintasan, yang jauh lebih tinggi daripada nilai kekuatan tarik (171,1 MPa) yang diperoleh dengan ekstrusi ECAP 1-lintasan paduan aluminium 6063. Dapat dilihat bahwa rasio ekstrusi besar dapat meningkatkan sifat mekanik paduan sampai batas tertentu.
Peningkatan sifat mekanik paduan melalui rasio ekstrusi terutama berasal dari penguatan penghalusan butir. Seiring peningkatan rasio ekstrusi, butir akan semakin halus dan densitas dislokasi akan meningkat. Semakin banyak batas butir per satuan luas dapat secara efektif menghambat pergerakan dislokasi, dikombinasikan dengan pergerakan dan jalinan dislokasi, sehingga meningkatkan kekuatan paduan. Semakin halus butir, semakin berkelok-kelok batas butirnya, dan deformasi plastis dapat tersebar di lebih banyak butir, yang tidak mendukung pembentukan retak, apalagi perambatan retak. Lebih banyak energi dapat diserap selama proses fraktur, sehingga meningkatkan plastisitas paduan.
Gambar 5 Sifat tarik paduan aluminium 6063 setelah pengecoran dan ekstrusi
Morfologi fraktur tarik paduan setelah deformasi dengan rasio ekstrusi yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 6. Tidak ditemukan cekungan pada morfologi fraktur sampel coran (Gambar 6a), dan fraktur tersebut sebagian besar terdiri dari area datar dan tepi sobek, yang menunjukkan bahwa mekanisme fraktur tarik paduan coran sebagian besar adalah fraktur getas. Morfologi fraktur paduan setelah ekstrusi telah berubah secara signifikan, dan fraktur tersebut terdiri dari sejumlah besar cekungan ekuaksial, yang menunjukkan bahwa mekanisme fraktur paduan setelah ekstrusi telah berubah dari fraktur getas menjadi fraktur ulet. Ketika rasio ekstrusi kecil, cekungannya dangkal dan ukuran cekungannya besar, serta distribusinya tidak merata; seiring dengan peningkatan rasio ekstrusi, jumlah cekungan meningkat, ukuran cekungan lebih kecil, dan distribusinya seragam (Gambar 6b~f), yang berarti paduan tersebut memiliki plastisitas yang lebih baik, yang konsisten dengan hasil uji sifat mekanik di atas.
3 Kesimpulan
Dalam percobaan ini, pengaruh rasio ekstrusi yang berbeda terhadap struktur mikro dan sifat paduan aluminium 6063 dianalisis dengan syarat ukuran billet, suhu pemanasan ingot, dan kecepatan ekstrusi tetap sama. Kesimpulannya adalah sebagai berikut:
1) Rekristalisasi dinamis terjadi pada paduan aluminium 6063 selama ekstrusi panas. Dengan peningkatan rasio ekstrusi, butiran terus disempurnakan, dan butiran yang memanjang sepanjang arah ekstrusi diubah menjadi butiran rekristalisasi ekuiaksis, sehingga kekuatan tekstur kawat <100> terus meningkat.
2) Berkat efek penguatan butiran halus, sifat mekanik paduan meningkat seiring dengan peningkatan rasio ekstrusi. Dalam rentang parameter uji, ketika rasio ekstrusi 156, kekuatan tarik dan perpanjangan paduan mencapai nilai maksimum masing-masing 228 MPa dan 26,9%.
Gambar 6 Morfologi fraktur tarik paduan aluminium 6063 setelah pengecoran dan ekstrusi
3) Morfologi patahan spesimen cor terdiri dari area datar dan tepi sobek. Setelah ekstrusi, patahan terdiri dari sejumlah besar lesung pipit ekuiaksis, dan mekanisme patahan berubah dari patah getas menjadi patah ulet.
Waktu posting: 30-Nov-2024
