Paduan aluminium 6063 termasuk dalam paduan aluminium yang dapat diolah dengan 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 pewarnaan oksidasinya yang mudah. Dengan percepatan tren mobil ringan, penerapan bahan ekstrusi paduan aluminium 6063 dalam industri otomotif juga semakin meningkat.
Struktur mikro dan sifat material yang diekstrusi dipengaruhi oleh efek gabungan dari kecepatan ekstrusi, suhu ekstrusi, dan rasio ekstrusi. Di antara semuanya, rasio ekstrusi terutama ditentukan oleh tekanan ekstrusi, efisiensi produksi, dan peralatan produksi. Ketika rasio ekstrusi kecil, deformasi paduan kecil dan penyempurnaan struktur mikro tidak terlihat; meningkatkan rasio ekstrusi dapat secara signifikan menyempurnakan butiran, memecah fase kedua yang kasar, memperoleh struktur mikro yang seragam, dan meningkatkan sifat mekanis paduan.
Paduan aluminium 6061 dan 6063 mengalami rekristalisasi dinamis selama proses ekstrusi. Ketika suhu ekstrusi konstan, saat rasio ekstrusi meningkat, ukuran butiran menurun, fase penguatan terdispersi halus, dan kekuatan tarik serta perpanjangan paduan meningkat sesuai dengan itu; namun, saat rasio ekstrusi meningkat, gaya ekstrusi yang diperlukan untuk proses ekstrusi juga meningkat, menyebabkan efek termal yang lebih besar, menyebabkan suhu internal paduan meningkat, dan kinerja produk menurun. Percobaan ini mempelajari pengaruh rasio ekstrusi, terutama rasio ekstrusi besar, pada struktur mikro dan sifat mekanis paduan aluminium 6063.
1 Bahan dan metode percobaan
Bahan percobaan adalah paduan aluminium 6063, dan komposisi kimianya ditunjukkan pada Tabel 1. Ukuran asli ingot adalah Φ55 mm×165 mm, dan diproses menjadi billet ekstrusi dengan ukuran Φ50 mm×150 mm setelah perlakuan homogenisasi pada suhu 560 ℃ selama 6 jam. Billet dipanaskan hingga 470 ℃ dan dijaga tetap hangat. Suhu pemanasan awal laras ekstrusi adalah 420 ℃, dan suhu pemanasan awal cetakan adalah 450 ℃. 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 penggilingan 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 dengan ukuran 10 mm×10 mm dipotong dari bagian tengah penampang memanjang batang yang diekstrusi, dan penggilingan mekanis serta etsa dilakukan untuk menghilangkan lapisan tegangan permukaan. Bentuk kutub yang tidak lengkap dari tiga bidang kristal {111}, {200}, dan {220} dari sampel diukur dengan penganalisa 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 dari paduan cor diambil dari bagian tengah ingot, dan spesimen tarik dipotong sepanjang arah ekstrusi setelah ekstrusi. Ukuran area pengukur 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 tiga spesimen standar dihitung sebagai data sifat mekanis. 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 dari paduan aluminium 6063 yang dicetak sebelum dan setelah perlakuan homogenisasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, butiran α-Al dalam struktur mikro yang dicetak bervariasi dalam ukuran, sejumlah besar fase β-Al9Fe2Si2 retikuler berkumpul di batas butiran, dan sejumlah besar fase Mg2Si granular ada di dalam butiran. Setelah ingot dihomogenisasi pada suhu 560 ℃ selama 6 jam, fase eutektik non-keseimbangan antara dendrit paduan secara bertahap larut, elemen paduan larut ke dalam matriks, struktur mikro seragam, dan ukuran butiran 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 adalah baik, terutama ketika rasio ekstrusi ditingkatkan menjadi 156 (sesuai dengan kecepatan keluaran ekstrusi batang sebesar 48 m/menit), masih tidak ada cacat ekstrusi seperti retakan dan pengelupasan pada permukaan batang, yang menunjukkan bahwa paduan aluminium 6063 juga memiliki kinerja pembentukan ekstrusi panas yang baik di bawah kecepatan tinggi dan rasio ekstrusi yang besar.
Gambar 2 Penampakan batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi berbeda
Gambar 3 menunjukkan mikrostruktur metalografi dari bagian longitudinal batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi yang berbeda. Struktur butiran batang dengan rasio ekstrusi yang berbeda menunjukkan tingkat pemanjangan atau penyempurnaan 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 berkurang menjadi sekitar 71 μm (Gambar 3b); ketika rasio ekstrusi adalah 39, kecuali untuk sejumlah kecil butiran yang cacat, mikrostruktur 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 adalah 69, proses rekristalisasi dinamis pada dasarnya telah selesai, butiran kasar asli telah sepenuhnya diubah menjadi butiran rekristalisasi berstruktur seragam, dan ukuran butiran rata-rata disempurnakan menjadi sekitar 41 μm (Gambar 3d); ketika rasio ekstrusi adalah 156, dengan kemajuan penuh proses rekristalisasi dinamis, struktur mikro lebih seragam, dan ukuran butiran sangat disempurnakan menjadi sekitar 32 μm (Gambar 3e). Dengan peningkatan rasio ekstrusi, proses rekristalisasi dinamis berlangsung lebih lengkap, struktur mikro paduan menjadi lebih seragam, dan ukuran butiran disempurnakan secara signifikan (Gambar 3f).
Gambar 3 Struktur metalografi dan ukuran butiran penampang memanjang batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi yang berbeda
Gambar 4 menunjukkan bentuk kutub terbalik dari 6063 batang paduan aluminium 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 ruangan 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 bahan 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 pada mekanisme penguatan di atas.
Gambar 4 Diagram kutub terbalik batang paduan aluminium 6063 dengan rasio ekstrusi yang berbeda sepanjang arah ekstrusi
Gambar 5 adalah histogram sifat tarik paduan aluminium 6063 setelah deformasi pada rasio ekstrusi yang berbeda. Kekuatan tarik paduan cor adalah 170 MPa dan perpanjangan adalah 10,4%. Kekuatan tarik dan perpanjangan paduan setelah ekstrusi ditingkatkan secara signifikan, dan kekuatan tarik dan perpanjangan secara bertahap meningkat dengan peningkatan rasio ekstrusi. Ketika rasio ekstrusi adalah 156, kekuatan tarik dan perpanjangan paduan mencapai nilai maksimum, yaitu masing-masing 228 MPa dan 26,9%, yang sekitar 34% lebih tinggi dari kekuatan tarik paduan cor dan sekitar 158% lebih tinggi dari perpanjangan. 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 dari paduan aluminium 6063. Dapat dilihat bahwa rasio ekstrusi besar dapat meningkatkan sifat mekanis paduan sampai batas tertentu.
Peningkatan sifat mekanis paduan dengan rasio ekstrusi terutama berasal dari penguatan penyempurnaan butiran. Saat rasio ekstrusi meningkat, butiran disempurnakan dan kepadatan dislokasi meningkat. Lebih banyak batas butiran per satuan luas dapat secara efektif menghalangi pergerakan dislokasi, dikombinasikan dengan pergerakan dan keterikatan timbal balik dislokasi, sehingga meningkatkan kekuatan paduan. Semakin halus butiran, semakin berliku-liku batas butiran, dan deformasi plastik dapat disebarkan dalam lebih banyak butiran, yang tidak kondusif untuk pembentukan retakan, apalagi perambatan retakan. 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 lesung pipit pada morfologi fraktur sampel cor (Gambar 6a), dan fraktur tersebut sebagian besar terdiri dari area datar dan tepi sobek, yang menunjukkan bahwa mekanisme fraktur tarik paduan cor sebagian besar adalah fraktur getas. Morfologi fraktur paduan setelah ekstrusi telah berubah secara signifikan, dan fraktur tersebut terdiri dari sejumlah besar lesung pipit ekuaksial, yang menunjukkan bahwa mekanisme fraktur paduan setelah ekstrusi telah berubah dari fraktur getas menjadi fraktur ulet. Ketika rasio ekstrusi kecil, lesung pipit dangkal dan ukuran lesung pipit besar, dan distribusinya tidak merata; ketika rasio ekstrusi meningkat, jumlah lesung pipit meningkat, ukuran lesung pipit lebih kecil dan distribusinya seragam (Gambar 6b~f), yang berarti bahwa paduan tersebut memiliki plastisitas yang lebih baik, yang konsisten dengan hasil uji sifat mekanis 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 tidak berubah. 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 ekua-aksis, dan kekuatan tekstur kawat <100> terus meningkat.
2) Karena efek penguatan butiran halus, sifat mekanis paduan ditingkatkan dengan peningkatan rasio ekstrusi. Dalam kisaran parameter uji, ketika rasio ekstrusi adalah 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 fraktur spesimen cor terdiri dari area datar dan tepi sobek. Setelah ekstrusi, fraktur terdiri dari sejumlah besar lesung pipit yang sama, dan mekanisme fraktur berubah dari fraktur getas menjadi fraktur ulet.
Waktu posting: 30-Nov-2024
