Untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatannya, setelah proses pengecoran harus melalui proses yang disebut sebagai heat treatment. Pada proses ini, material dipanaskan pada temperatur dan waktu tertentu, didinginkan dengan cepat, kemudian dipanaskan kembali pada temperatur dan waktu yang lebih rendah dari sebelumnya. Selama proses ini, struktur mikro material akan mengalami perubahan yang signifikan dimana struktur yang baru memiliki kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi daripada sebelumnya.
Lebih lengkapnya, proses yang disebut sebagai perlakuan panas ini bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanik material seperti tensile strength, resistance, elongation, impact resistance, dan hardness. Tidak seperti pada logam ferrous, paduan logam non ferous seperti alumunium hanya dapat dikeraskan secara signifikan melalui proses yang disebut sebagai precipitation hardening, yaitu proses tambahan yang bertujuan untuk menambah kekuatan material melalui penghalusan butir.
Pada proses ini, sifat mekanik paduan alumunium ditingkatkan dengan cara pembentukan lattice defect yang akan berlaku sebagai penghambat gerak dislokasi. Pada hasil proses precipitation hardening, defect tersebut berbentuk partikel-partikel halus yang terdistribusi merata, disebut sebagai presipitat.Intinya, proses precipitation hardening pada alumunium memanfaatkan pembentukan presipitat (materi yang keras dan berfungsi sebagai inklusi / penghambat laju dislokasi) seperti Mg2Si, CuAl2, Si eutectic, dan Mg2Al. Oleh karena itu Mg, Si, ataupun Cu merupakan elemen-elemen utama dalam paduan alumunium. Tanpa adanya unsur-unsur tersebut, kecil kemungkinan terjadinya pengerasan melalui proses heat treatment.
SOLUTION TREATMENTSolution treatment dapat dilakukan pada media udara, oli atau tungku garam. Media oli (200 – 300°C) dan garam (300 – 500 °C) memiliki keuntungan daripada media udara dalam hal keseragaman temperatur prosesnya, tetapi dari segi kemudahan proses dan pencapaian temperaturnya yang tinggi, media udara lebih banyak digunakan.
Solution treatment dilakukan untuk mendapatkan fasa tunggal yang sesuai dan stabil. Berdasarkan diagram fasanya, fasa yang stabil adalah fasa α. Sebagai ilustrasi, rentang temperatur stabil untuk paduan 4wt% Cu adalah antara 500 – 550 °C, maka agar terjadi proses difusi unsur paduan ke dalam matriksnya (sebagai syarat untuk merubah struktur mikro), paduan tersebut harus mengalami solution treatment di antara temperatur tersebut.
Pada solution treatment, paduan dipanaskan hingga membentuk larutan padat sempurna (yaitu wilayah fasa tunggal pada diagram fasa). Kondisi fasa matriks pada temperatur ini memungkinkan elemen-elemen paduan berdifusi ke dalam matriks induknya dan terdistribusi dengan sendirinya secara merata. Komposisi yang terjadi disebut sebagai larutan padat. Larutan padat kemudian didinginkan dengan cepat (quench) hingga mencapai temperatur kamar. Setelah diquench, atom-atom yang terlarut akan tetap terdistribusi merata dalam larutan padat lewat jenuh (supersaturated solid solution) yang memiliki sifat sangat lunak dan ulet.
Struktur mikro paduan alumunium hasil casting terdiri dari kristal silikon eutektik berbentuk jarum, Mg2Si berwarna keabu-abuan dan fasa alumunium pro-eutektoid. Proses solution treatment menyebabkan Mg2Si terlarut ke dalam matriks alumunium, sementara kristal eutektik silikon yang tadinya berbentuk jarum berubah menjadi nodular. Transisi ini memerlukan waktu yang cukup lama. Semakin lama waktu solution dan semakin tinggi temperaturnya maka proses akan menghasilkan efek yang lebih baik. Tetapi bagaimanapun juga, kedua parameter tersebut memiliki batas tertentu.
QUENCHINGProses quenching merupakan proses yang kritikal untuk menghasilkan distribusi fasa presipitat yang seragam pada saat proses aging. Jika proses pendinginannya berlangsung terlalu lambat, presipitat akan terbentuk di batas butir, yang akan menyebabkan sifat mekaniknya keras dan getas. Pembentukan presipitat di batas butir alumunium berpotensi menyebabkan terjadinya intergranular embrittlement (perambatan retak melalui batas butir alumunium).
Proses quenching yang melibatkan pendinginan cepat (rapid cooling) fasa padat α yang kaya akan elemen paduan (Si, Mg, Cu) dalam air hingga mencapai temperatur kamar. Pendinginan cepat ini akan mempertahankan larutan padat dengan cara mencegah difusi atom-atom paduan keluar dari matriksnya, menghasilkan larutan padat lewat jenuh (supersaturated solid solution – SSS)). Proses ini dikenal sebagai proses solid solution hardening.
Bila paduan didinginkan dengan lambat setelah proses solution treatment, Mg2Si dan elemen-elemen lain yang tadinya sudah berdifusi ke dalam matriks alumunium akan kembali ke keadaan awal sebelum solution treatment. Tetapi jika paduan didinginkan dengan cepat ke dalam air, Mg2Si akan tetap terlarut dalam matriks, seperti kondisi saat solution treatment. Proses pendinginan cepat ini dikenal sebagai proses quenching. Dengan kata lain, proses quenching memaksa Mg2Si terlarut dalam matriks pada kondisi padat sehingga matriks bersifat lewat jenuh (supersaturated solid solution). Semakin cepat laju pendinginannya akan semakin baik, tetapi bila terlalu cepat akan menyebabkan material terdeformasi. Oleh sebab itu material diquench dalam air hangat (80 °C).
AGINGLangkah terakhir adalah pemanas ulang (re-heating) larutan pada temperatur tertentu dan ditahan pada temperatur tersebut selama beberapa waktu, dikenal sebagai proses aging.
Setelah proses quenching, paduan yang memiliki struktur larutan padat lewat jenuh (supersaturated solid solution) cenderung tidak stabil dan bertendensi membentuk presipitat Mg2Si. Saat waktunya tiba, Mg2Si akan terdispersi dan terpresipitasi. Peristiwa ini disebut sebagai aging.
Aging terbagi menjadi dua kategori : aging dingin, dimana presipitasi berlangsung pada temperatur kamar (natural aging) dan aging panas dimana paduan dipanaskan untuk mempercepat terbentuknya presipitat (artificial aging). Semakin tinggi temperatur aging dan semakin lama waktunya, paduan akan menjadi semakin keras. Tetapi bila temperatur terlalu tinggi atau waktunya terlalu lama, proses presipitasi akan mencapai puncaknya dan presipitat-presipitat yang telah terbentuk akan saling berdifusi dan beraglomerasi membentuk struktur baru, sehingga jumlah presipitat dalam matriks akan berkurang. Hal ini menyebabkan kekerasan paduan akan menurun. Peristiwa ini disebut sebagai overaging.
Pada beberapa kasus, sampel hasil solution – quenching akan membentuk presipitat pada temperatur ruang, yang disebut sebagai natural aging. Proses yang melibatkan peningkatan temperatur dengan maksud mempercepat terjadinya presipitat disebut sebagai artificial aging.
(Sumber : Modul Gigin)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar