(1) Karakteristik paduan aluminium seri 7xxx
Paduan aluminium seri 7XXx adalah paduan aluminium dengan Zn sebagai elemen paduan utama dan merupakan paduan aluminium yang dapat diolah dengan panas. Ketika Mg ditambahkan ke dalam paduan, paduan tersebut menjadi paduan Al-Zn-Mg. Paduan tersebut memiliki sifat deformasi termal yang baik dan rentang pendinginan yang luas. Dalam kondisi perlakuan panas yang tepat, paduan tersebut dapat memperoleh kekuatan tinggi dan sifat pengelasan yang baik. Paduan tersebut umumnya memiliki ketahanan korosi yang baik dan kecenderungan tertentu terhadap korosi tegangan. Paduan tersebut merupakan paduan aluminium yang dapat dilas dengan kekuatan tinggi. Paduan Al-Zn-Mg-Cu dikembangkan berdasarkan paduan Al-Zn-Mg dengan menambahkan Cu. Kekuatannya lebih tinggi daripada paduan aluminium seri 2X. Paduan tersebut umumnya disebut paduan aluminium kekuatan sangat tinggi. Kekuatan luluh paduan tersebut mendekati kekuatan tarik, rasio kekuatan luluh tinggi, dan kekuatan spesifiknya juga tinggi, tetapi plastisitas dan kekuatan suhu tingginya rendah. Paduan tersebut cocok untuk bagian struktural penahan beban yang digunakan pada suhu ruangan dan di bawah 120 derajat. Paduan ini mudah diproses dan memiliki ketahanan korosi yang baik serta ketangguhan yang tinggi. Rangkaian paduan ini banyak digunakan dalam bidang penerbangan dan kedirgantaraan, dan telah menjadi salah satu bahan struktural terpenting dalam bidang ini.
(2) Unsur paduan dan unsur pengotor beserta fungsinya
① Paduan Al-Zn-Mg Zn dan Mg adalah elemen paduan utama dalam paduan Al-Zn-Mg, dan kandungannya umumnya tidak lebih dari 7,5%.
Zn dan Mg: Seiring dengan meningkatnya kandungan Zn dan Mg dalam paduan, kekuatan tarik dan efek perlakuan panasnya secara umum juga meningkat. Kecenderungan korosi tegangan paduan terkait dengan jumlah kandungan Zn dan Mg. Untuk paduan dengan Mg tinggi dan Zn rendah atau Zn tinggi dan Mg rendah, selama jumlah kandungan Zn dan Mg tidak lebih dari 7%, paduan tersebut memiliki ketahanan korosi tegangan yang baik. Kecenderungan retak las paduan berkurang seiring dengan peningkatan kandungan Mg.
Jumlah jejak unsur yang ditambahkan dalam paduan Al-Zn-Mg meliputi Mn, Cr, Cu, Zr dan Ti, dan pengotor utama meliputi Fe dan Si.
Mn dan Cr: Penambahan Mn dan Cr dapat meningkatkan ketahanan korosi tegangan pada paduan. Kandungan Mn adalah 0.2%~
Pada {{0}}.4%, efeknya signifikan. Efek penambahan Cr lebih besar daripada penambahan Mn. Jika Mn dan Cr ditambahkan pada saat yang sama, efek pengurangan kecenderungan korosi tegangan akan lebih baik. Jumlah Cr yang ditambahkan yang tepat adalah 0.1%~0,2%.
Zr: Zr dapat meningkatkan kemampuan las paduan A{{0}}}Zn-Mg secara signifikan. Ketika 0.2% Zr ditambahkan ke paduan AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35, retakan las berkurang secara signifikan. Zr juga dapat meningkatkan suhu rekristalisasi akhir paduan. Dalam paduan AlZn4.5Mg1.8Mn0.6, ketika kandungan Zr lebih tinggi dari 0.2%, suhu rekristalisasi akhir paduan berada di atas 500 derajat. Oleh karena itu, material tersebut masih mempertahankan kekuatannya setelah pendinginan. Jaringan yang mengalami deformasi. Menambahkan 0,1% hingga 0,2% Zr ke paduan Al-Zn-Mg yang mengandung Mn juga dapat meningkatkan ketahanan korosi tegangan paduan, tetapi Zr memiliki efek yang lebih rendah daripada Cr.
Ti: Penambahan Ti ke dalam paduan dapat memperbaiki ukuran butiran paduan dalam keadaan tuang dan meningkatkan kemampuan las paduan, tetapi efeknya lebih rendah daripada Zr. Jika Ti dan Zr ditambahkan pada saat yang sama, efeknya lebih baik. Pada paduan AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 dengan kandungan Ti sebesar 0.12%, ketika kandungan Zr melebihi 0.15%, paduan tersebut memiliki kemampuan las dan perpanjangan yang baik, dan dapat mencapai efek yang sama seperti ketika lebih dari 0.2% Zr ditambahkan sendiri. Ti juga dapat meningkatkan suhu rekristalisasi paduan.
Cu: Penambahan sedikit Cu ke paduan Al-Zn-Mg dapat meningkatkan ketahanan korosi tegangan dan kekuatan tarik. Namun, kemampuan las paduan berkurang.
Fe: Fe dapat mengurangi ketahanan korosi dan sifat mekanis paduan, terutama untuk paduan dengan kandungan Mn yang tinggi. Oleh karena itu, kandungan Fe harus serendah mungkin, dan kandungannya harus dibatasi hingga kurang dari 0.3%.
Si: Si dapat mengurangi kekuatan paduan, sedikit mengurangi kinerja tekukan, dan meningkatkan kecenderungan retak las. Kandungan Si dalam paduan harus dibatasi kurang dari 0.3%.
② Paduan Al-Zn-Mg-Cu Paduan Al-Zn-Mg-Cu merupakan paduan yang dapat mengalami perlakuan panas. Elemen penguat utamanya adalah Zn dan Mg. Cu juga memiliki efek penguatan tertentu, tetapi fungsi utamanya adalah untuk meningkatkan ketahanan korosi material.
Zn dan Mg: Zn dan Mg merupakan unsur penguat utama. Ketika keduanya hidup berdampingan, keduanya akan membentuk fase η (MgZn2) dan T (Al2Mg2Zn3). Fase η dan fase T memiliki kelarutan yang besar dalam AI dan berubah secara drastis seiring dengan naik turunnya suhu. Kelarutan MgZn₂ pada suhu eutektik adalah 28%, yang berkurang menjadi 4%~5% pada suhu ruangan. Ini memiliki efek penguatan penuaan yang kuat. Peningkatan kandungan Zn dan Mg dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan secara signifikan, tetapi akan mengurangi plastisitas, ketahanan korosi tegangan, dan ketangguhan patah.
Cu: Ketika Zn/Mg lebih besar dari 2,2 dan kandungan Cu lebih besar dari Mg, Cu dan elemen lainnya dapat menghasilkan fase S yang diperkuat (CuMgAlz) untuk meningkatkan kekuatan paduan, tetapi dalam kasus yang berlawanan, kemungkinan adanya fase S sangat kecil. Cu dapat mengurangi perbedaan potensial antara batas butir dan intragranular, dan juga dapat mengubah struktur fase presipitasi dan memperbaiki fase presipitasi batas butir, tetapi memiliki sedikit efek pada lebar zona non-presipitasi batas butir. Ini dapat menghambat kecenderungan retak intergranular, sehingga meningkatkan ketahanan korosi tegangan paduan. Namun, ketika kandungan Cu lebih besar dari 3%, ketahanan korosi paduan memburuk. Cu dapat meningkatkan supersaturasi paduan, mempercepat proses penuaan buatan paduan antara 100 dan 200 derajat C, memperluas kisaran suhu stabil zona GP, dan meningkatkan kekuatan tarik, plastisitas, dan kekuatan lelah. Dalam kisaran kandungan Cu yang tidak terlalu tinggi, ketahanan lelah regangan siklik dan ketangguhan patah meningkat seiring dengan peningkatan kandungan Cu, dan laju pertumbuhan retak berkurang dalam media korosif, tetapi penambahan Cu memiliki kecenderungan untuk menghasilkan korosi intergranular dan korosi pitting. Pengaruh Cu pada ketangguhan patah terkait dengan rasio Zn/Mg. Ketika rasionya kecil, semakin tinggi kandungan Cu, semakin buruk ketangguhannya; ketika rasionya besar, bahkan jika kandungan Cu tinggi, ketangguhannya masih sangat baik.
Terdapat pula sejumlah kecil unsur jejak seperti Mn, Cr, Zr, V, Ti, B dalam paduan tersebut. Fe dan Si merupakan pengotor berbahaya dalam paduan tersebut, dan interaksinya adalah sebagai berikut.
Mn, Cr: Penambahan sejumlah kecil unsur transisi seperti Mn dan Cr memiliki efek signifikan pada struktur dan sifat paduan. Unsur-unsur ini dapat menghasilkan partikel terdispersi selama pemanasan homogenisasi ingot, mencegah migrasi dislokasi dan batas butir, sehingga meningkatkan suhu rekristalisasi, secara efektif mencegah pertumbuhan butir, menyempurnakan butir, dan memastikan bahwa struktur tetap tidak terkristalisasi ulang atau terkristalisasi ulang sebagian setelah pengerjaan panas dan perlakuan panas, sehingga kekuatannya ditingkatkan sekaligus memiliki ketahanan korosi tegangan yang lebih baik. Dalam hal meningkatkan ketahanan korosi tegangan, penambahan Cr lebih baik daripada penambahan Mn.
Zr: Akhir-akhir ini, ada tren untuk mengganti Cr dan Mn dengan Zr. Zr dapat meningkatkan suhu rekristalisasi paduan secara signifikan. Baik itu deformasi panas atau deformasi dingin, struktur non-rekristalisasi dapat diperoleh setelah perlakuan panas. Zr juga dapat meningkatkan kemampuan pengerasan paduan, kemampuan las, ketangguhan fraktur, ketahanan korosi tegangan, dll. Zr merupakan elemen aditif jejak yang sangat menjanjikan dalam paduan Al-Zn-Mg-Cu.
Ti dan B: Ti dan B dapat menghaluskan butiran paduan pada keadaan cor dan meningkatkan suhu rekristalisasi paduan.
Fe dan Si: Fe dan Si merupakan pengotor berbahaya yang tidak dapat dihindari dalam paduan aluminium 7XxX, yang sebagian besar berasal dari bahan baku, serta peralatan dan perkakas yang digunakan dalam peleburan dan pengecoran. Pengotor ini sebagian besar terdapat dalam bentuk FeAl: yang keras dan getas serta Si bebas. Pengotor ini juga dapat membentuk senyawa kasar seperti (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) dengan Mn dan Cr. FeAl3 memiliki efek menghaluskan butiran, tetapi memiliki dampak yang lebih besar pada ketahanan korosi. Seiring dengan meningkatnya kandungan fase yang tidak larut, fraksi volume fase yang tidak larut juga meningkat. Fase kedua yang tidak larut ini akan pecah dan memanjang selama deformasi, menghasilkan struktur pita, dan partikel-partikel tersebut tersusun dalam garis lurus sepanjang arah deformasi. Karena partikel pengotor terdistribusi di dalam butiran atau pada batas butiran, selama deformasi plastis, pori-pori terjadi pada beberapa batas partikel-matriks, yang menghasilkan retakan mikro, yang menjadi asal retakan makro. Selain itu, hal ini memiliki pengaruh yang besar terhadap laju pertumbuhan retakan lelah. Ini memiliki efek tertentu dalam mengurangi plastisitas lokal selama penghancuran. Peningkatan jumlah pengotor memperpendek jarak antar partikel, sehingga mengurangi fluiditas deformasi plastik di sekitar ujung retakan. Karena fase yang mengandung Fe dan Si sulit larut pada suhu kamar, ia berperan sebagai takik dan mudah menjadi sumber retakan, menyebabkan material pecah, yang memiliki efek yang sangat buruk pada perpanjangan, terutama ketangguhan patah paduan. Oleh karena itu, saat merancang dan memproduksi paduan baru, kandungan Fe dan Si dikontrol secara ketat. Selain menggunakan bahan baku logam dengan kemurnian tinggi, beberapa tindakan juga diambil selama proses peleburan dan pengecoran untuk mencegah kedua elemen ini bercampur ke dalam paduan.