Aluminum Scalmalloy (Al-Mg-Sc-Zr): Komposisi, Properti, Panduan Temper & Aplikasi

Table Of Content

Table Of Content

Ikhtisar Komprehensif

Scalmalloy adalah paduan Al-Mg-Sc-Zr milik yang dikembangkan untuk aplikasi berperforma tinggi di mana kombinasi kekuatan spesifik tinggi dan ketangguhan patahan yang baik diperlukan. Paduan ini tidak masuk dalam penomoran seri 2xxx/3xxx/5xxx/6xxx/7xxx klasik karena merupakan konsep paduan aluminium modern yang ditujukan untuk manufaktur aditif dan bentuk putar khusus; paduan ini lebih sering dijelaskan sebagai paduan Al-Mg-Sc-Zr ketimbang sebuah nomor seri AA tunggal.

Elemen paduan utama adalah magnesium (Mg) untuk penguatan larutan padat dan penurunan densitas, scandium (Sc) dan zirconium (Zr) untuk presipitasi dispersi halus dan koheren Al3(Sc,Zr), serta pengendalian jejak besi, silikon, dan residu lainnya. Penguatan terutama berasal dari pengerasan presipitasi oleh dispersi Al3Sc dan Al3(Sc,Zr) yang memicu dan mengunci batas butir; pengerasan kerja berkontribusi pada beberapa temper putar, tetapi mekanisme utama adalah penguatan presipitasi yang dapat diperlakukan panas.

Ciri utama mencakup rasio kekuatan-terhadap-berat sangat tinggi dibandingkan paduan aluminium konvensional, perbaikan pemurnian butir dan ketahanan rekristalisasi dari dispersi Sc/Zr, sifat kelelahan yang baik, serta ketahanan korosi yang kompetitif dibanding paduan berkekuatan tinggi tipikal. Kemampuan bentuk dan kelasabilitas bisa sangat baik pada temper annealed atau yang diproses dengan tepat, namun membutuhkan kontrol ketat untuk menjaga struktur dispersi; faktor-faktor ini menjadikan Scalmalloy menarik untuk industri aerospace, motorsport, otomotif kelas atas, dan manufaktur aditif.

Insinyur memilih Scalmalloy ketika prioritas desain adalah kekuatan spesifik puncak, struktur mikro stabil selama pengolahan suhu tinggi, serta tahan terhadap pertumbuhan butir kasar. Paduan ini sering dipilih dibandingkan paduan 6xxx dan 7xxx konvensional ketika stabilitas mikrostruktur yang lebih baik, umur lelah unggul, atau manufaktur aditif memungkinkan geometri kompleks yang diuntungkan dari perilaku metalurgi bubuk paduan ini.

Varian Temper

Temper Tingkat Kekuatan Elongasi Formabilitas Kelasabilitas Catatan
O Rendah Tinggi Istimewa Istimewa Annealed penuh, duktalitas maksimum untuk pembentukan
H14 Sedang Moderat Baik Baik Pengerasan kerja, peningkatan luluh dengan formabilitas tetap
T5 Sedang-Tinggi Moderat Baik Baik Didinginkan dari pengerjaan panas dan penuaan buatan
T6 Tinggi Rendah-Moderat Cukup Baik Perlakuan solusi, quenching, dan penuaan buatan untuk kekuatan puncak
T651 Tinggi Rendah-Moderat Cukup Baik Relaksasi tegangan setelah solusi dan penuaan; dipakai untuk dimensi kritikal
AM-As-Built (tanpa akhiran) Variabel Variabel Terbatas Variabel Status manufaktur aditif; sifat tergantung proses dan perlakuan pasca

Pemilihan temper sangat mempengaruhi Scalmalloy dengan mengendalikan ukuran, kerapatan, dan distribusi dispersi Al3(Sc,Zr) serta presipitat yang kaya Mg jika ada. Temper annealed O memaksimalkan duktalitas dan formabilitas tetapi mengorbankan sebagian besar performa penguatan presipitasi yang menjadi keunggulan Scalmalloy.

Perlakuan panas seperti T5/T6 meningkatkan kekuatan luluh dan tarik melalui nucleasi dan pertumbuhan terkendali partikel nanoskal Al3(Sc,Zr); overaging menurunkan kekuatan puncak tetapi dapat meningkatkan ketangguhan dan ketahanan terhadap fenomena korosi tegangan. Untuk material manufaktur aditif, siklus termal in-situ dan penuaan pasca proses yang disesuaikan dapat menghasilkan sifat yang setara atau melebihi temper T6 putar.

Komposisi Kimia

Elemen Rentang % Catatan
Si ≤ 0.4 (tipikal) Si rendah terkontrol untuk menghindari intermetallic getas; dapat bervariasi untuk produksi bubuk
Fe ≤ 0.6 (tipikal) Direndahkan untuk membatasi partikel intermetallic kasar yang mengurangi ketangguhan
Mn ≤ 0.2 Minor, biasanya rendah dalam Scalmalloy; membantu kontrol struktur butir jika ada
Mg ~3.0–6.0 Elemen utama penguatan dan pengurang densitas; berpartisipasi dalam larutan padat dan potensi presipitat kaya Mg
Cu ≤ 0.2 Konten tembaga rendah untuk menghindari kerentanan korosi berlebih dan retak panas
Zn ≤ 0.25 Zn rendah untuk menghindari kecenderungan retak korosi tegangan
Cr ≤ 0.1 Biasanya rendah; dikontrol agar tidak terbentuk fase tak diinginkan
Ti ≤ 0.1 Jejak terkadang digunakan untuk memurnikan butir dalam metalurgi bubuk
Lain (Sc, Zr) Sc ~0.1–0.7, Zr ~0.05–0.25 Sc dan Zr adalah elemen khas yang menghasilkan dispersi Al3(Sc,Zr) stabil

Kandungan Mg yang relatif sedang memberikan penguatan larutan padat dan mengurangi densitas dibanding aluminium murni, sementara tambahan scandium dan zirconium membentuk dispersi koheren L12 Al3(Sc,Zr) yang mengunci dislokasi dan batas butir. Pengendalian impuritas seperti besi dan silikon sangat penting karena partikel intermetallic kasar akan menurunkan performa lelah dan menghilangkan sebagian manfaat dari dispersi nanoskal.

Sc dan Zr juga secara dramatis meningkatkan ketahanan rekristalisasi, memungkinkan struktur mikro halus bertahan selama pengerjaan panas atau manufaktur aditif; ini secara langsung berkontribusi pada peningkatan kekuatan luluh, ketangguhan, dan umur lelah dibanding paduan Mg saja.

Sifat Mekanis

Scalmalloy menunjukkan kekuatan tarik tinggi dengan rasio kekuatan luluh-terhadap tarik yang relatif tinggi dibanding banyak paduan aluminium konvensional, dan perilaku ini sangat bergantung pada temper dan rute pemrosesan. Temper penuaan puncak (mirip T6) menghasilkan kekuatan tarik (UTS) dan luluh tertinggi melalui dispersi padat Al3(Sc,Zr), sementara temper annealed memberikan elongasi dan kemampuan pembentukan yang jauh lebih baik. Ketahanan lelah biasanya sangat baik untuk kelas kekuatannya karena butir halus dan dispersi partikel nanoskal homogen yang mengurangi titik inisiasi retak.

Kekerasan berkorelasi dengan densitas presipitat dan kondisi penuaan; kekerasan Vickers pada material penuaan puncak tinggi dan menunjukkan retensi yang baik setelah paparan termal dibanding banyak paduan Al-Mg atau Al-Zn-Mg. Ketebalan dan metode pembuatan (lembaran putar vs bubuk manufaktur aditif) memengaruhi sifat; penampang tebal mungkin menunjukkan kekuatan puncak sedikit lebih rendah karena pendinginan lebih lambat dan kecenderungan pembesaran butir kecuali kandungan Zr atau pasca proses dioptimalisasi. Ketahanan korosi dan retak korosi tegangan umumnya menguntungkan tetapi harus diverifikasi terhadap lingkungan layanan tertentu karena kondisi berkekuatan tinggi menukar sebagian duktalitas dengan kekuatan.

Sifat O/Annealed Temper Utama (misal T6) Catatan
Kekuatan Tarik (UTS) ~200–320 MPa ~420–560 MPa (rentang tipikal) Rentang luas tergantung proses; varian AM dapat melebihi nilai putar
Kekuatan Luluh ~90–220 MPa ~350–480 MPa (rentang tipikal) Kekuatan luluh meningkat signifikan dengan presipitasi dan pengerasan kerja
Elongasi ~18–35% ~6–15% Temper puncak menurunkan elongasi; kondisi annealed menyediakan formabilitas
Kekerasan (HV) ~40–80 HV ~120–180 HV Kekerasan sesuai dengan densitas presipitat dan kondisi penuaan

Sifat Fisik

Sifat Nilai Catatan
Densitas ~2.68 g/cm³ Agak lebih rendah dari Al murni karena Mg; nilai bervariasi dengan komposisi
Rentang Leleh Solidus ≈ 580–610 °C; Liquidus ≈ 640–660 °C Rentang perkiraan tergantung paduan; perlakuan panas menggunakan suhu di bawah solidus
Konduktivitas Termal ~100–150 W/m·K Lebih rendah dari Al murni akibat paduan; bagus untuk banyak aplikasi manajemen panas
Konduktivitas Listrik ~30–45 % IACS Menurun dibanding Al murni karena Mg dan dispersi
Kalor Spesifik ~0.88–0.92 J/g·K (≈880–920 J/kg·K) Tipikal untuk paduan aluminium pada suhu kamar
Ekspansi Termal ~23–25 ×10⁻⁶ /K Koefisien mirip paduan aluminium struktural umum

Sifat fisik ini menjadikan Scalmalloy menarik untuk aplikasi yang membutuhkan kekakuan spesifik dan performa termal dengan pengurangan bobot. Densitas dan ekspansi termal sebanding dengan paduan Al-Mg lain, memungkinkan kompatibilitas dengan banyak sistem dan sambungan berbasis aluminium tanpa ekspansi diferensial berlebihan.

Konduktivitas termal tetap memadai untuk aplikasi penyebaran panas, meskipun perancang harus memperhitungkan penurunan konduktivitas dibanding aluminium murni dan mempertimbangkan pelapisan permukaan atau geometri desain untuk mengoptimalkan jalur termal saat digunakan sebagai heat sink.

Bentuk Produk

Bentuk Ketebalan/Ukuran Umum Perilaku Kekuatan Temper Umum Catatan
Lembaran 0,5–6 mm Keseragaman yang baik pada ketebalan tipis O, T5, T6 Sering digunakan untuk panel dan struktur bentuk; proses tempering mengontrol kemampuan pembentukan
Plat >6 mm Kekuatan dapat bervariasi dengan ketebalan T6, T651 Plat tebal memerlukan perlakuan panas yang hati-hati untuk menghindari presipitat kasar
Ekstrusi Profil kompleks, berbagai ukuran Sangat baik saat dihomogenisasi T5, T6 Kontrol butir memanjang dan resistensi rekristalisasi membantu kemudahan ekstrusi
Tabung Diameter luar bervariasi, dinding tipis hingga tebal Mirip dengan perilaku ekstrusi T5, T6 Digunakan untuk tabung struktural dan komponen tipe tekanan
Batang/Batang Bundar Diameter hingga penampang besar Kemudahan mesin yang baik dalam kondisi anil O, Hxx, T6 Batang digunakan untuk fitting dan pengencang yang dikerjakan mesin
Serbuk / Additive (AM) Partikel serbuk 15–60 µm; hasil AM bervariasi Produk as-built dapat dioptimalkan untuk kekuatan tinggi AM-As-Built, T5/T6 pasca-penuaan Scalmalloy banyak digunakan dalam bentuk serbuk untuk proses additive LPBF/EBM

Perbedaan proses secara langsung memengaruhi mikrostruktur dan dengan demikian perilaku mekanik; bentuk hasil manufaktur additive mungkin memerlukan perlakuan panas khusus setelah build untuk mewujudkan penguatan presipitasi penuh, sedangkan plat dan ekstrusi secara umum mengandalkan siklus pelarutan dan penuaan konvensional. Pemilihan bentuk produk didorong oleh geometri, hasil permukaan, toleransi dimensi, serta apakah langkah proses suhu tinggi (misal, homogenisasi ekstrusi atau siklus termal AM) tersedia untuk menstabilkan struktur dispersoid.

Rute metalurgi serbuk merupakan pembeda utama untuk Scalmalloy, memungkinkan geometri kompleks, efisiensi produksi tinggi, dan mikrostruktur yang sulit dicapai dengan metode pengecoran atau jalur paduan konvensional; perancang harus menspesifikasikan bentuk dan pasca-proses untuk memastikan sifat yang ditargetkan.

Grade Setara

Standar Grade Wilayah Catatan
AA Scalmalloy (Al-Mg-Sc-Zr) USA Paduan proprietary; bukan penomoran seri AA resmi
EN AW Tidak distandarisasi / proprietary Europe Biasanya disuplai sebagai penamaan paduan proprietary atau spesifikasi khusus pelanggan
JIS Tidak ada ekuivalen langsung Jepang Tidak terdapat grade JIS standar; performa mirip dengan paduan Al-Mg-Sc kekuatan tinggi
GB/T Grade proprietary / eksperimental China Produsen lokal mungkin menawarkan paduan Sc-Zr-Mg namun komposisi dan temper bervariasi

Tidak ada ekuivalen satu-ke-satu langsung untuk Scalmalloy dalam standar konvensional yang diterbitkan karena paduan ini bersifat proprietary dan dioptimalkan untuk proses berbasis serbuk serta paduan dengan scandium. Pemasok Eropa dan Asia sering mencantumkan paduan mengandung Sc sebagai grade proprietary atau penamaan eksperimental, bukan nomor AW standar.

Dalam pembandingan standar, engineer harus menganggap Scalmalloy sebagai keluarga tersendiri dan memverifikasi sertifikat sifat kimia dan mekanik dari pemasok; substitusi memerlukan pertimbangan cermat terhadap kandungan dispersoid dan sejarah proses daripada sekadar pencocokan elemen per elemen.

Ketahanan Korosi

Scalmalloy umumnya menawarkan ketahanan korosi atmosfer yang baik, setara atau lebih baik dari banyak paduan aluminium kekuatan tinggi karena mikrostruktur halus dan homogen membatasi titik galvanik lokal dan intermetalik kasar. Dalam atmosfer netral dan sedikit korosif, performanya baik terutama jika telah mengalami penuaan dan perlakuan permukaan yang tepat; anodizing atau pelapisan konversi meningkatkan perlindungan permukaan lebih lanjut.

Dalam lingkungan klorida laut, Scalmalloy menunjukkan ketahanan pitting yang wajar dibandingkan paduan seri 7xxx kekuatan tinggi, namun tidak sekuat paduan magnesium seri 5xxx tertentu yang memang dirancang khusus untuk paparan air laut. Perancang harus mempertimbangkan potensi serangan lokal di area tergenang atau sudut tersembunyi serta menspesifikasikan pelapis atau proteksi katodik yang sesuai jika paparan cukup berat.

Kerentanan retak korosi tegangan biasanya lebih rendah dibandingkan keluarga Al-Zn-Mg (seri 7xxx) kekuatan tinggi karena dispersoid Sc/Zr mengurangi presipitasi di batas butir dan mempersulit perambatan retak. Interaksi galvanik mengikuti perilaku aluminium standar; Scalmalloy bersifat anodis terhadap baja tahan karat dan paduan tembaga, sehingga kontak isolasi atau proteksi korban perlu dipertimbangkan pada rakitan logam campuran.

Sifat Fabrikasi

Kemampuan Las

Pengelasan Scalmalloy dapat dilakukan dengan teknik TIG dan MIG selama prosedur pengelasan mengontrol input panas dan kecocokan filler. Filler yang direkomendasikan biasanya berbasis Al-Mg atau filler khusus yang mengandung Sc jika tersedia, untuk menghindari mismatch komposisi besar dan mempertahankan keuletan di sambungan. Zona terpengaruh panas (HAZ) pada las dapat mengalami pelunakan jika dispersoid mengalamipembesaran atau distribusi presipitasi berubah, sehingga penuaan buatan pasca-las atau perlakuan panas lokal sering digunakan untuk memulihkan sifat. Risiko hot-cracking sedang; kandungan tembaga rendah dan pengendalian silikon membantu mengurangi kerentanan dibandingkan beberapa paduan Al-Zn.

Kemudahan Mesin

Kemudahan mesin dalam kondisi anil mirip dengan paduan aluminium kekuatan sedang lain dan umumnya baik dengan mata pahat carbide yang tajam, kecepatan potong sedang, dan kecepatan pemotongan tinggi. Pada temper puncak penuaan atau kekuatan tinggi, peningkatan kekerasan dapat meningkatkan laju aus alat dan memerlukan alat pemotong yang lebih tahan lama serta kedalaman potong berkurang agar hasil permukaan tetap baik. Pembentukan serpihan biasanya kontinu dan duktile; pendingin dianjurkan untuk mengendalikan pembentukan bibir tumpuk dan penempelan serpihan pada alat. Bahan pahat seperti carbide atau polycrystalline diamond menawarkan umur pakai baik dalam operasi CNC volume tinggi.

Kemampuan Bentuk

Kemampuan pembentukan dingin terbaik pada temper O atau H di mana regangan putus (elongasi) tertinggi; radius pembengkokan minimum mengikuti pedoman aluminium standar, biasanya 2–3× ketebalan material untuk bengkokan radius kecil pada lembaran anil. Temper puncak penuaan mengurangi elongasi dan meningkatkan springback, sehingga pembentukan sebaiknya dilakukan pada temper lunak kemudian diikuti dengan pelarutan dan penuaan jika diperlukan kekuatan akhir. Pembentukan hangat dan teknik pembentukan lembaran incremental memanfaatkan resistensi rekristalisasi Scalmalloy, memungkinkan bentuk kompleks dengan retensi mikrostruktur yang lebih halus. Untuk deep drawing, pra-penuaan ke kondisi kekuatan sedang sering kali menyeimbangkan kemampuan bentuk dan kebutuhan properti akhir.

Perilaku Perlakuan Panas

Scalmalloy dapat diperlakukan panas dan merespon terutama terhadap perlakuan pelarutan diikuti dengan quenching dan penuaan buatan untuk menghasilkan distribusi padat dispersoid Al3(Sc,Zr). Suhu pelarutan tipikal berada di kisaran sekitar 500–540 °C dengan quenching untuk mempertahankan supersaturasi larutan padat; penuaan buatan selanjutnya pada 200–300 °C selama beberapa jam menghasilkan kekerasan dan kekuatan puncak. Penambahan Zr memperlambat pembesaran presipitat Al3Sc, memperlebar jendela penuaan dan meningkatkan stabilitas termal dibandingkan paduan hanya Sc.

Karena presipitat Al3(Sc,Zr) bersifat koheren dan sangat stabil, Scalmalloy menunjukkan sensitivitas overaging lebih rendah dibandingkan banyak paduan Al-Mg atau Al-Zn-Mg konvensional, tetapi paparan berpanjang pada suhu tinggi akan menyebabkan pembesaran presipitat dan menurunkan kekuatan puncak. Untuk material hasil manufaktur additive, siklus termal in-situ dapat menginduksi presipitasi parsial selama proses build, dan siklus pelarutan singkat atau penuaan langsung pasca-build sering menghasilkan sifat mekanik optimal tanpa perlakuan pelarutan suhu tinggi penuh. Work-hardening dapat digunakan untuk menaikkan kekuatan pada temper tanpa perlakuan panas, dan anil mengembalikan materi ke kondisi duktile untuk pembentukan atau penyambungan.

Performa Suhu Tinggi

Scalmalloy mempertahankan kekuatan yang berguna pada suhu sedang hingga tinggi dibandingkan banyak paduan aluminium karena dispersoid Al3(Sc,Zr) tahan pembesaran dan terus menghambat perpindahan dislokasi. Retensi kekuatan umumnya cukup baik hingga sekitar 200–250 °C untuk layanan jangka panjang, dengan pelunakan progresif di atas rentang ini seiring pembesaran presipitat dan pemulihan matriks. Ekskursi suhu tinggi jangka pendek (hingga ~300 °C) dapat ditoleransi tanpa kehilangan sifat secara signifikan, tetapi perancang perlu menghindari paparan kontinu pada suhu tersebut kecuali telah tervalidasi melalui pengujian jangka panjang.

Oksidasi merupakan sifat khas paduan aluminium; lapisan oksida protektif terbentuk cepat pada suhu tinggi namun tidak menghalangi perubahan sifat struktural akibat pembesaran presipitat. Zona terpengaruh panas (HAZ) di sekitar las dan zona panas lokal dapat menunjukkan penurunan kekuatan dan harus dinilai terhadap creep atau relaksasi di bawah beban kerja pada suhu tinggi.

Aplikasi

Industri Contoh Komponen Mengapa Scalmalloy (Al-Mg-Sc-Zr) Digunakan
Otomotif Bracket struktural, komponen suspensi Kekuatan spesifik tinggi dan ketahanan lelah yang baik mengurangi massa dan meningkatkan daya tahan
Kelautan Fitting struktural, komponen kapal kecil Kekuatan terhadap berat yang baik dan ketahanan korosi yang memadai di lingkungan klorida
Aeroangkasa Fitting, bracket, bagian struktural ringan Kekuatan terhadap berat dan stabilitas termal luar biasa untuk bagian kritis dan ringan
Motorsport Roll cage, komponen sasis Memungkinkan penghematan berat agresif dengan ketangguhan benturan yang terjaga
Elektronik Penyebar panas ringan, rangka struktural Perpaduan konduktivitas termal dan kekakuan dengan massa yang lebih rendah
Manufaktur Additive Prototipe struktural kompleks dan bagian produksi Paduan yang dioptimalkan untuk powder bed fusion dengan sifat mekanik tinggi yang dapat dicapai

Gabungan kekuatan tinggi, stabilitas selama proses termal, dan kemudahan dalam metalurgi serbuk membuat Scalmalloy sangat berharga di berbagai sektor yang membutuhkan komponen ringan dengan bentuk kompleks. Penggunaannya dalam manufaktur additive telah memperluas kebebasan desain sekaligus memungkinkan performa yang setara atau melebihi banyak paduan aluminium kekuatan tinggi yang dibuat secara konvensional.

Wawasan Pemilihan

Pilih Scalmalloy ketika perancang membutuhkan kekuatan spesifik tinggi dan ketahanan lelah sangat baik, serta ketika metode pembuatan (baja tempa atau additive) dan anggaran memungkinkan penggunaan paduan mengandung Sc. Paduan ini paling sesuai ketika penghematan berat, stabilitas mikrostruktur, dan retensi butiran halus selama pengerjaan panas atau siklus termal manufaktur additive menjadi persyaratan utama.

Dibandingkan aluminium murni komersial (misalnya 1100), Scalmalloy menukar konduktivitas listrik dan termal serta kemampuan pembentukan yang superior dengan kekuatan jauh lebih tinggi dan performa lelah yang lebih baik; gunakan Scalmalloy ketika efisiensi struktural lebih diutamakan daripada konduktivitas maksimum. Dibandingkan paduan yang biasa mengalami pengerasan kerja seperti 3003 atau 5052, Scalmalloy memberikan kekuatan yang jauh lebih besar dengan umur lelah yang setara atau lebih baik, meskipun ketahanan korosi paduan seri 5xxx tertentu dalam lingkungan laut tertentu bisa lebih unggul. Dibandingkan paduan yang dapat menjalani perlakuan panas umum seperti 6061 atau 6063, Scalmalloy sering memberikan stabilitas termal dan kontrol mikrostruktur yang lebih baik; paduan ini disukai ketika retensi kekuatan jangka panjang dan stabilitas mikrostruktur pada bagian kompleks atau hasil manufaktur additive sangat dibutuhkan meskipun ada kemungkinan kompromi biaya dan ketersediaan.

Ringkasan Penutup

Scalmalloy (Al-Mg-Sc-Zr) tetap relevan karena menggabungkan unik mikrostruktur yang distabilisasi lewat presipitasi dengan karakteristik kekuatan terhadap berat dan ketahanan lelah yang sangat baik, serta sangat cocok untuk metode manufaktur modern seperti manufaktur additive dan proses tempa maju. Komposisi kimia khusus Mg, Sc dan Zr memberikan solusi aluminium berkinerja tinggi dan tahan lama bagi perancang untuk aplikasi struktural menuntut di mana paduan konvensional tidak dapat memenuhi kebutuhan gabungan akan kekuatan, stabilitas, dan kemampuan bentuk.

Kembali ke blog