Silikon adalah elemen paduan terpenting dalam paduan pengecoran aluminium. Lebih dari 85% dari semua coran aluminium diproduksi dari paduan Al-Si — mulai dari velg mobil A356 hingga blok mesin A380. Dominasi ini bukan kebetulan: silikon secara dramatis meningkatkan performa pengecoran sambil menawarkan kombinasi luar biasa antara kekuatan, keuletan, dan ketahanan korosi.
Artikel ini menjelaskan bagaimana kandungan silikon mempengaruhi perilaku ingot paduan aluminium selama pengecoran dan sifat fisik komponen jadi yang dihasilkan. Apakah Anda menentukan ingot untuk pengecoran pasir, cetakan permanen, atau die casting tekanan tinggi, memahami peran silikon sangat penting untuk kontrol kualitas dan biaya.
Mengapa Silikon? Alasan Metalurgi
Silikon ditambahkan ke paduan pengecoran aluminium karena beberapa alasan mendasar:
- Kemampuan cor yang sangat baik: Silikon secara dramatis meningkatkan fluiditas, memungkinkan logam cair mengisi bagian tipis dan geometri cetakan yang kompleks
- Penyusutan rendah: Paduan Al-Si memiliki rentang pembekuan yang sempit (terutama di dekat komposisi eutektik), mengurangi hot tearing dan porositas penyusutan
- Ringan: Silikon (densitas 2,33 g/cm³) lebih ringan dari aluminium (2,70 g/cm³), sehingga kandungan silikon yang lebih tinggi mengurangi berat coran
- Sifat mekanik yang baik: Partikel silikon memperkuat paduan sambil mempertahankan keuletan (terutama ketika dimodifikasi)
- Ketahanan korosi yang sangat baik: Silikon meningkatkan perilaku pasivasi
- Ekspansi termal rendah: Paduan silikon tinggi memiliki koefisien ekspansi termal yang rendah, ideal untuk komponen presisi
Sumbernya: Silikon Logam Kemurnian Tinggi untuk Paduan
Kualitas paduan pengecoran aluminium-silikon dimulai dengan silikon logam yang digunakan sebagai penambahan paduan. Untuk coran aluminium premium, silikon logam kemurnian tinggi sangat penting untuk menghindari masuknya pengotor yang tidak diinginkan yang dapat menurunkan sifat mekanik dan kemampuan cor. Bright Alloys memasok berbagai macam grade silikon logam yang cocok untuk produksi paduan aluminium:
- Silikon Logam Grade 97 (minimum 97% Si) — Pilihan ekonomis untuk paduan pengecoran aluminium tujuan umum di mana kemurnian maksimum tidak diperlukan
- Silikon Logam Grade 331 (99,3% Si) — Grade standar untuk sebagian besar paduan pengecoran aluminium-silikon, menyeimbangkan kemurnian dan biaya
- Silikon Logam Grade 441 (99,1% Si, rendah Fe, Al, Ca) — Lebih disukai untuk coran premium yang membutuhkan kimia yang konsisten dan kandungan besi yang berkurang
- Silikon Logam Grade 553 (98,5% Si) — Banyak digunakan untuk paduan pengecoran standar, menawarkan nilai yang baik untuk produksi volume
- Silikon Logam Grade 1101 (99,7% Si, pengotor ultra-rendah) — Untuk coran kedirgantaraan dan berkinerja tinggi yang menuntut kemurnian dan konsistensi maksimum
Pemilihan grade silikon logam secara langsung berdampak pada tingkat pengotor paduan akhir — terutama besi, kalsium, dan aluminium — yang pada gilirannya mempengaruhi fluiditas pengecoran, respons anodisasi, dan sifat mekanik.
Diagram Fase Al-Si: Hipoeutektik, Eutektik, dan Hipereutektik
Diagram fase aluminium-silikon adalah dasar untuk memahami paduan ini. Fitur utamanya adalah titik eutektik pada 12,6% silikon dan 577°C.
Paduan Hipoeutektik (< 12,6% Si)
Contoh: A356 (7% Si), A357 (7% Si), A319 (6% Si), A356.2 (7% Si)
Mikrostruktur: Dendrit aluminium primer + eutektik Al-Si di daerah interdendritik
Karakteristik: Keuletan yang baik, kombinasi kekuatan dan perpanjangan yang sangat baik, banyak digunakan untuk coran struktural yang membutuhkan kerapatan tekanan dan sifat kelelahan yang baik. Modifikasi dengan strontium atau natrium adalah praktik standar untuk mengubah serpihan silikon asikular menjadi morfologi berserat, meningkatkan keuletan 2-3x.
Paduan Eutektik (12,6% Si)
Contoh: A413 (12% Si), LM6 (12% Si)
Mikrostruktur: Sepenuhnya eutektik — campuran halus aluminium dan silikon
Karakteristik: Fluiditas maksimum, penyusutan minimal, kerapatan tekanan yang sangat baik, ketahanan korosi yang baik. Kemampuan cor terbaik dari semua paduan Al-Si. Kekuatan dan keuletan sedang (ditingkatkan dengan modifikasi). Ideal untuk coran berdinding tipis yang kompleks, komponen hidrolik, dan die casting yang rumit.
Paduan Hipereutektik (> 12,6% Si)
Contoh: A390 (17% Si), A390.1 (17-18% Si), A391 (19% Si)
Mikrostruktur: Kristal silikon primer + eutektik Al-Si
Karakteristik: Ekspansi termal sangat rendah (17-19 ppm/°C), ketahanan aus yang sangat baik, kekerasan tinggi, kekuatan suhu tinggi yang baik. Partikel silikon primer bertindak sebagai fase tahan aus yang keras. Membutuhkan pemrosesan khusus (inokulasi fosfor) untuk memurnikan silikon primer. Menantang untuk dikerjakan (membutuhkan perkakas berlian). Digunakan untuk blok mesin, piston, liner silinder, dan komponen tahan aus.
Pengaruh pada Kinerja Pengecoran
Fluiditas (Aliran Logam Cair)
Fluiditas meningkat seiring dengan kandungan silikon hingga titik eutektik, kemudian menurun. Pada 0% Si, aluminium memiliki fluiditas yang buruk. Pada 7% Si (A356), fluiditas meningkat sekitar 50% dibandingkan aluminium murni. Pada 12% Si (A413), fluiditas mencapai maksimum — sekitar 100% lebih baik dari aluminium murni. Inilah sebabnya mengapa pengecoran berdinding tipis (bagian 1-2 mm) biasanya menggunakan paduan mendekati eutektik.
Kerentanan Retak Panas (Cacat)
Retak panas terjadi ketika logam yang membeku tidak dapat mengakomodasi tegangan kontraksi. Rentang pembekuan yang sempit dari paduan eutektik (hanya ~5°C) meminimalkan retak panas. Paduan hipoeutektik dengan 5-9% Si memiliki kerentanan retak panas menengah. Paduan di bawah 3% Si (misalnya, seri 2xxx) sangat rentan dan jarang dicor dengan pasir atau cetakan permanen.
Penyusutan dan Pengumpanan
Total penyusutan solidifikasi menurun seiring dengan meningkatnya kandungan silikon: Aluminium murni: ~6,6% penyusutan volumetrik. A356 (7% Si): ~4,5% penyusutan. A413 (12% Si): ~3,8% penyusutan. A390 (17% Si): ~3,0% penyusutan. Penyusutan yang lebih rendah berarti riser yang lebih kecil, hasil yang lebih tinggi, dan porositas yang lebih sedikit.
Pengaruh pada Sifat Fisik dan Mekanik
| Properti | Si Rendah (<5%) | Si Sedang (5-9%) | Si Tinggi (12-18%) | Implikasi Praktis |
|---|---|---|---|---|
| Kekuatan tarik (cor-asli) | Rendah (~120-150 MPa) | Baik (~180-240 MPa) | Sedang (~150-200 MPa) | Hipoeutektik menawarkan kekuatan terbaik setelah perlakuan panas (A356-T6: 310 MPa UTS) |
| Elongasi (keuletan) | Tinggi (~10-15%) | Baik (~5-12%) | Rendah (~1-3%) | Si yang lebih tinggi mengurangi keuletan; modifikasi memulihkan sebagian keuletan pada paduan hipoeutektik |
| Kekerasan (Brinell) | Rendah (~30-40 HB) | Sedang (~60-90 HB) | Tinggi (~100-150 HB) | Paduan hipereutektik sangat baik untuk aplikasi aus |
| Densitas (g/cm³) | 2.70-2.71 | 2.67-2.69 | 2.62-2.66 | Penghematan berat 1-3% dari paduan eutektik (menggunakan kemurnian lebih tinggi Grade 441 atau silikon logam 553 membantu menjaga tingkat pengotor rendah sambil mencapai manfaat densitas ini) |
| Koefisien Ekspansi Termal (10⁻⁶/°C) | 23-24 | 21-22 | 17-19 | Si tinggi mengurangi ekspansi termal — penting untuk piston dan komponen presisi |
| Konduktivitas termal (W/m·K) | ~200 | ~150-170 | ~120-140 | Konduktivitas lebih rendah dengan Si lebih tinggi — dapat diterima untuk sebagian besar coran tetapi pertimbangkan untuk penukar panas |
Morfologi Silikon: Cor-Asli vs. Termodifikasi
Bentuk partikel silikon secara dramatis mempengaruhi sifat mekanik. Dalam paduan hipoeutektik yang tidak dimodifikasi, silikon membentuk platelet kasar seperti jarum (acicular) yang bertindak sebagai pemusat tegangan, membatasi keuletan hingga 2-4% elongasi.
Modifikasi (Penambahan 0,005-0,03% Sr atau Na) mengubah silikon acicular menjadi morfologi berserat halus. Hasil: Elongasi meningkat dari 3% menjadi 10-12% (A356). Kekuatan tarik meningkat 15-25%. Umur fatik membaik 2-5x. Ketangguhan patah berlipat ganda. Untuk alasan ini, hampir semua paduan cor Al-Si hipoeutektik dimodifikasi di pengecoran modern. Efektivitas modifikasi sebagian tergantung pada kemurnian sumber silikon — kemurnian tinggi silikon logam Grade 1101 (99,7% Si) meminimalkan pengotor pengganggu yang dapat meracuni reaksi modifikasi.
Paduan Cor Aluminium-Silikon Umum
| Paduan | Si (%) | Tipe | Aplikasi Khas | Properti Utama |
|---|---|---|---|---|
| A356 / A356.2 | 6.5-7.5% | Hipoeutektik | Roda otomotif, komponen suspensi, coran struktural, perlengkapan aerospace | Rasio kekuatan-terhadap-berat yang sangat baik setelah perlakuan panas T6 (310 MPa UTS, 10% elongasi). Paduan cor serba guna terbaik. Memerlukan modifikasi Sr. Hasil terbaik dengan Grade 441 atau silikon logam 331. |
| A357 | 6.5-7.5% | Hipoeutektik | Coran aerospace, otomotif berkinerja tinggi, komponen militer | A356 dengan Mg lebih tinggi (0,5-0,7%) untuk kekuatan lebih tinggi setelah perlakuan panas (345 MPa UTS). Paduan premium. Memerlukan kemurnian tinggi silikon logam Grade 1101 untuk sertifikasi aerospace. |
| A319 | 5.5-6.5% | Hipoeutektik | Kepala silinder mesin, manifold intake, rumah transmisi, pompa | Kekuatan suhu tinggi yang baik, kerapatan tekanan yang sangat baik, kemampuan mesin yang baik. Mengandung Cu (3-4%) untuk kekuatan. |
| A380 | 7.5-9.5% | Hipoeutektik (mendekati eutektik) | Cor die — rumah elektronik, bodi perkakas listrik, braket otomotif, komponen peralatan | Paduan cor die terbaik: fluiditas sangat baik, kekuatan baik, ketahanan korosi baik. 80% cor die aluminium adalah A380. |
| A413 | 11-13% | Eutektik / mendekati eutektik | Cor die berdinding tipis, komponen hidrolik, bentuk rumit, coran kedap tekanan | Fluiditas maksimum, kerapatan tekanan sangat baik, penyusutan minimal. Kekuatan lebih rendah dari A356 tetapi kemampuan cor unggul. |
| A390 | 16-18% | Hipereutektik | Blok mesin (beberapa), piston, liner silinder, komponen kompresor, cincin aus | Ketahanan aus sangat tinggi, ekspansi termal rendah, kekerasan tinggi. Memerlukan penanganan khusus (inokulasi P, perkakas berlian). Kemurnian tinggi Grade 97 atau silikon logam 553 biasanya digunakan untuk paduan silikon tinggi ini. |
Pengaruh Silikon pada Pemrosesan Sekunder
Kemampuan Perlakuan Panas
Paduan hipoeutektik (A356, A357) merespons dengan sangat baik terhadap perlakuan panas T5, T6, dan T7. Perlakuan pelarutan melarutkan endapan Mg₂Si, diikuti dengan penuaan untuk membentuk endapan penguat halus. Paduan eutektik (A413) menunjukkan respons minimal terhadap perlakuan panas (tanpa Mg). Paduan hipereutektik biasanya digunakan dalam kondisi cor-asli (T1) atau dengan penuaan terbatas.
Kemampuan Mesin
Si Rendah (<5%): Lengket, pembentukan serpihan buruk, ujung terbenam. Si Sedang (5-9%): Kemampuan mesin baik dengan perkakas yang tepat. Si Tinggi (12-18%): Abrasif, memerlukan perkakas karbida atau berlian, tetapi menghasilkan permukaan akhir yang sangat baik. Paduan hipereutektik (A390) termasuk paduan aluminium yang paling abrasif tetapi dapat diselesaikan hingga permukaan seperti cermin. Kandungan besi dalam silikon logam (lebih rendah di Grade 441 dan 331) secara signifikan mempengaruhi umur pahat selama operasi pemesinan.
Kemampuan Las
Menurun dengan meningkatnya kandungan silikon. A356/A357 memiliki kemampuan las yang baik (GTAW, GMAW). A380/A413 memiliki kemampuan las yang buruk karena kandungan silikon dan tembaga yang tinggi — tidak direkomendasikan untuk pengelasan struktural.
Panduan Pemilihan Paduan Praktis
Gunakan kerangka keputusan ini untuk memilih paduan cor Al-Si yang optimal untuk aplikasi Anda:
- Perlu keuletan dan kekuatan maksimum setelah perlakuan panas? → A356 atau A357 (6,5-7,5% Si) dengan perlakuan panas T6. Tentukan Grade 441 atau silikon logam 331 untuk hasil optimal.
- Perlu cor die kompleks berdinding tipis dengan sifat cor-asli yang baik? → A380 (8-9% Si) untuk cor die umum; A413 (11-13% Si) untuk dinding tipis ekstrem. silikon logam Grade 553 adalah pilihan standar.
- Perlu ketahanan aus dan ekspansi termal rendah? → A390 (16-18% Si) hipereutektik. silikon logam Grade 97 menawarkan sumber silikon ekonomis untuk paduan silikon tinggi ini.
- Perlu kekuatan suhu tinggi (aplikasi mesin)? → A319 (5,5-6,5% Si) dengan penambahan Cu
- Perlu kerapatan tekanan untuk komponen hidrolik? → A413 (eutektik) atau A356 (dengan pengumpanan hati-hati)
- Perlu sertifikasi kelas aerospace dengan kemurnian maksimum? → A357 dengan silikon logam Grade 1101 (99,7% Si, pengotor sangat rendah)
Studi Kasus: Pemilihan Paduan Roda Otomotif
Seorang produsen roda aluminium cor otomotif mengevaluasi tiga paduan kandidat: A380 (9% Si), A356 (7% Si), dan A413 (12% Si). Persyaratan: kekuatan tinggi untuk keselamatan, keuletan baik untuk ketahanan benturan, permukaan akhir sangat baik untuk daya tarik kosmetik, dan kemampuan untuk mengecor jari-jari tipis (bagian 5 mm). Hasil: A380 menawarkan kemampuan cor yang baik tetapi keuletan terbatas (3-5% elongasi) dan respons perlakuan panas yang buruk. A413 menawarkan kemampuan cor yang sangat baik tetapi kekuatan lebih rendah (200 MPa UTS). A356 dengan modifikasi Sr dan perlakuan panas T6 menghasilkan 310 MPa UTS, 10% elongasi, dan kemampuan cor yang dapat diterima dengan saluran masuk yang tepat. Pengecoran menentukan silikon logam Grade 441 untuk kandungan besi rendahnya yang konsisten, yang meningkatkan keuletan dan konsistensi anodisasi. A356 dipilih — menunjukkan bahwa kemampuan cor terbaik tidak selalu menang; persyaratan properti mendorong pemilihan, dan kualitas silikon logam secara langsung memungkinkan properti tersebut.
Kandungan silikon adalah variabel paling penting dalam desain paduan cor aluminium. Dari A356 hipoeutektik untuk coran struktural hingga A413 eutektik untuk cor die berdinding tipis hingga A390 hipereutektik untuk komponen tahan aus, silikon mengontrol fluiditas, ketahanan retak panas, penyusutan, sifat mekanik, dan perilaku pemrosesan sekunder. Dengan memahami diagram fasa Al-Si dan trade-off yang terkait dengan tingkat silikon yang berbeda, pengecoran dan pembeli coran dapat memilih paduan optimal untuk setiap aplikasi — menyeimbangkan kemampuan cor, biaya, dan kinerja komponen akhir. Fondasi dari setiap cor aluminium-silikon berkualitas adalah silikon logam kemurnian tinggi. Bright Alloys memasok berbagai macam grade silikon logam — Grade 97, 331, 441, 553, dan 1101 — dengan kimia bersertifikat untuk memenuhi persyaratan ketat pengecoran aluminium di seluruh dunia.