Cara Meningkatkan Konduktivitas Termal Paduan Aluminium?

Konduktivitas termal tinggi intrinsik aluminium adalah salah satu atribut paling berharga untuk aplikasi perpindahan panas dan manajemen termal.

Aluminium murni menunjukkan konduktivitas termal ~237 W/(m · k) pada 25 ° C., tetapi paduan komersial biasanya berkisar dari 80 ke 200 Dengan/(m · k) tergantung pada komposisi dan pengolahannya.

Meningkatkan konduktivitas termal paduan aluminium memerlukan pendekatan yang ditargetkan berdasarkan empat faktor inti yang mempengaruhi: komposisi paduan, perlakuan panas, praktik peleburan, dan proses pembentukan.

Artikel ini secara sistematis menganalisis mekanisme di balik setiap faktor dan mengusulkan strategi berbasis bukti untuk mengoptimalkan kinerja termal, dengan fokus pada penerapan industri dan kelayakan teknis.

1. Mengoptimalkan Komposisi Paduan: Meminimalkan Degradasi Konduktivitas Termal

Elemen paduan adalah penentu utama aluminium konduktivitas termal paduan, karena mengganggu transpor elektron dan fonon—dua mekanisme utama perpindahan panas pada logam.

Dampak setiap unsur bergantung pada kelarutannya, ikatan kimia, dan pembentukan fase sekunder.

Untuk meningkatkan konduktivitas termal, optimasi komposisi harus memprioritaskan pengurangan unsur-unsur berbahaya dan menyeimbangkan sifat fungsional (MISALNYA., kekuatan, resistensi korosi) dengan efisiensi perpindahan panas.

Mekanisme Pengaruh Elemen Paduan

Konduktivitas termal pada aluminium didominasi oleh mobilitas elektron: cacat kisi, atom terlarut, dan fase sekunder menghamburkan elektron, meningkatkan ketahanan termal.

Pengamatan utama dari studi metalurgi:

• Unsur yang Sangat Merugikan: Kromium (Cr), litium (Li), dan mangan (M N) membentuk senyawa intermetalik yang stabil (MISALNYA., Al₆Mn, AlCr₂) dan menyebabkan distorsi kisi yang parah.
  Bahkan 0.5 wt.% Cr mengurangi konduktivitas termal aluminium murni sebesar 40–50%, ketika 1 wt.% Li menurunkannya ~35% (Data ASM Internasional).
• Elemen Cukup Merugikan: Silikon (Dan), magnesium (Mg), dan tembaga (Cu) adalah elemen paduan umum yang menyeimbangkan kekuatan dan kemampuan proses.
  Dampaknya bergantung pada konsentrasi: 5 wt.% Si mengurangi konduktivitas termal hingga ~160 W/(m · k), ketika 2 wt.% Cu menurunkannya menjadi ~200 W/(m · k) (dibandingkan dengan Al murni 237 Dengan/(m · k)).
• Elemen Dampak yang Dapat Diabaikan: Antimon (SB), kadmium (CD), timah (Sn), dan bismut (Dua) mempunyai kelarutan rendah dalam aluminium (<0.1 wt.%) dan tidak membentuk fase sekunder yang kasar.
  Menambah hingga 0.3 % berat elemen ini tidak memiliki pengaruh terukur terhadap konduktivitas termal, membuatnya cocok untuk memodifikasi properti lainnya (MISALNYA., kemampuan mesin) tanpa mengorbankan perpindahan panas.

Strategi Optimasi Komposisi

• Minimalkan Elemen Berbahaya: Kontrol ketat Cr, Li, dan Mn konten untuk <0.1 wt.% untuk paduan dengan konduktivitas termal tinggi. Misalnya, menggantikan 1 wt.%
  Mn dengan 0.5 wt.% Mg dalam paduan seri 6xxx dapat meningkatkan konduktivitas termal dari 150 ke 180 Dengan/(m · k) sambil mempertahankan kekuatan yang sebanding.
• Optimalkan Paduan Fungsional: Untuk seri 5xxx (Al-mg) paduan, batasi Mg hingga 2–3% berat untuk mencapai keseimbangan konduktivitas termal (~180–200 W/(m · k)) dan resistensi korosi.
  Untuk seri 6xxx (Al-mg-si) paduan, gunakan Si:Rasio Mg dari 1.5:1 (MISALNYA., 0.6 berat% Si + 0.4 berat% Mg) membentuk endapan Mg₂Si halus, yang memiliki dampak minimal pada transpor elektron.
• Memanfaatkan Paduan Jejak: Tambahkan 0,1–0,2% berat Sb atau Sn untuk meningkatkan kemampuan pengecoran dan mengurangi keretakan panas tanpa menurunkan konduktivitas termal.
  Hal ini sangat berguna untuk paduan aluminium dengan kemurnian tinggi (99.9%+ Al) digunakan dalam manajemen termal.

Studi kasus: Paduan Seri 6xxx Konduktivitas Tinggi

Sebuah dimodifikasi 6063 paduan dengan Fe tereduksi (0.1 wt.%) dan Mn (0.05 wt.%) dan mengoptimalkan Si (0.5 wt.%)/Mg (0.3 wt.%) mencapai konduktivitas termal sebesar 210 Dengan/(m · k)—20% lebih tinggi dari standar 6063 (175 Dengan/(m · k))—sambil mempertahankan kekuatan luluh 140 MPa (cocok untuk aplikasi ekstrusi seperti heat sink).

2. Menyesuaikan Perlakuan Panas: Mengurangi Distorsi Kisi dan Mengoptimalkan Struktur Mikro

Perlakuan panas mengubah struktur mikro paduan aluminium (MISALNYA., keadaan solusi padat, distribusi endapan, integritas kisi), secara langsung mempengaruhi hamburan elektron dan konduktivitas termal.

Tiga proses perlakuan panas utama—anil, pendinginan, dan penuaan—memberikan efek berbeda pada kinerja termal.

Mekanisme Pengaruh Perlakuan Panas

• Pendinginan: Pendinginan cepat (100–1000 °C/detik) dari suhu larutan (500–550 ° C.) membentuk larutan padat lewat jenuh, menyebabkan distorsi kisi yang parah dan peningkatan hamburan elektron.
  Hal ini mengurangi konduktivitas termal sebesar 10–15% dibandingkan dengan keadaan as-cast.
  Misalnya, quenched 6061-T6 memiliki konduktivitas termal ~167 W/(m · k), vs.. 180 Dengan/(m · k) untuk paduan as-anil.
• Anil: Pemanasan hingga 300–450 °C dan ditahan selama 1–4 jam akan mengurangi distorsi kisi, mendorong pengendapan atom terlarut menjadi fase sekunder halus, dan mengurangi hamburan elektron.
  Anil penuh (420 ° C untuk 2 jam) dapat memulihkan konduktivitas termal sebesar 8–12% pada paduan yang dipadamkan.
• Penuaan: Penuaan alami atau buatan (150–200 °C selama 4–8 jam) membentuk endapan yang koheren (MISALNYA., Mg₂Si dalam paduan 6xxx), yang memiliki dampak lebih kecil pada konduktivitas termal dibandingkan distorsi kisi.
  Penuaan buatan 6061-T651 (penuaan pasca pendinginan) menghasilkan konduktivitas termal ~170 W/(m · k)—sedikit lebih tinggi dari T6 karena berkurangnya regangan kisi.

Strategi Optimasi Perlakuan Panas

• Prioritaskan Annealing untuk Konduktivitas Tinggi: Untuk aplikasi yang kinerja termalnya sangat penting (MISALNYA., Lampiran elektronik), gunakan anil penuh untuk memaksimalkan konduktivitas termal.
  Misalnya, anil 5052-H32 (bekerja dingin) pada 350 ° C untuk 3 jam meningkatkan konduktivitas termal dari 170 ke 190 Dengan/(m · k) dengan menghilangkan cacat kisi yang disebabkan oleh pekerjaan dingin.
• Pendinginan dan Penuaan Terkendali: Untuk paduan yang memerlukan kekuatan dan konduktivitas termal (MISALNYA., Komponen Otomotif), menggunakan proses penuaan dua langkah: pra-penuaan di 100 ° C untuk 1 jam diikuti oleh penuaan utama pada 180 ° C untuk 4 jam.
  Ini terbentuk dengan baik, endapan terdistribusi secara merata dengan distorsi kisi minimal, menyeimbangkan kekuatan luluh (180–200 MPa) dan konduktivitas termal (160–175 W/(m · k)) dalam paduan seri 6xxx.
• Hindari Pendinginan Berlebihan: Gunakan tingkat pendinginan sedang (50–100 °C/detik) untuk komponen berpenampang tebal guna mengurangi distorsi kisi sekaligus memastikan retensi zat terlarut yang cukup untuk penuaan.
  Pendekatan ini menjaga konduktivitas termal di dalamnya 5% keadaan anil sambil mencapai kekuatan target.

Contoh: Peningkatan Konduktivitas Termal di 7075 Paduan

Standar 7075-T6 memiliki konduktivitas termal ~130 W/(m · k) karena tingginya Cu (2.1–2,9% berat) dan Zn (5.1–6,1% berat) isi.

Perlakuan panas yang dimodifikasi (Solusi Annealing at 475 ° C untuk 1 jam, Pendinginan udara, dan penuaan buatan di 120 ° C untuk 8 jam) peningkatan konduktivitas termal menjadi 145 Dengan/(m · k) dengan mengurangi distorsi kisi dan membentuk endapan Al₂CuMg yang lebih halus.

3. Mengoptimalkan Praktek Peleburan: Mengurangi Gas, Inklusi, dan Cacat

Kondisi peleburan—termasuk metode pemurnian, kontrol suhu, dan penghilangan kotoran—berdampak langsung pada kebersihan paduan aluminium (kandungan gas, inklusi non-logam) dan integritas mikrostruktur.

Gas (MISALNYA., H₂) dan inklusi (MISALNYA., Al₂o₃, MgO) bertindak sebagai penghalang termal, mengurangi efisiensi perpindahan panas dengan menghamburkan fonon dan mengganggu aliran elektron.

Mekanisme Pengaruh Peleburan

• Kandungan Gas: Hidrogen terlarut (H₂) membentuk porositas selama pemadatan, menciptakan rongga yang mengurangi konduktivitas termal.
  Kandungan hidrogen sebesar 0.2 mL/100g Al dapat menurunkan konduktivitas termal sebesar 5–8% (Data Masyarakat Pengecoran Amerika).
• Inklusi Non-Logam: Oksida (Al₂o₃), karbida, dan silikat bertindak sebagai cacat titik, hamburan elektron dan fonon.
  Inklusi lebih besar dari 5 μm sangat merugikan—mengurangi konduktivitas termal sebesar 10–15% pada paduan dengan >0.5 vol.% konten inklusi.
• Suhu leleh: Suhu yang terlalu tinggi (>780 ° C.) meningkatkan pembentukan oksida dan kelarutan hidrogen, sementara suhu <680 °C menyebabkan pencairan dan segregasi yang tidak sempurna.
  Kedua skenario menurunkan konduktivitas termal.

Strategi Optimasi Peleburan

• Suhu Peleburan Terkendali: Pertahankan suhu leleh 700–750 °C untuk meminimalkan penyerapan gas dan pembentukan oksida.
  Kisaran ini menyeimbangkan fluiditas (penting untuk casting) dan kebersihan untuk sebagian besar paduan aluminium tempa dan cor.
• Pemurnian yang Efektif: Gunakan kombinasi NaCl-KCl (1:1 perbandingan) sebagai agen penutup (2–3% berat lelehan) untuk mencegah oksidasi dan hexachloroethane (C₂Cl₆) sebagai agen pemurnian (0.1–0,2% berat) untuk menghilangkan inklusi hidrogen dan non-logam.
  Hal ini mengurangi kandungan hidrogen menjadi <0.1 mL/100g Al dan konten inklusi ke <0.2 jilid%.
• Aditif Dewaxing dan Degassing: Gabungkan 0,1–0,3% berat kalsium fluorida (CaF₂), karbon aktif, atau natrium klorida (NaCl) untuk mengurangi porositas dan inklusi oksida.
  Aditif ini mendorong flotasi inklusi dan melepaskan gas yang terperangkap, meningkatkan konduktivitas termal sebesar 8–10%.
• Peleburan Vakum untuk Kemurnian Tinggi: Untuk aplikasi dengan konduktivitas ultra tinggi (MISALNYA., manajemen termal ruang angkasa), menggunakan peleburan vakum (10⁻³–10⁻⁴ Pa) untuk mengurangi kandungan hidrogen menjadi <0.05 mL/100g Al dan menghilangkan kontaminan atmosfer.
  Meleleh secara vakum 1050 aluminium mencapai konduktivitas termal sebesar 230 Dengan/(m · k)—97% dari nilai teoritis aluminium murni.

Validasi Industri

Sebuah pabrik pengecoran yang memproduksi 356 paduan aluminium untuk kepala silinder otomotif menerapkan praktik peleburan yang dioptimalkan (720 suhu °C, Bahan penutup NaCl-KCl, dan pemurnian C₂Cl₆).

Paduan yang dihasilkan memiliki kandungan hidrogen sebesar 0.08 mL/100g Al dan kandungan inklusi 0.15 jilid%, menyebabkan peningkatan konduktivitas termal dari 150 ke 168 Dengan/(m · k)—12% lebih tinggi dari proses sebelumnya.

4. Meningkatkan Proses Pembentukan: Memperbaiki Struktur Mikro dan Mengurangi Cacat

Proses pembentukan (MISALNYA., ekstrusi, bergulir, penempaan) memodifikasi struktur mikro paduan aluminium dengan mengurangi cacat pengecoran (MISALNYA., porositas, pemisahan, butiran kasar) dan meningkatkan keseragaman.

Penempaan dan ekstrusi, secara khusus, efektif dalam meningkatkan konduktivitas termal dengan menyempurnakan ukuran butir dan menghilangkan ketidakhomogenan mikrostruktur.

Mekanisme Pembentukan Pengaruh

• Ekstrusi: Deformasi plastis tinggi (rasio ekstrusi 10:1 ke 50:1) memecah inklusi yang berkerumun, memadat porositas, dan mendorong rekristalisasi butiran kasar menjadi butiran halus, butiran seragam (10–50 μm).
  Hal ini mengurangi hamburan elektron dan meningkatkan transportasi fonon, meningkatkan konduktivitas termal sebesar 10–15% dibandingkan dengan keadaan as-cast.
• Penggulungan/Penempaan: Mirip dengan ekstrusi, proses ini mengurangi segregasi dan memurnikan biji-bijian.
  Misalnya, Rolling dingin 1100 aluminium (99.0% Al) dengan a 70% rasio reduksi memurnikan ukuran butir dari 100 μm (as-cast) ke 20 μm, meningkatkan konduktivitas termal dari 220 ke 230 Dengan/(m · k).
• Pengurangan Cacat: Proses pembentukan menghilangkan cacat pengecoran (MISALNYA., Porositas penyusutan, segregasi dendritik) yang bertindak sebagai penghalang termal.
  Porositas yang padat dan inklusi yang rusak mengurangi ketahanan termal, memungkinkan perpindahan panas yang lebih efisien.

Membentuk Strategi Optimasi Proses

• Ekstrusi Deformasi Tinggi: Gunakan rasio ekstrusi ≥20:1 untuk paduan aluminium cor untuk mencapai rekristalisasi penuh dan struktur butiran yang seragam.
  Misalnya, mengekstrusi 6063 paduan dengan a 30:1 rasio peningkatan konduktivitas termal dari 175 (as-cast) ke 205 Dengan/(m · k) dengan mengurangi ukuran butir dari 80 ke 15 μm.
• Suhu Ekstrusi Terkendali: Ekstrusi pada suhu 400–450 °C untuk menyeimbangkan rekristalisasi dan pertumbuhan butiran.
  Suhu yang lebih tinggi (>480 ° C.) menyebabkan butiran menjadi kasar, sementara suhu lebih rendah (<380 ° C.) meningkatkan ketahanan deformasi dan dapat mempertahankan cacat kisi.
• Annealing Pasca Pembentukan: Gabungkan ekstrusi/penggulungan dengan anil suhu rendah (300–350 °C untuk 1 jam) untuk menghilangkan sisa stres dan lebih menyempurnakan biji-bijian.
  Langkah ini dapat meningkatkan konduktivitas termal sebesar 5–8% tambahan pada paduan yang mengalami deformasi tinggi.

Studi kasus: Diekstrusi 5052 Paduan untuk Penukar Panas

Sebagai pemeran 5052 paduan memiliki konduktivitas termal sebesar 175 Dengan/(m · k) dengan 2% porositas dan butiran kasar (70 μm).

Setelah ekstrusi (perbandingan 25:1, 420 ° C.) dan anil (320 ° C untuk 1 jam), paduan yang dipamerkan 0.5% porositas, butiran halus (25 μm), dan konduktivitas termal sebesar 198 Dengan/(m · k)—13% lebih tinggi dari status as-cast.

5. Rekayasa permukaan: tuas praktis paling efektif untuk heat sink

Untuk unit pendingin dan perangkat keras termal eksternal, emisivitas permukaan sering mengontrol pembuangan panas total bersamaan dengan konveksi.

Dua fakta praktis untuk digunakan:

• Inframerah jauh (POHON CEMARA) / pelapis dengan emisivitas tinggi: cat khusus atau pelapis berbahan dasar keramik ini diformulasikan untuk memancarkan radiasi inframerah termal secara efisien (biasanya 3–20 µm).
  Mereka meningkatkan emisivitas permukaan hingga ≈0,9 dan dengan demikian meningkatkan kehilangan panas radiasi secara dramatis pada suhu permukaan sedang hingga tinggi.
• Oksida hitam / anodize hitam / konversi hitam selesai: hasil akhir seperti oksida hitam yang tahan lama (atau anodisasi hitam pada aluminium) meningkatkan emisivitas permukaan jauh di atas logam terang.
  Dalam praktiknya, Lapisan akhir “hitam” menghilangkan lebih banyak panas melalui radiasi daripada alami (reflektif) permukaan aluminium.

Klarifikasi penting: finishing hitam dan pelapis FIR jangan menaikkan konduktivitas termal massal, tapi mereka meningkatkan pembuangan panas efektif sebagian dengan meningkatkan radiasi (dan terkadang kopling konvektif melalui tekstur permukaan).
Pernyataan “oksida hitam menghantarkan panas lebih baik daripada warna alami” hanya benar dalam artian pembuangan panas bersih dari permukaan - bukan berarti k material meningkat.

6. Peta jalan praktis & intervensi yang diprioritaskan

Gunakan pendekatan bertahap yang menargetkan keuntungan terbesar terlebih dahulu:

1. Pilihan paduan: pilih paduan yang paling sedikit, paduan dengan konduktivitas tertinggi yang memenuhi kebutuhan kekuatan/korosi.
2. Latihan meleleh: menerapkan degassing, penutup fluks, filtrasi dan kontrol suhu yang ketat untuk meminimalkan pori-pori dan inklusi.
3. Pemilihan rute casting: lebih memilih proses yang menghasilkan porositas rendah (cetakan permanen, Peras casting, casting investasi dengan vakum) untuk komponen yang kritis terhadap panas.
4. Densifikasi pasca pengecoran: menggunakan HIP untuk aplikasi kritis.
5. Pemrosesan termal: anil atau rancang perawatan penuaan untuk mengendapkan zat terlarut dari larutan jika memungkinkan.
6. Pembentukan: menerapkan ekstrusi/penempaan/penggulungan untuk menutup porositas sisa dan menghomogenkan struktur mikro.
7. Praktek permukaan dan penggabungan: hindari zona las dan warna panas pada jalur panas primer; jika pengelasan diperlukan, rencanakan perawatan lokal untuk memulihkan konduktivitas jika memungkinkan.

7. Rekomendasi penutup

Meningkatkan konduktivitas termal paduan aluminium adalah tugas multidisiplin yang menggabungkan desain paduan, metalurgi leleh, perlakuan panas dan pembentukan.

Mulailah dengan pemilihan materi—hanya kemudian optimalkan kontrol proses (degassing, penyaringan, metode casting), diikuti oleh perlakuan panas dan pemrosesan mekanis untuk menutup cacat dan menyempurnakan struktur mikro.

Dimana konduktivitas merupakan hal yang sangat penting, mengukur target, memerlukan pengujian listrik/termal, dan menerima trade-off yang diperlukan antara kekuatan mekanik, biaya dan kemampuan manufaktur.

FAQ

Apakah oksida hitam meningkatkan konduktivitas termal sebagian besar aluminium??

Tidak — hal ini meningkatkan emisivitas permukaan dan pembuangan panas radiasi. Sebagian besar paduan tidak berubah karena permukaan akhir yang tipis.

Apakah melapisi selalu lebih baik daripada memoles?

Pemolesan mengurangi hambatan konvektif dan menurunkan emisivitas (lebih buruk untuk radiasi). Untuk kinerja heat-sink secara keseluruhan, lapisan hitam dengan ε tinggi biasanya mengalahkan logam yang dipoles kecuali jika radiasi dapat diabaikan dan konveksi mendominasi.

Kapan pelapisan FIR paling efektif??

Dimana suhu permukaan sedang hingga tinggi, dimana konveksi terbatas (aliran udara rendah), dalam lingkungan vakum atau tekanan rendah, atau untuk mengurangi suhu kondisi stabil komponen bahkan di bawah aliran udara.

Referensi

1. ASM International. (2020). Jilid Buku Panduan ASM 2: Properti dan Seleksi: Paduan Nonferrous dan Bahan Tujuan Khusus. ASM International.
2. Masyarakat Pengecoran Amerika. (2018). Buku Pegangan Pengecoran Aluminium. Pers AFS.
3. Zhang, Y., dkk. (2021). Pengaruh elemen paduan dan perlakuan panas terhadap konduktivitas termal paduan aluminium seri 6xxx. Jurnal Teknologi Pengolahan Bahan, 294, 117189.
4. Li, J., dkk. (2022). Pengaruh parameter peleburan dan ekstrusi terhadap konduktivitas termal 5052 Paduan Aluminium. Ilmu dan Teknik Material A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Aluminium dan Paduan Aluminium: Karakteristik, Properti, dan aplikasi. ASM International.
6. Wang Hui. Kemajuan pengembangan dan penelitian paduan aluminium dengan konduktivitas termal tinggi [J]. Pengecoran, 2019, 68(10):1104