Aluminium 2004: Komposisi, Sifat, Panduan Temper & Aplikasi

Gambaran Umum Lengkap

Alloy 2004 merupakan anggota dari seri 2xxx paduan aluminium, yaitu paduan yang mengandung tembaga dan dapat diperkuat melalui perlakuan panas yang diformulasikan terutama untuk kekuatan tinggi yang dikombinasikan dengan ketangguhan yang wajar. Seri 2xxx biasanya menukar ketahanan korosi alami demi sifat mekanik yang lebih tinggi; 2004 mengikuti tren ini sebagai paduan Al–Cu dengan kekuatan sedang hingga tinggi yang berada di antara kemampuan seri 2xx dan 7xx yang lebih tua.

Elemen paduan utama dalam 2004 adalah tembaga sebagai penguat utama, dengan penambahan terkendali magnesium dan mangan untuk membantu pengerasan presipitasi dan pengendalian struktur butir, serta elemen jejak seperti krom dan titanium untuk mengendalikan rekristalisasi. Mekanisme penguatan utamanya adalah pengerasan presipitasi (age hardening) setelah perlakuan panas larut dan pendinginan cepat, meskipun pengerasan kerja terbatas juga dapat memodifikasi sifat dalam kondisi temper tertentu.

Sifat kunci 2004 meliputi kekuatan spesifik tinggi, kemampuan mesin yang baik, dan ketahanan lelah yang wajar untuk aplikasi struktural. Ketahanan korosi bersifat sedang dan biasanya lebih rendah dibandingkan paduan seri 5xxx dan 6xxx kecuali dilindungi dengan pelapisan atau coating; kemampuan lasnya cukup menantang dibandingkan paduan yang tidak dapat diberi perlakuan panas dan memerlukan pemilihan kawat las khusus serta perlakuan pra/pasca pengelasan untuk menghindari pelunakan zona terpengaruh panas (HAZ). Industri khas yang menggunakan 2004 adalah dirgantara untuk fitting dan elemen struktural, motorsport dan otomotif performa tinggi untuk komponen yang mengutamakan berat dan kekuatan, serta beberapa aplikasi rekayasa umum yang membutuhkan kemampuan mesin yang tinggi.

Insinyur memilih 2004 ketika dibutuhkan rasio kekuatan-berat yang lebih tinggi dibandingkan paduan komersial umum dengan tetap mempertahankan ketahanan lelah dan kemampuan mesin yang baik, serta saat desain dapat menoleransi atau mengurangi ketahanan korosi yang lebih rendah. Paduan ini dipilih dibandingkan seri 7xxx dalam situasi di mana ketangguhan patahan dan kemudahan pembuatan (mesin/bentuk) diprioritaskan daripada kekuatan puncak tertinggi mutlak.

Varian Temper

Temper	Tingkat Kekuatan	Elongasi	Kemampuan Bentuk	Kemampuan Las	Catatan
O	Rendah	Tinggi (12–20%)	Sangat Baik	Sangat Baik	Sepenuhnya dianil, duktualitas maksimum
H14	Sedang-Rendah	Sedang (8–12%)	Baik	Cukup	Dikeraskan ringan untuk kekuatan sedang
T3	Sedang-Tinggi	Sedang (6–12%)	Cukup	Buruk–Cukup	Perlakuan panas larut, dikeraskan dingin, diaging alami
T4	Sedang	Sedang (8–14%)	Baik	Buruk–Cukup	Perlakuan panas larut dan diaging alami
T6	Tinggi	Rendah–Sedang (6–10%)	Terbatas	Buruk	Perlakuan panas larut dan diaging buatan untuk kekuatan puncak
T7	Sedang	Rendah–Sedang (6–12%)	Lebih Baik dari T6	Buruk	Daging lebih lama (over-aged) untuk peningkatan ketahanan SCC dan stabilitas dimensi
T651	Tinggi	Rendah–Sedang (6–10%)	Terbatas	Buruk	T6 dengan relaksasi tegangan melalui peregangan untuk meminimalkan residual

Temper memiliki pengaruh kuat terhadap keseimbangan antara kekuatan dan duktualitas; temper O dan H memaksimalkan kemampuan bentuk namun mengorbankan kekuatan tarik. Temper kekuatan puncak seperti T6 menghasilkan kekuatan luluh dan tarik tertinggi tetapi mengurangi elongasi dan kemampuan bentuk dingin, serta meningkatkan kerentanan terhadap pelunakan zona las kecuali prosedur khusus dilakukan.

Komposisi Kimia

Elemen	Rentang %	Catatan
Si	0.10–0.50	Silicon dijaga rendah untuk meminimalkan intermetalik rapuh; meningkatkan pengecoran bila ada
Fe	0.10–0.70	Besi adalah impuritas yang membentuk intermetalik dan mengurangi duktualitas
Mn	0.20–1.00	Manganese memperhalus struktur butir dan meningkatkan kekuatan serta ketangguhan
Mg	0.10–0.80	Magnesium membantu kinetika presipitasi dan kekuatan akhir bersama Cu
Cu	3.0–5.0	Elemen penguat utama; meningkatkan kekuatan dan mengurangi ketahanan korosi
Zn	0.05–0.30	Seng dijaga rendah agar tidak membentuk perilaku seri 7xxx
Cr	0.05–0.35	Krom membantu kontrol rekristalisasi dan meningkatkan ketahanan korosi tegangan
Ti	0.01–0.20	Titanium digunakan sebagai perbaikan butir pada metalurgi ingot dan produk cor
Lainnya	0.15 maksimum gabungan	Meliputi V, Zr, dan sisa; dikontrol ketat untuk mempertahankan sifat

Tembaga adalah elemen paduan dominan dalam 2004 dan mengendalikan respon pengerasan presipitasi melalui pembentukan fase Al2Cu dan fase metastabil terkait selama proses aging. Magnesium dan mangan memodifikasi kinetika presipitasi dan struktur butir untuk meningkatkan ketangguhan dan mengurangi kejadian partikel intermetalik kasar. Penambahan kecil Cr dan Ti digunakan untuk mengontrol rekristalisasi dan menjaga ukuran butir stabil selama pemrosesan termomekanik.

Sifat Mekanik

Dalam perilaku tarik, 2004 menunjukkan ketergantungan kuat terhadap temper: kondisi dianil memberikan elongasi baik dan kekuatan sedang yang sesuai untuk pembentukan, sedangkan perlakuan tipe T6 menghasilkan kekuatan tarik akhir jauh lebih tinggi dan peningkatan kekuatan luluh yang sesuai. Kekuatan luluh pada 2004 yang diberi perlakuan panas meningkat secara substansial akibat distribusi presipitat halus, dan material ini biasanya menunjukkan respons pengerasan regangan yang relatif datar setelah presipitat terbentuk.

Elongasi bervariasi dari duktulitas tinggi pada temper O hingga duktilitas sedang pada temper peak-aged, mempengaruhi batas pembentukan dan ketahanan inisiasi retak lelah. Kekerasan berkorelasi dengan kondisi aging: material dianil memiliki kekerasan rendah, sedangkan T6 dapat mencapai tingkat kekerasan tinggi khas paduan Al–Cu kelas dirgantara, yang bermanfaat untuk ketahanan aus tetapi bisa menghambat pembentukan dingin.

Kinerja lelah 2004 umumnya baik untuk kelas kekuatannya ketika perhatian khusus diberikan pada finishing permukaan dan perlindungan korosi; adanya lubang korosi dapat secara dramatis mengurangi umur lelah. Efek ketebalan signifikan: penampang tebal biasanya memiliki mikrostruktur lebih kasar setelah pembekuan dan memerlukan siklus perlakuan panas yang disesuaikan agar sifat seragam sepanjang penampang.

Sifat	O/Dianil	Temper Kunci (misal T6)	Catatan
Kekuatan Tarik	180–280 MPa	350–480 MPa	Nilai peak-aged T6 tergantung pada keseimbangan Cu/Mg dan suhu/waktu aging
Kekuatan Luluh	80–150 MPa	250–400 MPa	Peningkatan substansial dari proses solutionizing dan aging buatan
Elongasi	12–20%	6–10%	Pertrade-off antara kekuatan dan duktualitas; bergantung ketebalan
Kekerasan	40–70 HB	110–150 HB	Nilai Brinell mendekati kisaran tipikal untuk penampang dan temper

Sifat Fisik

Sifat	Nilai	Catatan
Density	~2.78 g/cm³	Agak lebih tinggi dari aluminium murni karena kandungan tembaga
Melting Range	~500–640 °C	Rentang solidus-liquidus bergantung pada komposisi dan elemen paduan
Thermal Conductivity	~110–130 W/m·K	Lebih rendah dari aluminium murni; kandungan tembaga mengurangi konduktivitas
Electrical Conductivity	~28–38 % IACS	Berarti berkurang dibandingkan aluminium murni dan seri 1xxx
Specific Heat	~0.88 J/g·K (880 J/kg·K)	Tipikal untuk paduan aluminium pada suhu ruang
Thermal Expansion	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Koefisien sedikit lebih rendah dibandingkan beberapa paduan seri 5xxx

Penambahan tembaga mengurangi baik konduktivitas termal maupun listrik dibandingkan dengan aluminium murni, namun 2004 masih mempertahankan konduktivitas termal yang cukup tinggi untuk banyak aplikasi pendinginan atau manajemen termal. Density-nya lebih tinggi dibandingkan paduan aluminium rendah paduan tetapi tetap memberikan rasio kekuatan-berat yang menguntungkan jika dibandingkan dengan banyak paduan ferrous.

Perluasan termal adalah tipikal paduan aluminium dan harus diperhitungkan dalam rakitan multi-material untuk menghindari konsentrasi tegangan termal. Rentang lebur menginformasikan jendela perlakuan panas dan pertimbangan brazing/pengelasan; perlakuan larut dilakukan di bawah solidus untuk mencegah leleh awal.

Bentuk Produk

Bentuk	Ketebalan/Ukuran Tipikal	Perilaku Kekuatan	Temper Umum	Catatan
Plat Tipis	0,2–6,0 mm	Keseragaman baik pada ketebalan tipis setelah perlakuan T4/T6	O, H14, T3, T4, T6	Banyak digunakan untuk komponen yang dibentuk dan dikerjakan mesin
Plat Tebal	6–150 mm	Membutuhkan waktu larutan lebih lama; risiko inti yang lunak	O, T4, T6	Bagian tebal perlu perlakuan khusus agar tidak terjadi gradien kekerasan melewati ketebalan
Ekstrusi	Profil hingga penampang besar	Cukup baik; respons penuaan tergantung pada penampang	O, T4, T6	Desain mati ekstrusi penting untuk aliran homogen; kontrol butiran juga penting
Tabung	Dinding 1–20 mm	Mirip perilaku ekstrusi; varian cold-worked memungkinkan	O, T4, T6	Digunakan untuk pipa struktural dan fitting yang dikerjakan mesin
Batang/Gagang	Diameter hingga 200 mm	Kemudahan pengolahan mesin tinggi; pola dipengaruhi oleh riwayat billet	O, T6	Dihasilkan melalui ekstrusi atau pengecoran direct chill; digunakan untuk penempaan dan komponen mesin

Plat tipis dan produk tipis adalah bentuk paling umum untuk 2004, memungkinkan perlakuan larutan yang efektif dan quenching cepat untuk mengunci larutan padat supersaturasi. Plat tebal dan ekstrusi besar memerlukan waktu rendam lebih lama dan media quench terkendali untuk menghindari lunaknya inti; ini mempersulit perlakuan panas dan dapat membatasi sifat mekanik yang dicapai pada penampang sangat tebal.

Batang dan gagang yang ditujukan untuk pemesinan presisi tinggi sering dipasok dalam temper T6 atau T651 untuk memberikan stabilitas dimensi dan kekerasan tinggi guna operasi tooling. Tabung dan ekstrusi digunakan ketika kaku profil dan pemesinan lokal diperlukan, dan pemilihan temper menyeimbangkan kemampuan bentuk selama fabrikasi dengan kekuatan akhir yang dibutuhkan.

Grade Setara

Standar	Grade	Wilayah	Catatan
AA	2004	USA	Penamaan dalam keluarga Aluminum Association; berbasis komposisi
EN AW	—	Europe	Setara langsung EN AW-2004 jarang ditemukan; 2024 atau 2014 sering digunakan sebagai substitusi fungsional
JIS	—	Japan	Tidak ada setara langsung JIS yang luas; aplikasi serupa biasanya memakai paduan kelas 2014/2024
GB/T	—	China	Paduan lokal mungkin ada namun 2004 tidak distandarisasi secara menyeluruh di semua wilayah

Setara lintas-standar langsung untuk 2004 jarang karena standar nasional cenderung lebih memilih paduan yang lebih umum seperti 2014 dan 2024 pada keluarga Al–Cu. Jika membutuhkan komposisi dan kontrol proses yang tepat, engineer biasanya menetapkan komposisi AA2004 dari Aluminum Association dan tempernya. Ketika standar mensyaratkan nomor EN, JIS, atau GB/T, 2014 atau 2024 sering dirujuk sebagai alternatif terdekat secara fungsional dengan catatan bahwa sifat mekanik dan perilaku korosi akan berbeda.

Ketahanan Korosi

Ketahanan korosi atmosferik 2004 moderat namun lebih rendah dibandingkan paduan seri 5xxx dan 6xxx; paparan tanpa proteksi di lingkungan industri atau laut yang agresif dapat menyebabkan pitting dan korosi antar butir, terutama dalam kondisi perlakuan panas di mana presipitat kaya Cu memfokuskan serangan. Pelapisan dengan aluminium murni atau aplikasi pelapis organik/anorganik yang tahan lama adalah praktik umum untuk melindungi komponen struktural pada layanan korosif.

Dalam lingkungan laut, 2004 harus digunakan dengan hati-hati kecuali cukup dilindungi; zona rendaman atau percikan mempercepat korosi lokal dan mengurangi umur lelah. Untuk paparan air laut, paduan seri 5xxx dan pelapisan anodik seringkali lebih unggul dibanding 2004. Dalam banyak aplikasi dirgantara dan kelautan di mana paduan Al–Cu diperlukan untuk kekuatan, pelapisan korban, anodizing, atau proteksi katodik dipakai untuk memperpanjang masa pakai.

Retak korosi tegangan (SCC) menjadi perhatian pada paduan Al–Cu ketika tegangan tarik dan agen korosif berinteraksi, terutama pada kondisi puncak penuaan. Overaging (T7) dapat meningkatkan ketahanan SCC dengan mengorbankan kekuatan puncak melalui pemasakan presipitat dan pengurangan kopel galvani lokal. Dalam kopel galvani, 2004 bersifat anodis terhadap baja tahan karat dan katodis terhadap aluminium murni tergantung kondisi lokal; pemilihan material dan isolasi harus diperhatikan untuk menghindari percepatan korosi.

Dibandingkan keluarga paduan lain, 2004 mengorbankan ketahanan korosi demi kekuatan dibanding seri 5xxx dan 6xxx, namun menawarkan kekuatan dan kemampuan pemesinan superior dibanding seri 1xxx dan 3xxx. Oleh karena itu, pemilihan harus mempertimbangkan perlakuan permukaan dan siklus pemeliharaan saat memilih 2004 untuk penggunaan luar ruangan jangka panjang atau di lingkungan laut.

Sifat Fabrikasi

Kemampuan Las

Pengelasan 2004 cukup menantang karena paduan Al–Cu rentan terhadap retak panas dan pelunakan HAZ yang signifikan akibat pelarutan presipitat penguat. Pengelasan fusi (MIG/TIG) harus dilakukan dengan hati-hati; paduan pengisi seperti 4043 atau pengisi Al–Cu khusus dapat digunakan tergantung kebutuhan performa mekanik dan korosi, tetapi kekuatan sambungan biasanya lebih rendah daripada bahan dasar dan zona lunak HAZ umum terjadi. Untuk struktur kritis, perekat, pengikat mekanik, atau pengelasan friction stir (FSW) dianjurkan guna mempertahankan sifat mekanik dan menghindari kehilangan signifikan pada daerah terpengaruh panas.

Kemudahan Pemesinan

2004 biasanya memiliki kemudahan pemesinan yang baik dibanding banyak paduan aluminium kekuatan tinggi lain karena kemampuannya membentuk serpihan pendek yang terkontrol serta kekuatan tinggi yang mendukung pemotongan stabil. Alat potong carbide dengan setup kaku dan geometri rake positif direkomendasikan, dengan kecepatan potong sedang hingga tinggi serta pendingin yang cukup untuk menghindari built-up edge. Hasil permukaan setelah pemesinan bisa sangat baik, dan perawatan pelunakan tegangan atau penuaan pasca-pemesinan dapat diterapkan untuk mengembalikan atau menstabilkan sifat jika diperlukan.

Kemampuan Bentuk

Formabilitas dingin 2004 sangat tergantung temper: temper O dan H cocok untuk operasi pembentukan kompleks dengan radius tekukan relatif kecil, sementara temper T6 dan puncak penuaan lain memiliki kemampuan bentuk dingin terbatas dan batas regangan tekuk lebih rendah. Radius tekuk minimum harus ditentukan secara eksperimental, tetapi aturan praktisnya, plat tipis temper O dapat ditekuk sampai 1–2× ketebalan tanpa retak, sedangkan T6 mungkin memerlukan radius 3–6× ketebalan atau pra-pemanasan/annealing untuk hasil serupa.

Perilaku Perlakuan Panas

Sebagai paduan Al–Cu yang dapat diperlakukan panas, 2004 merespon baik perlakuan larutan konvensional diikuti quenching dan penuaan buatan untuk mengembangkan kekuatan puncak. Suhu larutan tipikal sekitar 495–510 °C dengan waktu menyesuaikan ketebalan penampang untuk mencapai homogenisasi solut penuh tanpa melewati titik leleh lokal. Quenching cepat ke air atau media quench polimer terkendali diperlukan untuk menjaga supersaturasi agar penuaan berikutnya efektif.

Penuaan buatan untuk temper T6 biasanya dilakukan pada suhu 160–190 °C selama 6 hingga 24 jam tergantung penampang dan keseimbangan sifat yang diinginkan; perlakuan penuaan memicu fasa metastabil seperti θ' (Al2Cu) yang bertanggung jawab atas kekuatan. Penuaan alami (T3/T4) menghasilkan kekerasan sedang dalam beberapa hari pada suhu ruang namun tidak mencapai puncak tingkat penuaan buatan. Overaging (T7) pada suhu lebih tinggi atau waktu lebih lama memperbesar ukuran presipitat, mengurangi kekuatan namun meningkatkan ketahanan terhadap retak oleh korosi tegangan dan stabilitas dimensi.

Jalur penguatan tanpa perlakuan panas (penguatan kerja) terbatas pada 2004 karena sebagian besar kekuatan berasal dari presipitat; namun, pekerjaan dingin terkontrol sebelum atau setelah perlakuan larutan bisa menyesuaikan sifat pada beberapa temper. Annealing penuh mengembalikan keuletan dan menghilangkan pengerasan hasil kerja sebelumnya untuk memudahkan operasi pembentukan.

Performa Suhu Tinggi

2004 mengalami penurunan kekuatan signifikan pada suhu tinggi karena fasa presipitat melarut atau membesar sehingga efektivitas pengerasan presipitasi menurun. Di atas sekitar 150 °C layanan berkelanjutan akan mempercepat overaging dan menurunkan kekuatan luluh serta kekuatan tarik secara terukur; untuk layanan struktural berkelanjutan suhu maksimum konservatif biasanya dibatasi pada 100–120 °C agar sebagian besar sifat mekanik terjaga.

Oksidasi di udara minimal berkat oksida pelindung aluminium, tetapi paparan lama pada suhu tinggi dapat mendorong pembentukan skala dan mempercepat pertumbuhan presipitat. Pada daerah las atau zona terpengaruh panas, kombinasi siklus termal dan suhu layanan tinggi dapat memperparah pelunakan dan mengurangi umur lelah. Untuk aplikasi struktural suhu tinggi, paduan nikel atau baja dan paduan aluminium khusus suhu tinggi umumnya lebih disukai.

Aplikasi

Industri	Contoh Komponen	Alasan Penggunaan 2004
Otomotif	Bracket struktural, subframe performa	Kekuatan per berat tinggi dan kemampuan mesin yang baik untuk komponen presisi
Kelautan	Fitting, elemen struktural tanpa perendaman	Kelebihan kekuatan saat dilindungi/dilapisi; digunakan di zona dengan kondisi kurang agresif
Aerospace	Fitting, komponen gear pendaratan (tidak kritis)	Kekuatan spesifik tinggi dan ketahanan kelelahan setelah perlakuan penuaan
Elektronik	Heat sink, dudukan struktural	Konduktivitas termal baik dikombinasikan dengan kemampuan mesin

2004 digunakan ketika kekuatan yang lebih tinggi dan kemudahan pemesinan membenarkan perlindungan korosi tambahan atau ketika komponen terlindungi dari lingkungan paling keras. Keseimbangan antara sifat mekanik dan kemudahan pemesinan membuatnya menarik untuk komponen presisi yang diproduksi dalam volume sedang.

Wawasan Pemilihan

Pilih 2004 saat prioritas desain menekankan pada kekuatan tinggi yang dipadukan dengan kemampuan mesin yang sangat baik dan ketika korosi dapat diatasi dengan pelapisan, cladding, atau lingkungan yang terkontrol. Material ini sangat cocok untuk bagian struktural yang dimesin dan dimana penguatan dengan perlakuan panas diperlukan untuk memenuhi kebutuhan beban.

Dibandingkan dengan aluminium murni komersial (1100), 2004 menawarkan kekuatan jauh lebih besar namun dengan konduktivitas listrik yang menurun dan kemampuan bentuk umum yang lebih rendah. Dibandingkan dengan paduan kerja keras seperti 3003 atau 5052, 2004 memberikan kekuatan tarik dan luluh lebih tinggi dengan mengorbankan ketahanan korosi dan kemampuan las. Dibandingkan dengan paduan yang dapat diperlakukan dengan panas seperti 6061 atau 6063, 2004 sering memberikan kekuatan puncak lebih tinggi pada kondisi temper tertentu dan kemampuan mesin yang lebih baik, sehingga menjadi pilihan saat kekuatan lebih tinggi dan kinerja kelelahan spesifik lebih penting daripada ketahanan korosi superior atau keseimbangan korosi-las dari aluminium-magnesium-silikon.

Aturan praktis pemilihan: gunakan 2004 untuk komponen mesin atau yang diperlakukan penuaan berkeuatan tinggi dimana pelindung permukaan memungkinkan; gunakan paduan 5xxx/6xxx untuk aplikasi kelautan/arsitektur yang terekspos dimana ketahanan korosi dan kemampuan las menjadi faktor utama.

Ringkasan Penutup

Paduan 2004 tetap menjadi pilihan teknik yang relevan ketika respons pengerasan presipitasi memberikan rasio kekuatan-terhadap-berat yang menguntungkan dan kemampuan mesin yang sangat baik, dengan catatan perancang harus mengatasi keterbatasan ketahanan korosi dan pengelasan melalui perlindungan permukaan serta metode perakitan yang sesuai.