Aluminium 2219: Komposisi, Sifat, Panduan Temper & Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Gambaran Komprehensif
Alloy 2219 adalah anggota seri 2xxx dari paduan aluminium-tembaga yang dirancang khusus untuk aplikasi dengan kekuatan tinggi dan dapat menjalani perlakuan panas. Unsur paduan utamanya adalah tembaga (Cu ≈ 5,8–6,8 wt%), dengan penambahan terkendali mangan, titanium, dan elemen jejak untuk memperbaiki struktur butir dan meningkatkan performa mekanik. Mekanisme penguatan untuk 2219 adalah pengerasan presipitasi (dapat dipanaskan): perawatan pelarutan diikuti dengan quenching dan penuaan buatan atau alami menghasilkan presipitat halus Al2Cu (θ′/θ) yang secara signifikan meningkatkan kekuatan luluh dan tarik.
Ciri utama 2219 meliputi kekuatan spesifik yang tinggi, ketangguhan patahan yang baik terutama pada suhu kriogenik, dan kemampuan las yang relatif baik untuk paduan yang mengandung Cu jika digunakan logam pengisi yang tepat. Ketahanan korosi sedang; paduan ini lebih rentan terhadap serangan lokal dibandingkan banyak paduan seri 5xxx yang mengandung Mg, namun dapat dilindungi dengan pelapis, lapisan pelindung, atau margin korosi. Keformabilitasan baik dalam kondisi annealed dan menjadi terbatas pada temper puncak (peak-aged); pemesinan dan fabrikasi khas paduan aluminium berkekuatan tinggi yang digunakan dalam aplikasi struktural.
Industri yang umum menggunakan 2219 adalah penerbangan dan dirgantara (tangki bahan bakar, tangki kriogenik, struktur utama), kriogenika, perangkat misil dan antariksa, serta bejana tekan khusus. Desainer memilih 2219 dibandingkan paduan lain ketika dibutuhkan kombinasi kekuatan tinggi, kemampuan las, dan ketangguhan pada suhu rendah serta keunggulan kekakuan spesifik relatif terhadap berat dari sistem Al-Cu dibandingkan material alternatif.
Variasi Temper
| Temper | Tingkat Kekuatan | Elongasi | Keformabilitasan | Keberlasan | Catatan |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Rendah | Tinggi | Istimewa | Istimewa | Fully annealed; duktalitas dan keformabilitasan maksimum |
| T3 | Sedang | Sedang | Baik | Baik | Perawatan pelarutan, dikerjakan dingin, penuaan alami |
| T6 | Tinggi | Rendah-Sedang | Terbatas | Sedang | Perawatan pelarutan, penuaan buatan untuk kekuatan puncak |
| T8 | Tinggi | Rendah-Sedang | Terbatas | Sedang | Perawatan pelarutan, dikerjakan dingin, penuaan buatan |
| T87 | Tinggi | Rendah-Sedang | Terbatas | Sedang | Perawatan pelarutan, pelepasan tegangan dengan peregangan, penuaan buatan; temper umum di industri penerbangan |
| T351 | Sedang-Tinggi | Sedang | Cukup | Baik | Perawatan pelarutan, pelepasan tegangan dengan peregangan, penuaan alami |
Temper memiliki pengaruh utama terhadap kekuatan dan duktalitas pada 2219 karena presipitat kaya tembaga yang terbentuk selama penuaan mengontrol kekuatan luluh dan tarik maksimum. Bahan annealed (O) digunakan untuk pembentukan dan penarikan, sedangkan varian T6/T87 dipilih untuk bagian struktural yang memerlukan kekuatan maksimum dan tegangan sisa terkendali.
Temper yang berbeda juga memengaruhi kemampuan las dan respons HAZ; kondisi penuaan akan mengalami pelunakan lokal di zona pengaruh panas (HAZ) sementara temper annealed dan penuaan alami menunjukkan sifat yang lebih seragam setelah pengelasan. Pemilihan temper harus menyeimbangkan proses pembentukan, kekuatan bukti yang diperlukan, dan urutan pengelasan atau penyambungan yang diantisipasi.
Komposisi Kimia
| Elemen | Rentang % | Catatan |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0,20 | Kontrol impuritas; Si tinggi menurunkan ketangguhan |
| Fe | ≤ 0,30 | Impuritas umum; dapat membentuk intermetalik yang mengurangi duktalitas |
| Mn | 0,2–0,4 | Kontrol struktur butir dan penguatan |
| Mg | ≤ 0,10 | Rendah; bukan elemen penguat utama di 2219 |
| Cu | 5,8–6,8 | Elemen penguat utama (presipitasi Al2Cu) |
| Zn | ≤ 0,25 | Minor; penguatan larutan padat terbatas |
| Cr | ≤ 0,10 | Jejak; dapat memengaruhi rekristalisasi |
| Ti | 0,02–0,10 | Pemurni butir untuk pengecoran dan produk tempa |
| Lainnya | Sisa Al, elemen jejak ≤0,05 masing-masing | Termasuk V, Zr tergantung praktik pabrik |
Tembaga adalah unsur paduan dominan dan menentukan sifat yang dapat dipanaskan dari 2219; presipitasi pada penuaan bertanggung jawab atas kekuatan paduan. Mangan dan jejak titanium bertindak utama sebagai pengendali mikrostruktur yang membatasi pertumbuhan butir selama siklus panas, meningkatkan ketangguhan dan ketahanan kelelahan. Batas terkendali silikon dan besi meminimalkan intermetalik keras yang dapat membuat material menjadi rapuh dan menurunkan performa kelelahan.
Sifat Mekanik
2219 menunjukkan ketergantungan kuat pada sifat tarik terhadap temper dan ketebalan; paduan mencapai kekuatan tarik dan luluh tinggi pada temper puncak tetapi kehilangan duktalitas dibandingkan kondisi annealed. Pada kondisi T6/T87, paduan biasanya menunjukkan kekuatan luluh dan UTS tinggi yang sesuai untuk anggota struktural utama, sementara material annealed digunakan jika prioritas adalah pembentukan atau ketangguhan benturan. Perilaku kelelahan bergantung pada hasil permukaan, tegangan sisa, dan kekerasan lokal; 2219 yang berbutir halus dan diproses baik menawarkan umur kelelahan yang dapat diterima untuk bagian detail penerbangan.
Kekerasan berkorelasi dengan kondisi penuaan: kondisi O memiliki kekerasan Brinell atau Rockwell rendah, sedangkan kondisi T6/T87 meningkatkan kekerasan secara signifikan karena populasi presipitat θ′ yang padat. Efek ketebalan juga nyata: plat dan ekstrusi tebal memerlukan waktu perawatan pelarutan yang lebih lama untuk menghomogenkan dan melarutkan fase kaya Cu, serta laju pendinginan selama quenching dapat menyebabkan variasi sifat sepanjang ketebalan. Untuk struktur pengelasan, pelunakan HAZ sering menjadi faktor pembatas kekuatan lokal dan harus dipertimbangkan dalam desain serta perlakuan purna-las.
Ketangguhan patahan 2219 umumnya lebih baik dibandingkan banyak paduan Al-Cu berkekuatan tinggi lainnya, yang membantu pada aplikasi kriogenik dan tangki yang mengalami beban siklik; keunggulan ketangguhan berasal dari kimia terkendali dan proses termomekanik yang menghindari intermetalik kasar.
| Properti | O/Annealed | Temper Utama (misalnya T6/T87) | Catatan |
|---|---|---|---|
| Kekuatan Tarik (UTS) | ~200–260 MPa | ~380–440 MPa | Nilai berubah tergantung ketebalan dan perlakuan panas; lembaran untuk penerbangan biasanya mendekati ujung atas rentang |
| Kekuatan Luluh | ~70–130 MPa | ~300–350 MPa | Kekuatan luluh pada temper puncak sesuai untuk struktur utama |
| Elongasi | ~20–30% | ~8–16% | Duktalitas turun signifikan pada penuaan puncak |
| Kekerasan (HB) | ~30–55 HB | ~80–115 HB | Kekerasan meningkat sesuai respons penuaan dan kepadatan presipitat |
Sifat Fisik
| Properti | Nilai | Catatan |
|---|---|---|
| Density | 2,84 g/cm³ | Tipikal untuk paduan aluminium-tembaga tempa; kekuatan spesifik baik |
| Rentang Leleh | Solidus ≈ 500–515 °C; Liquidus ≈ 635–655 °C | Paduan menurunkan titik solidus dari aluminium murni dan memperlebar rentang leleh |
| Konduktivitas Termal | ~120–140 W/m·K | Lebih rendah dari aluminium murni karena kandungan tembaga; masih tinggi dibandingkan baja |
| Konduktivitas Listrik | ~28–34 % IACS | Menurun dibandingkan aluminium lebih murni dan paduan kaya Mg |
| Kalor Jenis | ~0,89–0,92 J/g·K | Kalor jenis khas paduan aluminium pada suhu ruang |
| Ekspansi Termal | ~23–24 ×10^-6 /K | Koefisien khas untuk paduan aluminium tempa |
Sifat fisik mencerminkan kompromi antara penambahan tembaga untuk penguatan mekanik dan keunggulan aluminium untuk densitas dan konduktivitas. Konduktivitas termal dan listrik berkurang relatif terhadap aluminium murni namun tetap menguntungkan untuk desain pembuang panas dan struktur termal dibandingkan logam ferus. Koefisien ekspansi termal serupa dengan paduan aluminium lain, sehingga ketidaksesuaian dengan komposit atau baja harus diatasi dalam rakitan material ganda.
Bentuk Produk
| Bentuk | Ketebalan/Ukuran Tipikal | Perilaku Kekuatan | Temper Umum | Catatan |
|---|---|---|---|---|
| Sheet (Pelat Tipis) | 0,5–6,4 mm | Keseragaman yang baik pada ketebalan tipis | O, T3, T351, T87 | Sheet aerospace sering dipasok dalam temper T87 untuk kulit dan panel struktural |
| Plate (Pelat Tebal) | 6 mm – 150+ mm | Kekuatan bervariasi sesuai ketebalan; pelat tebal memerlukan perlakuan panas yang panjang | O, T6, T87 | Penampang tebal butuh perlakuan larutan lama dan pendinginan terkontrol |
| Extrusion (Ekstrusi) | Profil sampai penampang besar | Anisotropi mekanik mungkin terjadi; kekuatan puncak serupa setelah perlakuan panas | O, T3, T6 | Desain die ekstrusi harus mempertimbangkan degradasi kekuatan pada suhu tinggi terbatas |
| Tube (Tabung) | Dinding tipis sampai dinding tebal | Baik untuk aplikasi tekanan dan kriogenik | O, T6, T87 | Tabung las dan tanpa sambungan digunakan dalam tangki kriogenik dan saluran pipa |
| Bar/Rod (Batang/Batang Bundar) | Ø beberapa mm – 200 mm | Sifat homogen jika perlakuan panas dilakukan dengan benar | O, T6 | Umum digunakan untuk fitting struktural dan pengikat yang diproses mesin |
Perbedaan proses antar bentuk terutama berfokus pada aliran panas, kecepatan pendinginan, dan tegangan sisa. Sheet dan ekstrusi ber-dinding tipis mencapai sifat lebih seragam setelah pendinginan dan penuaan, sedangkan pelat dan ekstrusi besar harus diproses dengan waktu rendam lama dan teknik pendinginan khusus agar terhindar dari segregasi dan gradasi kekerasan. Pilihan aplikasi mencerminkan keterbatasan proses ini: komponen ketebalan tipis dipilih ketika kekuatan seragam tinggi dan daya tahan terhadap kelelahan sangat penting, sedangkan bagian tebal mungkin membutuhkan inspeksi lebih dan proses pascaperlakuan panas.
Grade Setara
| Standar | Grade | Wilayah | Catatan |
|---|---|---|---|
| AA | 2219 | USA | Penunjukan utama menurut standar Aluminium Association |
| EN AW | 2219 (EN AW-AlCu) | Europe | Kimia setara dipasarkan dalam keluarga numerik yang sama tapi toleransi bisa berbeda |
| JIS | A2219 | Japan | Varian JIS mengikuti kimia nominal serupa dengan perbedaan spesifikasi regional |
| GB/T | 2219 | China | Grade GB/T ada dengan komposisi serupa; toleransi proses dan pengujian dapat bervariasi |
Meski angka “2219” digunakan di beberapa standar, terdapat perbedaan halus dalam level impuritas yang diizinkan, pengujian bentuk produk, dan praktik sertifikasi antar wilayah. Spesifikasi Eropa dan Jepang dapat mencakup kriteria penerimaan yang berbeda untuk sifat mekanik, respons perlakuan panas, dan pengujian nondestruktif untuk kualifikasi aerospace. Saat membeli komponen kritis, insinyur harus memverifikasi komposisi bersertifikat, kondisi temper dan riwayat proses dari pabrik pembuat, bukan hanya mengandalkan nama grade.
Ketahanan Korosi
Di lingkungan atmosfer, 2219 memiliki ketahanan korosi umum sedang selama perlakuan permukaan yang sesuai diaplikasikan. Kandungan tembaga membuat paduan ini lebih rentan terhadap korosi lokal (pitting dan serangan antarbutir) dibandingkan dengan paduan seri 5xxx yang kaya Mg, sehingga pelapisan pelindung, cladding atau proteksi katodik umum digunakan pada desain kelautan atau layanan korosif.
Perilaku kelautan memerlukan perhatian: 2219 yang tidak terlindungi di lingkungan kaya klorida akan lebih cepat mengalami korosi lokal dibandingkan paduan 5xxx atau 6xxx. Perancangan yang tepat untuk menghindari celah, pemilihan pengikat yang kompatibel, dan finishing pasca fabrikasi (anodizing, cladding, atau pelapisan konversi) mengurangi risiko keausan selama paparan air laut. Retak korosi tegangan (SCC) menjadi perhatian untuk paduan Al-Cu kekuatan tinggi; 2219 dapat mengalami SCC pada kondisi tarik dan korosif, terutama ketika tegangan tarik sisa mendekati kekuatan luluh.
Interaksi galvanik dengan material lebih mulia (baja tahan karat, paduan tembaga) bisa mempercepat serangan lokal pada 2219 jika kontak listrik dan elektrolit ada. Dibanding paduan 6xxx (Al-Mg-Si), 2219 menukar ketahanan korosi dengan kekuatan lebih tinggi dan ketangguhan kriogenik, sehingga membutuhkan strategi kontrol korosi yang lebih agresif di lingkungan agresif.
Properti Fabrikasi
Kemampuan Pengelasan
2219 termasuk yang lebih mudah dilas dari keluarga Al-Cu bila menggunakan filler alloy yang sesuai seperti AA2319 (Al-6Cu) yang disesuaikan kimia untuk mengurangi retak panas. Pengelasan fusi (GTAW/TIG, GMAW/MIG) umum digunakan untuk sheet, pelat, dan perakitan tangki maupun vessel; pengendalian prosedur las penting untuk membatasi porositas dan mengontrol distorsi. HAZ pada temper puncak akan mengalami pelunakan akibat pelarutan dan pembesaran presipitat; penuaan buatan pasca las atau pemilihan temper T87/T351 dapat mengurangi kehilangan properti sisa.
Kemudahan Mesin
2219 dapat dimesin dengan cukup baik untuk paduan aluminium kekuatan tinggi, dengan indeks kemudahan mesin yang umumnya lebih rendah dibanding aluminium yang mudah dikerjakan, tapi dapat diterima dengan tooling carbide dan setup kaku. Kontrol serpihan yang baik, sudut rake positif, dan kecepatan potong sedang meminimalkan pembentukan tepi tumpul dan pengerasan di antarmuka alat. Penggunaan coolant memperpanjang umur alat dan mengontrol suhu agar menghindari smeared dan galling saat operasi mesin berkecepatan tinggi.
Kemampuan Bentuk
Kemampuan bentuk sangat baik dalam kondisi annealed (O) dan menurun pada temper puncak di mana duktibilitas terbatas; drawing dalam dan pembengkokan kompleks sebaiknya dilakukan dalam kondisi O atau T3. Radius bengkok minimum tipikal tergantung ketebalan dan temper, namun untuk aplikasi sheet metal, radius dalam sebesar 1–2× ketebalan dalam kondisi O adalah praktik umum; radius lebih konservatif digunakan pada temper T6/T87. Pembentukan dingin setelah perlakuan panas memungkinkan untuk penyesuaian deformasi ringan, tapi operasi pembentukan besar sebaiknya dilakukan sebelum penuaan buatan akhirnya untuk menghindari retak.
Perilaku Perlakuan Panas
2219 adalah paduan Al-Cu yang klasik dapat diperlakukan panas dimana perlakuan larutan, pendinginan cepat, dan penuaan mengontrol kondisi presipitasi dan kekuatan. Suhu perlakuan larutan tipikal berkisar 510–535 °C dengan waktu rendam cukup untuk melarutkan fase kaya tembaga dan menghomogenkan komposisi pada penampang tipis; pendinginan harus cepat untuk mempertahankan Cu dalam larutan padat. Jadwal penuaan buatan (misalnya, 160–190 °C selama beberapa jam) menghasilkan presipitat θ′ halus yang bertanggung jawab atas kekuatan puncak pada temper T6 dan terkait; variasi profil waktu-suhu menghasilkan temper T8, T87 dan temper lain yang diarahkan untuk pelepasan tegangan dan stabilitas dimensi di aerospace.
Transisi temper penting: overstretching, penuaan alami tidak terkendali, atau pendinginan lambat menghasilkan presipitasi kasar yang menurunkan kekuatan luluh dan ketangguhan. Perlakuan panas pasca las jarang dapat dilakukan pada perakitan besar, oleh karena itu perancang menggunakan pemilihan temper dan strategi pengendalian panas lokal untuk mengelola pelunakan HAZ. Untuk annealing atau pelunakan, paparan suhu tinggi di atas 300 °C dalam periode lama akan menyebabkan overage dan pelunakan saat presipitat membesar.
Performa Suhu Tinggi
Pada suhu tinggi, 2219 menunjukkan penurunan progresif kekuatan luluh dan tarik seiring presipitat θ′ melarut atau membesar; penurunan signifikan terlihat di atas kurang lebih 150–200 °C tergantung lama paparan. Untuk penggunaan berkelanjutan, perancang biasanya membatasi suhu operasi jauh di bawah suhu penuaan buatan tipikal guna mempertahankan sifat mekanik dan menghindari overaging. Oksidasi terbatas oleh terbentuknya film pelindung Al2O3, tetapi korosi suhu tinggi di atmosfer agresif (sulfidasi atau mengandung klorida) bisa menjadi masalah dan mungkin memerlukan cladding atau pelapisan pelindung.
Zona terdampak panas di sekitar las sangat sensitif terhadap paparan termal, di mana pelunakan dan pertumbuhan butir dapat menurunkan tegangan yang diizinkan secara lokal; aplikasi dengan siklus termal memerlukan kualifikasi hati-hati dan mungkin perlu perlakuan stabilisasi pasca fabrikasi untuk mengendalikan perubahan sifat.
Aplikasi
| Industri | Contoh Komponen | Mengapa 2219 Digunakan |
|---|---|---|
| Aerospace | Tangki bahan bakar kriogenik, pressure vessel, fitting fuselage | Kekuatan terhadap berat yang sangat baik, ketangguhan retak pada suhu rendah, kemudahan las dengan filler yang cocok |
| Marine / Kriogenik | Tangki LNG dan penyimpanan kriogenik, pipa | Performa suhu rendah yang baik dan kemudahan las pada sistem tekanan tertutup |
| Defense / Ruang Angkasa | Selongsong motor misil, tangki kendaraan peluncur | Kekuatan spesifik tinggi dan keandalan di bawah beban siklik dan termal |
| Industri / Mesin | Rangka struktural kekuatan tinggi, fixture tooling | Kekuatan dan kemudahan mesin untuk komponen kritis yang sensitif terhadap bobot |
| Elektronik | Rumah presisi dan penyebar panas | Konduktivitas termal yang wajar dan kemudahan mesin untuk komponen termal kelas menengah |
2219 tetap dipilih ketika desain mengutamakan paduan kekuatan tinggi yang mudah dilas dengan performa kriogenik dan ketahanan kelelahan terbukti. Kombinasi ketangguhan, kemudahan las (dengan filler sesuai), dan respons presipitasi yang dapat diprediksi menjadikannya pilihan utama pada hardware tekanan aerospace dan aplikasi industri khusus.
Wawasan Pemilihan
Gunakan 2219 ketika kekuatan tinggi yang dikombinasikan dengan kemampuan pengelasan dan ketangguhan patah yang baik—terutama pada suhu rendah—lebih penting daripada ketahanan korosi maksimum atau konduktivitas listrik. Pilih annealed (O) untuk langkah pembentukan dan ubah menjadi T6/T87 ketika kekuatan struktural dan ketahanan terhadap deformasi tarik menjadi persyaratan utama.
Dibandingkan dengan aluminium murni komersial (misalnya, 1100), 2219 mengorbankan konduktivitas listrik dan termal serta kemampuan pembentukan untuk kekuatan dan ketangguhan patah yang jauh lebih tinggi, sehingga kurang sesuai jika performa listrik atau pembentukan dingin secara ekstensif menjadi kebutuhan utama. Dibandingkan dengan paduan kerja keras umum (misalnya, 3003, 5052), 2219 menawarkan kekuatan yang jauh lebih tinggi tetapi biasanya ketahanan korosi yang lebih rendah dan kemampuan pembentukan yang sedikit lebih buruk; pilih 2219 ketika kekuatan struktural lebih penting daripada kebutuhan akan ketahanan lingkungan yang unggul.
Dibandingkan dengan paduan yang dapat perlakuan panas umum (misalnya, 6061/6063), 2219 mungkin memberikan ketangguhan patah dan performa kriogenik yang lebih baik meskipun kekuatan puncak umur tempernya sebanding atau sedikit lebih rendah; paduan ini dipilih ketika karakteristik paduan aluminium-tembaga (terutama ketangguhan dan kemampuan pengelasan dengan bahan pengisi Al-Cu) lebih cocok dengan kondisi layanan dibandingkan paduan Al-Mg-Si.
Ringkasan Penutup
Paduan 2219 tetap menjadi aluminium teknik yang sangat relevan karena matriks yang dapat perlakuan panas dan diperkuat Cu yang memberikan kombinasi menguntungkan antara kekuatan spesifik tinggi, kemampuan pengelasan dengan bahan pengisi yang sesuai, dan ketangguhan superior pada suhu rendah. Untuk aplikasi aerospace, kriogenik, dan struktur yang menahan tekanan di mana atribut tersebut lebih penting dibandingkan kompromi ketahanan korosi dan konduktivitas, 2219 terus menjadi pilihan material yang tepat dan opsi tangguh untuk kondisi layanan yang menuntut.