Aluminium 3A21: Komposisi, Sifat, Panduan Temper & Aplikasi

Ikhtisar Komprehensif

3A21 adalah anggota seri 3xxx dari paduan aluminium, keluarga Al–Mn yang ditandai dengan mangan sebagai elemen paduan utama. Ini dikategorikan sebagai paduan yang tidak dapat diperlakukan secara termal dan dapat diperkuat dengan pengerasan kerja (strain hardening) melalui pengerjaan dingin, bukan dengan perlakuan panas solusi dan presipitasi.

Komposisi tipikal menempatkan mangan dalam rentang yang mendorong penguatan dengan larutan padat dan pembentukan dispersoid, dengan penambahan Fe, Si, dan unsur jejak yang moderat yang secara halus memengaruhi perilaku pembentukan dan korosi. Paduan ini memberikan keseimbangan antara kekuatan sedang, ketahanan korosi yang baik, serta kemampuan bentuk dan kemampuan las yang sangat baik, menjadikannya menarik untuk komponen lembaran dan bentuk jadi.

Industri yang sering menggunakan 3A21 meliputi fabrikasi umum, trim otomotif, HVAC, peralatan konsumen, dan aplikasi marine ringan di mana diperlukan kekuatan sedang dan kemampuan bentuk yang baik. Engineer memilih 3A21 ketika kombinasi kemampuan pembentukan dingin, kekuatan yang wajar, biaya rendah, dan ketahanan korosi atmosferik yang baik lebih diutamakan daripada kekuatan puncak yang lebih tinggi pada paduan yang dapat diperlakukan secara termal.

Varian Temper

Temper	Tingkat Kekuatan	Elongasi	Kemampuan Bentuk	Kemampuan Las	Catatan
O	Rendah	Tinggi (20–40%)	Istimewa	Istimewa	Sepenuhnya dianiil, keuletan maksimum untuk pembentukan kompleks
H12	Rendah–Sedang	Sedang (10–25%)	Sangat Baik	Istimewa	Pengerasan kerja ringan, mempertahankan kemampuan bentuk yang baik
H14	Sedang	Sedang (8–18%)	Baik	Istimewa	Temper komersial umum untuk kekuatan dan kemampuan bentuk sedang
H16	Sedang–Tinggi	Lebih Rendah (6–14%)	Cukup–Baik	Istimewa	Pengerasan kerja lebih besar, kekuatan luluh lebih tinggi untuk bagian terbentuk
H18	Tinggi	Rendah (3–10%)	Berkurang	Istimewa	Pengerasan komersial hampir maksimum oleh kerja dingin
H111	Rendah–Sedang	Variabel	Baik	Istimewa	Sedikit dikerjakan; digunakan saat penguatan ringan namun kemampuan bentuk dibutuhkan
H112	Sedang	Sedang	Baik	Istimewa	Kondisi pengerasan kerja komersial alternatif

Pengerasan pada paduan seri 3xxx dicapai dengan mengendalikan jumlah pengerjaan dingin; tidak terjadi pengerasan presipitasi berarti dengan perlakuan T6/T651 konvensional. Peralihan dari temper O ke temper H meningkatkan kekuatan luluh dan tarik sambil mengurangi elongasi seragam dan elongasi total, sehingga perancang harus menyeimbangkan kebutuhan pembentukan dan beban kerja dalam layanan.

Kemampuan las tetap istimewa di semua temper ini karena paduan tidak dapat diperlakukan secara termal; namun, area yang sudah dikerjakan dingin dapat menunjukkan pelunakan lokal di zona pengaruh panas las, dan kemampuan bentuk setelah pengelasan bergantung pada pilihan pengerjaan dingin pasca-las atau anil.

Komposisi Kimia

Elemen	Rentang %	Catatan
Si	0.1–0.6	Kontrol kotoran; Si lebih tinggi meningkatkan kemampuan cetak tetapi dapat mengurangi keuletan
Fe	0.2–0.7	Kotoran umum; membentuk intermetalik yang dapat menurunkan keuletan dan kualitas permukaan
Mn	0.6–1.5	Elemen penguatan utama; meningkatkan ketahanan terhadap rekristalisasi dan korosi
Mg	0.05–0.20	Kecil; dapat sedikit membantu kekuatan tapi dipertahankan rendah untuk menjaga kemampuan las
Cu	0.05–0.3	Level rendah dapat meningkatkan kekuatan tapi mengurangi ketahanan korosi
Zn	0.05–0.25	Biasanya rendah; Zn lebih tinggi akan mengarahkan paduan ke perilaku seri 7xxx
Cr	0.05–0.20	Microalloying untuk mengendalikan struktur butir dan meningkatkan ketangguhan
Ti	0.01–0.10	Deoksidator/penghalus butir pada beberapa produk
Lainnya	Sisa Al, residu ≤0.15	Unsur jejak dan kotoran dijaga rendah untuk mengontrol sifat

Kandungan Mn mendominasi perilaku mikrostruktur dengan membentuk dispersoid dan membatasi rekristalisasi selama siklus termal, sehingga mempertahankan kekuatan setelah pembentukan dan paparan termal sedang. Jumlah terkendali Fe dan Si tidak dapat dihindari dan memengaruhi hasil akhir permukaan serta karakteristik pembentukan, sementara Cr dan Ti jejak berguna untuk kontrol butir selama proses pengecoran dan pengerjaan panas.

Sifat Mekanik

Perilaku tarik pada 3A21 khas dari paduan aluminium–mangan yang tidak dapat diperlakukan secara termal: duktile dalam kondisi anil dengan kekuatan luluh relatif rendah dan kekuatan meningkat seiring dengan tingkat pengerjaan dingin. Perilaku titik luluh relatif ringan dibandingkan paduan perekat panas, dan kurva tegangan-regangan menunjukkan elongasi seragam yang substansial pada temper O dan penurunan keuletan secara bertahap pada temper H yang lebih tinggi. Performa lelah umumnya baik untuk komponen dengan permukaan halus, tetapi keberadaan partikel intermetalik dan permukaan kasar dapat menurunkan batas ketahanan lelah.

Kekerasan meningkat dengan pengerasan kerja; kekerasan dalam kondisi anil rendah dan meningkat secara terduga dengan temper H komersial. Ketebalan berpengaruh signifikan: plat tipis mengalami pengerjaan dingin lebih merata dan dapat mencapai kekuatan nyata lebih tinggi setelah penarikan, sedangkan bagian lebih tebal sering menunjukkan penguatan kerja dingin lebih rendah dan kemampuan bentuk lebih berkurang. Paduan ini biasanya memiliki sensitivitas takik sedang dan diuntungkan oleh finishing permukaan yang baik untuk bagian kritis lelah.

Sifat	O/Anil	Temper Kunci (misalnya H14/H16)	Catatan
Kekuatan Tarik	~80–140 MPa	~140–210 MPa	Nilai bergantung pada pengerjaan dingin dan ketebalan; H16/H18 mencapai rentang atas
Kekuatan Luluh	~30–70 MPa	~80–160 MPa	Kekuatan luluh meningkat tajam dengan temper; desain untuk nilai spesifik temper
Elongasi	~25–40%	~5–18%	Keuletan menurun dengan semakin besar pengerasan kerja
Kekerasan (HB)	~20–40 HB	~40–90 HB	Kekerasan Brinell atau Vickers naik dengan angka H dan pengerjaan dingin

Sifat Fisik

Sifat	Nilai	Catatan
Density	2.70–2.73 g/cm³	Agak paduan relatif terhadap Al murni (2.70 g/cm³)
Rentang Leleh	~630–655 °C	Rentang solidus–liquidus bergantung pada unsur paduan minor
Konduktivitas Termal	~120–150 W/m·K	Agak lebih rendah daripada Al murni; cukup untuk penyebaran panas
Konduktivitas Listrik	~28–38 % IACS	Lebih rendah dibanding Al murni dan beberapa paduan 1xxx karena Mn dan kotoran
Kalor Spesifik	~880–910 J/kg·K	Sejajar dengan paduan Al lain untuk rekayasa umum
Koefisien Ekspansi Termal	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Ekspansi termal aluminium tipikal; desain untuk pergerakan termal

Kombinasi antara konduktivitas termal yang relatif tinggi dan densitas rendah membuat 3A21 bermanfaat untuk manajemen termal ringan yang dibutuhkan, tetapi bukan untuk konduktivitas tertinggi. Konduktivitas listrik berkurang akibat paduan dan pengerjaan dingin, sehingga jika performa listrik utama, paduan seri 1xxx yang lebih murni lebih disukai. Ekspansi termal harus diperhitungkan dalam rakitan multi-bahan.

Bentuk Produk

Bentuk	Ketebalan/Ukuran Umum	Perilaku Kekuatan	Temper Umum	Catatan
Sheet (Lembaran)	0,2–6,0 mm	Dapat disuplai dalam temper O atau H, kekuatan meningkat dengan temper	O, H14, H16, H18	Paling banyak digunakan pada komponen dan panel berbentuk
Plate (Pelat)	6–25 mm	Efek pengerjaan dingin lebih rendah, butir kasar jika tidak diproses	O, H111	Digunakan untuk bagian struktural atau machining saat diperlukan penampang lebih tebal
Extrusion (Ekstrusi)	Diameter hingga beberapa ratus mm	Kekuatan tergantung pendinginan pasca-ekstrusi dan pengerjaan dingin	O, H112	Formabilitas terbatas untuk profil tipis kompleks dibandingkan paduan 6xxx
Tube (Tabung)	Tebal dinding 0,5–6,0 mm	Perilaku mirip dengan sheet pada kondisi dinding tipis	O, H14	Umum untuk saluran HVAC dan tabung struktural ringan
Bar/Rod (Batang)	Ø6–150 mm	Pengerjaan dingin dapat meningkatkan kekuatan untuk batang yang ditarik	H12–H18	Digunakan untuk fitting struktural ringan dan komponen

Perbedaan proses sangat signifikan: produk sheet dan dinding tipis mudah mengalami pengerasan regangan sampai mencapai tingkat properti yang dibutuhkan, sementara plate dan ekstrusi tebal menghasilkan peningkatan pengerasan kerja yang lebih rendah dan mungkin memerlukan perlakuan mekanik atau termal pasca-proses untuk mendapatkan properti yang seragam. Oleh karena itu, pilihan bentuk harus mencerminkan temper yang dapat dicapai serta kekuatan dan formabilitas yang dibutuhkan saat digunakan.

Grade Setara

Standar	Grade	Region	Catatan
AA	3003 (sekitar)	USA	Setara dari Aluminum Association dalam komposisi dan perilaku
EN AW	3.0517 / AW-3003	Eropa	Spesifikasi Al–Mn serupa yang digunakan untuk sheet tujuan umum
JIS	A3003	Jepang	Paduan mangan umum yang setara
GB/T	3A21	China	Penamaan lokal; sejalan dengan karakteristik seri 3xxx Al–Mn

Perbedaan halus antar spesifikasi biasanya mencerminkan kontrol lebih ketat terhadap kotoran, kandungan tembaga yang diizinkan, atau batas unsur jejak yang memengaruhi formabilitas dan hasil permukaan. Saat menentukan material untuk pasokan internasional, engineer harus meminta sertifikat kimia dan mekanik untuk memastikan komposisi dan temper yang tepat daripada hanya mengandalkan nama acuan silang.

Ketahanan Korosi

3A21 menunjukkan ketahanan korosi atmosferik umum yang baik khas keluarga 3xxx. Ia membentuk film oksida stabil yang melindungi terhadap lingkungan industri ringan dan pedesaan; di atmosfer pesisir atau kaya klorida tampilannya baik namun memerlukan perhatian desain terkait korosi celah dan area penahan garam.

Paduan ini menunjukkan ketahanan terhadap korosi seragam yang baik dan memiliki kerentanan terbatas terhadap pitting di bawah paparan laut agresif dibandingkan dengan paduan Al–Zn berdaya tahan tinggi. Retak korosi tegangan tidak umum sebagai mode kegagalan untuk paduan 3xxx, dan perhatian utama pada korosi adalah serangan lokal di lingkungan tercemar atau dengan kandungan klorida tinggi.

Interaksi galvanik dengan logam berbeda harus diperhatikan: saat digabungkan dengan material lebih mulia (misalnya tembaga, baja tahan karat) di lingkungan basah, 3A21 dapat berperan sebagai pasangan anodic dan korosi lebih dulu kecuali diisolasi. Terhadap material lebih aktif biasanya berperan sebagai pasangan katodik dan terlindungi; strategi mitigasi umum termasuk pelapisan, penghalang, dan desain pengorbanan.

Properti Fabrikasi

Kemampuan Pengelasan

Perilaku pengelasan 3A21 sangat baik dengan metode fusi konvensional seperti TIG dan MIG. Filler yang direkomendasikan meliputi paduan Al–Si (misalnya 4043) dan Al–Mg (misalnya 5356) tergantung dari keinginan ductility dan ketahanan korosi pada logam las; 4043 sering digunakan untuk meminimalkan risiko retak dan memberikan wetting yang baik. Sensitivitas retak panas rendah dibandingkan paduan yang bisa dipernis lebih lanjut, tetapi perhatian pada pemasangan sambungan dan kebersihan penting untuk menghindari porositas dan inklusi.

Kelulusan Mesin

Pengolahan mesin 3A21 bersifat sedang; secara umum lebih lengket daripada paduan Al yang mudah diproses dan mendapat manfaat dari alat carbide tajam serta pendingin yang sesuai. Kelulusan mesin tipikal lebih rendah dibandingkan dengan paduan Al–Cu seri 2xxx dan casting Al–Si seri 3xx; kecepatan dan laju pemakan harus diatur untuk menghindari built-up edge dan mengendalikan morfologi serpihan. Umur alat memadai dengan carbide berlapis dan strategi high-speed yang diarahkan untuk menghasilkan serpihan kontinu dengan evakuasi memadai.

Formabilitas

Formabilitas adalah salah satu kekuatan 3A21 dalam kondisi annealed (O), memungkinkan pengepresan dalam dan stamping kompleks. Radius lentur minimum tergantung ketebalan sheet dan temper, tetapi temper O biasanya memperbolehkan lenturan sangat ketat (misalnya R ≤ 0,5t dalam banyak kasus) sementara temper H memerlukan radius lebih besar untuk menghindari retak. Pengerjaan dingin meningkatkan kekuatan tapi mengurangi keuletan, sehingga urutan pembentukan sering menyertakan langkah anneal atau pra-regangan terkontrol untuk memenuhi geometri dan performa akhir.

Perilaku Perlakuan Panas

Sebagai paduan non-heat-treatable, 3A21 tidak merespon perlakuan pelarutan dan penuaan presipitasi untuk peningkatan kekuatan signifikan. Upaya perlakuan panas untuk kekuatan terutama memengaruhi struktur butir, anneal, atau peredaan tegangan daripada pengerasan presipitasi. Perlakuan pelarutan diikuti quench hampir tidak berpengaruh dan dapat menyebabkan pertumbuhan butir atau pelunakan yang tidak diinginkan.

Pengerasan kerja melalui deformasi dingin adalah metode utama untuk meningkatkan kekuatan; proses ini stabil dan dapat diprediksi, memungkinkan desainer memilih temper H untuk nilai luluh yang dibutuhkan. Reversion anneal (anneal penuh ke kondisi O) digunakan untuk mengembalikan formabilitas antara operasi pembentukan atau untuk meredakan tegangan sisa setelah pengelasan dan fabrikasi.

Performa Suhu Tinggi

Pada suhu tinggi, 3A21 menunjukkan kehilangan kekuatan progresif yang mulai jauh di bawah kisaran leleh; pelunakan signifikan terjadi di atas sekitar 150–200 °C. Ketahanan creep terbatas dibandingkan paduan aluminium tahan panas dan baja, sehingga pemakaian lama di bawah beban pada suhu tinggi tidak disarankan. Oksidasi minimal di udara pada suhu kerja umum karena lapisan oksida aluminium pelindung, tetapi paparan lama pada suhu tinggi dapat mengubah kondisi permukaan dan sifat mekanik.

Zona terpengaruh panas di sekitar las tidak mengalami pengerasan presipitasi tetapi dapat mengalami anneal lokal dan pertumbuhan butir jika terekspos siklus termal tinggi, yang mengurangi kekuatan lokal. Untuk aplikasi suhu tinggi, paduan aluminium alternatif yang dirancang untuk stabilitas termal atau material non-aluminium sebaiknya dipertimbangkan.

Aplikasi

Industri	Contoh Komponen	Alasan Penggunaan 3A21
Otomotif	Trim, kanal, panel interior	Formabilitas baik, kekuatan memadai, biaya efektif
Kelautan	Bracket struktural ringan, saluran	Ketahanan korosi cukup dan kemudahan fabrikasi
Aerospace	Fitting non-kritis, fairing	Rasio kekuatan-terhadap-berat menguntungkan untuk struktur sekunder
Elektronik	Enclosure, penyebar panas	Konduktivitas termal baik dan kemudahan fabrikasi
Peralatan Konsumen	Peralatan masak, panel	Formabilitas dan ketahanan korosi untuk kontak makanan dan panel eksterior

3A21 sering dipilih untuk aplikasi yang membutuhkan kombinasi pembentukan, pengelasan, kekuatan sedang, dan ketahanan korosi tanpa kerumitan atau biaya paduan yang bisa dipernis. Keseimbangan properti memungkinkan manufaktur efisien dan performa kokoh dalam penggunaan untuk banyak komponen komoditas dan semi-struktural.

Wawasan Pemilihan

Gunakan 3A21 ketika membutuhkan paduan Al–Mn yang tahan lama dan biaya rendah dengan formabilitas dan kemampuan las yang sangat baik dan ketika kekuatan puncak yang bisa dipernis tidak diperlukan. Paduan ini sangat cocok untuk bagian stamping dan drawing sheet, komponen struktural ringan, dan aplikasi yang terekspos lingkungan atmosfer.

Dibandingkan aluminium murni komersial (misalnya 1100), 3A21 menukar konduktivitas listrik dan termal sedikit lebih rendah dengan peningkatan kekuatan yang substansial dan ketahanan deformasi mekanik lebih baik selama pemakaian. Dibandingkan dengan paduan pengerasan kerja lain seperti 3003/5052, 3A21 berada di kisaran performa umum yang sama tetapi mungkin dipilih jika properti terkontrol Mn tertentu atau temper khusus ditentukan; 5052 menawarkan kekuatan lebih tinggi dan ketahanan korosi laut lebih baik karena Mg namun formabilitasnya lebih rendah dibanding 3A21 annealed penuh.

Dibandingkan dengan paduan heat-treatable umum (misalnya 6061), 3A21 memberikan formabilitas superior dan penyambungan lebih mudah dengan biaya lebih rendah, meskipun tidak dapat mencapai kekuatan puncak paduan 6xxx; pilih 3A21 untuk operasi pembentukan kompleks atau saat kemampuan las dan ketahanan korosi diprioritaskan dibanding kekuatan maksimum.

Ringkasan Penutup

3A21 tetap menjadi paduan Al–Mn yang praktis dan banyak digunakan dalam rekayasa modern dimana diperlukan kombinasi yang handal antara kemampuan dibentuk, kemampuan las, ketahanan korosi, dan efisiensi biaya; respons pengerasan kerja yang dapat diprediksi serta karakteristik fabrikasi yang baik membuatnya tetap relevan untuk komponen produksi massal dan semi-struktural.