Aluminium 4004: Komposisi, Sifat, Panduan Temper & Aplikasi

Gambaran Komprehensif

Alloy 4004 adalah anggota dari seri 4xxx paduan aluminium, yang merupakan komposisi tempa berbasis silikon dalam keluarga Al-Si. Seri 4xxx ditandai oleh silikon sebagai elemen paduan utama, biasanya dikombinasikan dengan tingkat jejak besi, tembaga, mangan, dan impuritas lain untuk menyesuaikan kemampuan pengecoran dan sifat termal.

Mekanisme penguatan nominal untuk 4004 terutama adalah penguatan larutan padat dari silikon dan dispersi fase intermetalik kaya Si; alloy ini sebagian besar tidak dapat perlakuan panas dan mengandalkan pengerasan regangan (operasi temper H) dan pendinginan terkontrol untuk mengatur properti. Ciri utama 4004 meliputi kekuatan sedang hingga baik untuk alloy non-heat-treatable, peningkatan ketahanan aus dan stabilitas termal dibandingkan dengan grade sangat murni, ketahanan korosi baik dalam banyak atmosfer, serta kemampuan las dan bentuk yang umumnya baik.

Industri yang menggunakan alloy seri 4xxx seperti 4004 antara lain otomotif (komponen bodi dan kawat pengisi), peralatan konsumen, pertukaran panas dan elektronik (dimana konduktivitas termal dan kemampuan pengecoran penting), serta transportasi dimana dibutuhkan keseimbangan antara kemampuan pembentukan dan performa termal tinggi. Insinyur memilih 4004 ketika mereka menginginkan stabilitas dimensi pada suhu tinggi atau sifat termal yang lebih baik daripada aluminium murni komersial, namun tanpa biaya atau kompleksitas pemrosesan dari alloy heat-treatable berperforma tinggi.

4004 sering dipilih dibandingkan grade paduan rendah karena menawarkan kompromi pragmatis: kandungan silikon yang lebih tinggi meningkatkan stabilitas suhu tinggi dan mengurangi ekspansi termal sambil mempertahankan perilaku pembentukan dingin dan kemampuan las yang baik. Alloy ini disukai ketika kebutuhan desain adalah kekuatan sedang yang dipadukan dengan konduktivitas termal, pengurangan hot-shortness saat pengelasan atau pembrazingan, serta performa konsisten pada operasi bentuk dan penyambungan.

Varian Temper

Temper	Tingkat Kekuatan	Regangan	Kelulusan Bentuk	Kemampuan Las	Catatan
O	Rendah	Tinggi	Istimewa	Istimewa	Kondisi fully annealed untuk kelenturan maksimum
H12	Rendah-Sedang	Sedang	Sangat Baik	Sangat Baik	Pengerasan regangan ringan, pemulihan bentuk terbatas
H14	Sedang	Sedang-Rendah	Baik	Sangat Baik	Temper pengerjaan dingin umum untuk aplikasi plat
H18	Tinggi	Rendah	Buruk	Baik	Fully hard, digunakan saat sifat pegas diperlukan
T4*	Rendah-Sedang	Sedang	Sangat Baik	Sangat Baik	Kondisi solusian terbatas; kelayakan tergantung komposisi tepat
T5*	Sedang	Sedang-Rendah	Baik	Baik	Diendapkan buatan setelah pendinginan dari pengecoran; potensi pengerasan terbatas
T6*	Sedang	Sedang-Rendah	Moderat	Moderat	Beberapa alloy 4xxx memperlihatkan respons presipitasi terbatas; manfaatnya sedang

Setelah tabel, pemilihan temper untuk 4004 terutama berkisar pada pengerasan kerja versus kondisi anneal, dengan O memberikan kelenturan maksimum dan seri temper H secara bertahap meningkatkan tingkat luluh dan tarik. Jika perlakuan panas minor (tipe T) diterapkan, pengerasan yang dicapai terbatas dibanding alloy heat-treatable 2xxx atau 6xxx dan digunakan terutama untuk menstabilkan mikrostruktur atau meredakan tegangan sisa, bukan untuk peningkatan kekuatan besar.

Komposisi Kimia

Elemen	Rentang %	Catatan
Si	0.7–1.6	Elemen paduan utama; mengontrol penguatan larutan padat dan perilaku termal
Fe	0.2–0.8	Elemen impuritas; membentuk intermetalik yang mempengaruhi kekuatan dan kemampuan mesin
Mn	0.05–0.5	Modifikator struktur butir; meningkatkan kekuatan dan performa korosi secara marginal
Mg	0.02–0.25	Tingkat rendah dapat meningkatkan respons pengerasan kerja; penguatan presipitasi terbatas
Cu	0.02–0.25	Penambahan kecil meningkatkan kekuatan tetapi dapat mengurangi ketahanan korosi bila tinggi
Zn	0.02–0.15	Umumnya rendah; dibatasi untuk menghindari kerapuhan dan kerentanan SCC
Cr	0.01–0.10	Elemen jejak untuk mengontrol struktur butir dan rekristalisasi dalam temper
Ti	0.01–0.10	Penghalus butir ditambahkan dalam jumlah kecil, terutama pada pengecoran atau billet
Lainnya	Sisa Al	Residue dan unsur tramp dikontrol untuk memenuhi spesifikasi mekanik dan korosi

Kombinasi silikon dengan tingkat besi dan mangan sedang mendefinisikan perilaku mekanik dan termal alloy 4004; silikon terutama menurunkan rentang lebur lokal dan meningkatkan kekuatan melalui larutan padat dan pembentukan intermetalik. Unsur jejak seperti Ti dan Cr digunakan untuk menghaluskan ukuran butir, meningkatkan ketangguhan dan kelulusan bentuk, sementara kandungan tembaga atau seng yang tinggi sengaja dipertahankan rendah untuk menjaga ketahanan korosi dan menghindari pengorbanan kemampuan las.

Sifat Mekanik

Perilaku tarik 4004 konsisten dengan alloy Al-Si non-heat-treatable: memberikan kekuatan tarik dan luluh sedang yang dapat ditingkatkan melalui pengerjaan dingin namun tidak mendekati kekuatan puncak alloy yang dapat di-age-harden. Regangan dalam kondisi annealed tinggi, memungkinkan pembentukan kompleks, dan menurun secara prediktabel dengan peningkatan temper H. Kekerasan dan nilai tarik dipengaruhi oleh ketebalan, riwayat proses, dan keberadaan intermetalik kaya silikon yang dapat menguatkan atau berfungsi sebagai titik inisiasi retak di bawah beban siklik.

Performa fatigue memadai untuk banyak aplikasi struktural, tetapi insinyur harus berhati-hati dengan fatigue siklus tinggi bila terdapat lekukan mesin atau cacat las, karena intermetalik silikon dapat memusatkan tegangan. Efek ketebalan signifikan: pelat lebih tipis pengerasan dinginnya lebih merata dan mencapai kekuatan relatif lebih tinggi untuk temper tertentu, sementara bagian tebal mungkin mempertahankan inti yang lebih lunak dan menunjukkan kelenturan berkurang pada pembengkokan atau penarikan dalam.

Sifat	O/Annealed	Temper Utama (mis. H14)	Catatan
Kekuatan Tarik (MPa)	90–140	140–220	Rentang tarik tergantung pengerjaan dingin dan ketebalan; nilai perkiraan untuk bentuk plat
Kekuatan Luluh (MPa)	40–80	80–160	Luluh meningkat signifikan dengan temper H; H14 umum untuk plat struktural
Regangan (%)	20–35	6–18	Kondisi annealed memberikan kelenturan maksimum; temper H menurunkan kelenturan demi kekuatan
Kekerasan (HB)	20–40	40–90	Brinell/Vickers naik seiring pengerasan dingin; kekerasan berkorelasi dengan properti tarik

Sifat Fisik

Sifat	Nilai	Catatan
Density	2.68–2.71 g/cm³	Kepadatan paduan aluminium khas, sedikit bergantung pada kandungan paduan
Rentang Leleh	~577–652 °C	Silikon menurunkan titik leleh lokal dibanding Al murni; rentang solidus-liquidus bervariasi dengan Si
Konduktivitas Termal	120–165 W/m·K	Lebih rendah daripada Al murni tetapi masih tinggi dibanding baja; menguntungkan untuk pendinginan panas
Konduktivitas Listrik	30–45 %IACS	Menurun dibanding Al murni (60%+ IACS) karena tambahan paduan
Kalor Jenis	~0.88–0.90 J/g·K	Sejajar dengan paduan Al lain; berguna untuk perhitungan massa termal
Ekspansi Termal	22–24 µm/m·K	Sedikit lebih rendah dari Al murni dalam paduan Al-Si, memperbaiki stabilitas dimensi terhadap suhu

Sifat fisik ini menjadikan 4004 menarik untuk aplikasi yang membutuhkan keseimbangan antara bobot ringan, konduksi termal, dan konduktivitas listrik yang wajar. Konduktivitas termal cukup tinggi untuk banyak aplikasi heat sink dan heat spreader, sementara ekspansi termal yang lebih rendah dan karakteristik solidifikasi yang baik membuat alloy ini cocok untuk rakitan las atau brazing yang membutuhkan kontrol distorsi.

Bentuk Produk

Bentuk	Ketebalan/Ukuran Khas	Perilaku Kekuatan	Temper Umum	Keterangan
Sheet (plat tipis)	0.3–6.0 mm	Menunjukkan properti yang sangat bergantung pada ketebalan; plat mengalami pengerasan kerja yang dapat diprediksi	O, H14, H18	Bentuk utama untuk panel bodi, penukar panas, dan pelindung peralatan
Plate (plat tebal)	6–50+ mm	Bagian lebih tebal mempertahankan inti yang lebih lunak kecuali dengan pengerjaan berat	O, H12, H14	Digunakan saat diperlukan kekakuan tambahan; kemampuan deep draw terbatas
Extrusion (ekstrusi)	Penampang 2–80+ mm	Bagian hasil ekstrusi dapat distabilkan secara usia dan dikeraskan dingin setelah ekstrusi	O, H11, H22	Umum untuk profil struktural dan rangka
Tube (pipa)	Ø 6–300 mm	Pipa bisa berupa las atau seamless; kekuatan tergantung pada ketebalan dinding dan temper	O, H14, H18	Digunakan dalam penanganan fluida dan rangka ringan
Bar/Rod (batang)	Ø 3–100+ mm	Batang dapat ditarik dingin untuk meningkatkan kekuatan; kemudahan mesin baik	O, H12, H14	Digunakan untuk komponen yang akan dimesin dan blank pengikat

Produk sheet dan ekstrusi adalah bentuk pengiriman yang paling umum untuk 4004, dan rute prosesnya—rolling, annealing, reduksi dingin, dan stretch leveling—menentukan respons mekanik akhir. Plat dan bagian berat kurang dapat dibentuk dan sering memerlukan pra-pengerjaan mesin atau pembentukan bertahap, sementara ekstrusi memanfaatkan pendinginan terkontrol dan kondisi billet untuk mengatur aliran butir dan hasil permukaan.

Grades Setara

Standar	Grade	Wilayah	Keterangan
AA	4004	USA	Penunjukan Asosiasi Aluminium; digunakan di beberapa katalog regional
EN AW	4xxx (perkiraan)	Eropa	Penunjukan EN mencakup kelompok paduan Al-Si secara luas; penomoran spesifik dapat berbeda
JIS	A4xxx (perkiraan)	Jepang	Standar Jepang mencakup anggota keluarga Al-Si dengan kimia serupa
GB/T	4xxx (perkiraan)	China	Standar China mencakup beberapa paduan tempa Al-Si dengan properti tumpang tindih

Kesetaraan antar standar harus diperlakukan dengan hati-hati karena keluarga 4xxx mencakup rentang kandungan silikon dan tambahan minor yang mempengaruhi performa. Referensi silang harus mempertimbangkan rentang kimia dan definisi temper secara tepat; substitusi langsung tanpa verifikasi properti dapat menyebabkan perbedaan tak terduga dalam kemampuan bentuk, kemampuan las, dan ketahanan korosi.

Ketahanan Korosi

Ketahanan atmosferik 4004 umumnya baik untuk lingkungan dalam ruangan dan luar ruangan dengan polusi ringan; kandungan tembaga dan seng yang relatif rendah membatasi percepatan korosi galvanik. Kehadiran silikon dan intermetalik besi dapat membentuk situs katodik lokal di bawah kondisi agresif, tetapi secara keseluruhan paduan membentuk lapisan oksida pasif yang stabil yang melindungi dari korosi seragam.

Dalam lingkungan laut dan yang mengandung klorida, 4004 tampil lebih baik dibandingkan beberapa paduan berbasis tembaga tetapi tetap lebih rentan terhadap korosi lubang pada lokasi kerusakan mekanis atau ketidakterusan las dibandingkan dengan paduan seri 5xxx yang kaya magnesium. Perlakuan permukaan yang sesuai, sealant, dan desain untuk drainase direkomendasikan untuk mengurangi korosi celah dan lubang pada aplikasi laut yang terekspos.

Kerentanan terhadap stress corrosion cracking (SCC) untuk 4004 rendah dibandingkan dengan paduan heat-treatable kekuatan tinggi; namun, tegangan residu lokal akibat pengelasan atau pengerjaan dingin, dikombinasikan dengan lingkungan korosif, dapat meningkatkan risiko. Saat merancang rakitan yang bersentuhan dengan logam berbeda, pertimbangan galvanik harus diperhatikan — aluminium 4004 adalah anodis terhadap stainless steel dan logam mulia dan mungkin memerlukan isolasi atau perlindungan korban untuk mencegah serangan yang dipercepat.

Properti Fabrikasi

Kemudahan Pengelasan

4004 menunjukkan kemudahan pengelasan fusi yang baik dengan proses standar seperti MIG, TIG, dan pengelasan resistansi karena kandungan silikon yang mengurangi kecenderungan hot-cracking. Pemilihan filler biasanya menggunakan komposisi Al-Si yang sesuai (misal filler Al-5Si) untuk mengontrol solidifikasi dan meminimalkan porositas; pemanasan awal dan kontrol panas masuk meningkatkan keutuhan sambungan. Zona terpengaruh panas dapat menunjukkan pelunakan jika bahan induk mengalami pengerasan kerja, sehingga perlakuan mekanis pasca-las atau kompensasi desain sering diperlukan.

Kemudahan Mesin

Kemudahan mesin 4004 dinilai sedang sampai baik dibandingkan aluminium murni komersial; silikon dan partikel intermetalik kecil membantu pematahan serbuk tapi dapat meningkatkan keausan alat dibandingkan grade yang sangat murni. Peralatan carbide dengan sudut pemotongan positif dan geometri kecepatan tinggi memberikan produktivitas terbaik, dan kecepatan potong sedang hingga tinggi dengan pendingin melimpah mengurangi pembentukan tepi menempel. Pengeboran dan pengetapan memerlukan perhatian pada kecepatan pengumpanan untuk menghindari getaran alat, dan pass finishing diperlukan untuk mengelola integritas permukaan pada aplikasi yang kritis terhadap kelelahan.

Kemampuan Bentuk

Kemampuan bentuk pada temper O dan temper H ringan baik, mendukung deep drawing dan pembengkokan kompleks dengan kontrol springback yang tepat. Radius lentur minimum tergantung temper dan ketebalan; plat annealed dapat menerima radius lebih kecil (≈1–2× tebal) sedangkan temper H18 atau temper hasil pengerjaan berat memerlukan radius lebih besar (≥3–6× tebal). Untuk operasi pembentukan berat, penggunaan temper O atau H12 diikuti dengan stabilisasi usia dan siklus pelepasan tegangan akan mengoptimalkan kontrol dimensi dan mengurangi risiko robek.

Perilaku Perlakuan Panas

Sebagai perwakilan paduan 4xxx, 4004 diklasifikasikan sebagian besar tidak dapat diberi perlakuan panas untuk peningkatan kekuatan; paduan ini tidak merespons perlakuan panas larutan dan penuaan buatan dengan peningkatan kekuatan sebesar paduan 2xxx atau 6xxx. Upaya menerapkan perlakuan T6 hanya memberikan perbaikan modest, sehingga perlakuan termal terutama digunakan untuk menghomogenkan mikrostruktur cor, melepaskan tegangan, atau sedikit memodifikasi duktibilitas daripada untuk menghasilkan peningkatan kekuatan besar.

Pengerasan kerja adalah jalur penguatan utama: reduksi dingin yang terkontrol dan jalur regangan (H1x/H2x/H3x) memungkinkan peningkatan bertahap yang dapat diprediksi pada kekuatan luluh dan tarik. Siklus anneal penuh mengembalikan bahan ke kondisi duktile dan sering ditentukan sebelum operasi pembentukan; perlakuan stabilisasi panas (misal penuaan suhu rendah) dapat digunakan untuk meminimalkan pergeseran properti setelah pembentukan atau pengelasan.

Performa Pada Suhu Tinggi

Pada suhu tinggi, 4004 menunjukkan penurunan bertahap pada kekuatan luluh dan tarik seiring dengan pembesaran fasa kaya silikon dan pengurangan penguatan larutan padat; kemampuan struktural yang berguna biasanya berlaku hingga suhu layanan sedang (sekitar ~150–200 °C) tergantung beban dan lingkungan. Oksidasi minimal dibandingkan dengan paduan ferrous, namun paparan jangka panjang pada suhu lebih tinggi dapat menyebabkan pelunakan dan pergeseran dimensi; perancang harus mempertimbangkan creep di bawah beban terusan.

Sambungan las dapat sensitif terhadap paparan suhu tinggi di mana tegangan residu dan perubahan mikrostruktur lokal menciptakan zona dengan kemampuan mekanik berkurang; perlakuan panas pasca-las atau desain untuk redistribusi beban adalah mitigasi umum. Untuk aplikasi siklus termal, ekspansi termal relatif stabil dan konduktivitas yang baik pada 4004 mengurangi gradien termal, namun perlu perhatian terhadap inisiasi kelelahan termal pada konsentrator tegangan.

Aplikasi

Industri	Contoh Komponen	Alasan Penggunaan 4004
Otomotif	Panel dalam bodi, pelindung panas	Keseimbangan kemampuan bentuk, stabilitas termal, dan kemudahan las
Kelautan	Komponen struktural non-kritis, trim	Ketahanan korosi dan kemudahan fabrikasi untuk atmosfer laut
Dirgantara	Fitting sekunder, fairing	Rasio kekuatan-berat dan stabilitas dimensi termal yang baik
Elektronik	Penyebar panas, housing	Konduktivitas termal tinggi dengan kemudahan bentuk dibandingkan paduan cor Al-Si

4004 sering ditentukan pada desain yang memerlukan kombinasi kemampuan bentuk, kekuatan yang memadai, dan perilaku termal yang lebih baik dibandingkan aluminium murni atau paduan tinggi tembaga. Penggunaannya pada otomotif dan elektronik mencerminkan kebutuhan manufacturability (pembentukan, penyambungan) sekaligus performa termal dan korosi.

Wawasan Pemilihan

Catatan pemilihan singkat: pilih 4004 ketika Anda memerlukan kekuatan sedang dengan kemampuan bentuk dan sifat termal unggul dibanding aluminium komersial murni, serta ketika kemudahan las dan rendahnya kecenderungan retak panas penting. Paduan ini sangat menarik ketika konduktivitas termal dan stabilitas dimensi di bawah siklus termal menjadi faktor desain.

Dibandingkan dengan 1100 (aluminium murni komersial), 4004 menukar sebagian konduktivitas listrik dan kemampuan bentuk sedikit lebih baik dengan peningkatan kekuatan dan stabilitas termal yang berarti. Dibandingkan dengan paduan pengerasan kerja seperti 3003 atau 5052, 4004 umumnya menawarkan performa termal yang setara atau sedikit lebih baik dan kemampuan bentuk serupa, tetapi ketahanan korosi ultimate sedikit lebih rendah pada lingkungan dengan klorida tinggi dibandingkan paduan magnesium seri 5xxx. Dibandingkan dengan paduan heat-treatable seperti 6061 atau 6063, 4004 biasanya memiliki kekuatan puncak lebih rendah tetapi kemudahan las dan perilaku termal lebih baik; pilih paduan ini jika kekuatan puncak hasil penuaan tidak dibutuhkan dan kemudahan penyambungan serta pembentukan lebih diutamakan daripada properti tarik maksimum.

Ringkasan Penutup

Alloy 4004 tetap relevan karena mengisi ceruk praktis: aluminium yang diperkuat silikon, tidak dapat diperlakukan panas, yang menggabungkan kemampuan bentuk yang baik, kemampuan las yang andal, dan performa termal yang menguntungkan untuk berbagai aplikasi industri. Set sifat yang seimbang dan perilaku proses yang dapat diprediksi menjadikannya pilihan yang tangguh bagi para perancang yang mencari solusi aluminium yang dapat diproduksi dan stabil secara termal.