Aluminium 4032: Komposisi, Properti, Panduan Temper & Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Gambaran Komprehensif
4032 adalah anggota seri 4xxx paduan aluminium yang memiliki silikon sebagai elemen paduan utama. Ini merupakan paduan Al-Si yang dikembangkan untuk aplikasi yang membutuhkan koefisien ekspansi termal yang rendah, ketahanan aus yang baik, dan kompatibilitas dengan bore silinder besi tuang serta material mating yang berbeda.
Komponen paduan utama meliputi silikon (Si) pada persentase berat dua digit, dengan penambahan tembaga (Cu), besi (Fe), mangan (Mn), magnesium (Mg), krom (Cr), dan jejak titanium (Ti). Penguatan terutama dicapai melalui perlakuan panas (solution treat dan aging buatan) dan dalam tingkat yang lebih rendah melalui larutan padat dan distribusi partikel Si halus, bukan hanya presipitasi Mg2Si klasik saja.
Ciri utama 4032 adalah kekuatan tarik yang tinggi pada temper tipe T6, ekspansi termal yang relatif rendah dibandingkan banyak paduan Aluminium lainnya, karakteristik aus yang baik, dan ketahanan korosi moderat pada lingkungan atmosfer. Kemampuan las praktis dengan penggunaan logam pengisi dan prosedur pemanasan pra/ pasca yang sesuai, sementara kemampuan bentuk terbatas pada temper puncak—sehingga sering digunakan untuk komponen yang dikerjakan dengan mesin, penempaan, atau cor dan mesin daripada lembaran yang dibentuk secara ekstensif.
Industri khas yang menggunakan paduan ini meliputi otomotif (piston dan komponen aus tinggi), sub-struktur dan fitting dirgantara, komponen powertrain, dan pemesinan khusus untuk perangkat manajemen termal. Engineer memilih 4032 ketika diperlukan keseimbangan antara kekuatan, stabilitas dimensi pada suhu tinggi, ekspansi termal rendah, dan kemampuan mesin yang baik dibandingkan alternatif dengan kekuatan lebih tinggi atau kemampuan bentuk yang lebih baik.
Varian Temper
| Temper | Tingkat Kekuatan | Elongasi | Kemampuan Bentuk | Kemampuan Las | Catatan |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Rendah | Tinggi | Ekstrim | Ekstrim | Kondisi fully annealed; kemampuan bentuk dan keuletan terbaik |
| H14 | Sedang-Rendah | Moderat | Baik | Baik | Kondisi pengerasan kerja untuk peningkatan ketahanan |
| T5 | Sedang | Rendah-Moderat | Terbatas | Baik | Dibelah dari proses suhu tinggi dan diaging buatan |
| T6 | Tinggi | Rendah | Terbatas | Baik | Perlakuan panas pelarutan dan aging buatan menghasilkan kekuatan puncak |
| T651 | Tinggi | Rendah | Terbatas | Baik | T6 dengan relief tegangan melalui peregangan untuk meminimalkan tegangan residual |
Temper sangat berpengaruh pada trade-off antara kekuatan dan keuletan untuk 4032. Material annealed (O) memberikan kemampuan bentuk dan elongasi terbaik, sedangkan T6/T651 menghasilkan kekuatan dan kekerasan tertinggi dengan pengorbanan kemampuan bentuk dingin.
Pemilihan temper harus mempertimbangkan operasi downstream: pilih temper O atau temper ringan tipe H untuk pembentukan ekstensif atau deep drawing, sedangkan T5/T6/T651 untuk komponen yang dikerjakan mesin atau aplikasi di mana stabilitas dimensi dan ketahanan aus lebih penting dibanding kemampuan dilengkungkan.
Komposisi Kimia
| Elemen | Rentang % | Catatan |
|---|---|---|
| Si | 11.0 – 13.5 | Elemen paduan utama; menurunkan ekspansi termal dan meningkatkan ketahanan aus serta kemampuan pengecoran |
| Fe | 0.2 – 1.2 | Elemen impuritas; mempengaruhi intermetallic dan dapat mengurangi keuletan |
| Mn | 0.05 – 0.5 | Mengendalikan struktur butir dan meningkatkan kekuatan serta ketangguhan |
| Mg | 0.2 – 0.8 | Menyediakan potensi pengerasan aging (Mg2Si saat dipadukan dengan Si) |
| Cu | 0.2 – 1.2 | Meningkatkan kekuatan dan kekerasan tetapi sedikit mengurangi ketahanan korosi |
| Zn | ≤ 0.2 | Biasanya rendah; pengaruh terbatas dalam sistem paduan ini |
| Cr | 0.05 – 0.35 | Penghalus butir dan pembentuk dispersoid untuk meningkatkan stabilitas dan kekuatan |
| Ti | 0.03 – 0.2 | Penghalus butir untuk proses pengecoran dan tempa |
| Lainnya / sisanya Al | balance | Residu dapat mengandung Ni, Pb, atau Bi dalam jumlah jejak tergantung produsen |
Kimia kaya silikon ini adalah faktor dominan yang mengendalikan ekspansi termal, ketahanan aus, dan morfologi partikel fase kedua. Penambahan moderat Mg dan Cu memungkinkan pengerasan presipitasi dan peningkatan kekuatan pada temper perlakuan panas, sementara elemen jejak seperti Cr dan Ti utamanya berperan menghaluskan struktur butir dan menstabilkan sifat saat proses termal.
Sifat Mekanik
Dalam perilaku tarik, 4032 menunjukkan pergeseran signifikan antara kondisi annealed dan perlakuan panas. Dalam kondisi O, paduan ini menunjukkan kekuatan tarik moderat dan elongasi tinggi yang cocok untuk pembentukan dan pembengkokan. Pada kondisi T6/T651 kekuatan tarik meningkat tajam akibat solutionizing dan aging buatan, dengan ductility lebih rendah dan elongasi berkurang.
Kekuatan luluh mengikuti pola serupa: rendah pada kondisi annealed dan jauh lebih tinggi pada temper aging puncak. Kekerasan berkorelasi dengan temper, dengan nilai kekerasan Brinell meningkat signifikan setelah perlakuan pelarutan dan aging. Performa kelelahan umumnya baik dibandingkan dengan banyak paduan Al-Mg karena partikel Si yang padat dan dispersoid stabil mengurangi kepekaan inisiasi retak pada beban siklik.
Ketebalan, riwayat pemesinan, dan perlakuan panas memengaruhi respon mekanik; bagian tipis mengalami aging lebih cepat dan dapat mencapai sifat puncak dengan siklus aging lebih pendek sementara bagian tebal dapat mempertahankan gradien kekuatan larutan. Paparan termal mendekati atau di atas suhu aging dapat menurunkan sifat puncak melalui overaging dan pertumbuhan presipitat penguat.
| Sifat | O/Annealed | Temper Utama (misal T6/T651) | Catatan |
|---|---|---|---|
| Kekuatan Tarik | ~140–200 MPa (tipikal) | ~300–380 MPa (tipikal) | Nilai T6 tergantung proses dan komposisi; data merupakan rentang nominal |
| Kekuatan Luluh | ~60–120 MPa (tipikal) | ~220–320 MPa (tipikal) | Peningkatan luluh adalah manfaat utama perlakuan T6/T651 |
| Elongasi | ~10–20% | ~2–8% | Keuletan turun tajam pada temper kekuatan tinggi |
| Kekerasan | ~40–70 HB | ~85–120 HB | Kekerasan sebanding dengan kekuatan tarik dan distribusi partikel Si |
Sifat Fisik
| Sifat | Nilai | Catatan |
|---|---|---|
| Density (Massa Jenis) | ~2.70 g/cm³ | Tipikal untuk paduan aluminium; berguna untuk desain sensitif massa |
| Rentang Leleh | ~575–615 °C | Efek eutektik dari Si menurunkan temperatur solidus dibanding Al murni |
| Konduktivitas Termal | ~120–160 W/m·K | Lebih rendah dari Al murni akibat paduan; masih baik untuk manajemen termal |
| Konduktivitas Listrik | ~25–40% IACS | Lebih rendah dari aluminium murni karena Si dan paduan tambahan |
| Kalor Jenis Spesifik | ~0.90 J/g·K | Tipikal kalor jenis aluminium; memungkinkan ekuilibrasi termal cepat |
| Ekspansi Termal | ~20–22 µm/m·K | Koefisien lebih rendah dibanding banyak paduan Al karena kandungan Si tinggi |
Kandungan silikon tinggi menurunkan koefisien ekspansi termal dibandingkan paduan seri Al-Mg atau Al-Mn, sifat penting untuk stabilitas dimensi pada suhu tinggi dan untuk komponen yang dipasangkan dengan material ferrous. Konduktivitas termal dan listrik lebih rendah dibanding aluminium berkadar tinggi namun tetap cocok dimana kebutuhan struktural dan termal diperlukan bersamaan.
Bentuk Produk
| Bentuk | Ketebalan/Ukuran Tipikal | Perilaku Kekuatan | Temper Umum | Catatan |
|---|---|---|---|---|
| Lembaran (Sheet) | 0.5 – 6 mm | Kekuatan terbatas pada ketebalan tipis karena kemampuan bentuk | O, H14, T5 | Digunakan saat pemesinan minimal atau untuk aplikasi pelapis/lapisan |
| Plat | 6 – 50 mm | Bagian tebal memerlukan kontrol perlakuan pelarutan saat aging | O, T6, T651 | Bagian mesin sering diproduksi dari stok plat |
| Ekstrusi | Profil dengan penampang sedang | Sifat tergantung laju pendinginan dan aging selanjutnya | T5, T6 | Digunakan untuk anggota struktural yang membutuhkan ekspansi termal rendah |
| Tabung | Diameter variabel | Performa mekanik bervariasi dengan ketebalan dinding | O, T6 | Sering dipakai sebagai fitting hidrolik atau tabung penukar panas setelah dikerjakan mesin |
| Batang/As | Diameter sampai 200–300 mm | Sifat homogen setelah perlakuan panas | O, T6, T651 | Bahan baku umum untuk pemesinan presisi dan komponen aus tinggi |
Bentuk produk tempa dipilih berdasarkan aplikasi akhir dan sifat mekanik yang dibutuhkan. Bentuk lembaran dan ketebalan tipis dipilih saat diperlukan pembentukan, sedangkan plat, batang, dan profil ekstrusi lebih umum saat pemesinan dan perlakuan panas direncanakan setelahnya.
Perbedaan proses seperti laju pendinginan setelah pengerjaan panas dan kemampuan melakukan perlakuan pelarutan uniform membuat penampang besar lebih menantang untuk dicapai sifat T6 yang seragam. Kemudahan mesin dan stabilitas dimensi cenderung lebih diutamakan pada bahan baku batang dan plat untuk komponen presisi.
Grade Setara
| Standar | Grade | Wilayah | Catatan |
|---|---|---|---|
| AA | 4032 | USA | Penunjukan standar ASTM/AA untuk paduan coran yang kaya Si ini |
| EN AW | AlSi11Cu (perkiraan) | Eropa | Terdapat paduan coran kaya Si yang kurang lebih serupa; tidak selalu ada padanan satu-satu yang tepat |
| JIS | A4032 (perkiraan) | Jepang | Sistem JIS mencakup grade Al-Si-Mg berperluasan rendah yang serupa digunakan untuk piston |
| GB/T | AlSi11Cu (perkiraan) | Cina | Standar Cina mencakup grade Al-Si-Cu dengan rentang komposisi yang sebanding |
Penunjukan grade setara harus digunakan dengan hati-hati: banyak standar memberikan label pada paduan Al-Si serupa dengan batas elemen minor dan kualifikasi pemrosesan produk yang berbeda. Perbedaan kandungan Cu, Mg, dan batas impuritas atau dalam proses (coran vs tempa) dapat menyebabkan perbedaan performa. Selalu periksa ulang praktik perlakuan panas dan data sifat mekanik saat mengganti antar standar regional.
Ketahanan Korosi
4032 memberikan ketahanan korosi atmosferik sedang yang khas pada paduan Al-Si, bekerja dengan baik di sebagian besar lingkungan industri perkotaan. Paduan ini tahan terhadap korosi umum dan tidak memerlukan perlindungan permukaan yang luas untuk banyak aplikasi struktural, meskipun pelapisan pelindung sering kali digunakan pada kondisi paparan agresif atau jangka panjang.
Di lingkungan kelautan, 4032 cukup toleran terhadap zona percikan dan paparan garam atmosfer, tetapi tidak sekuat paduan Al-Mg khusus yang memiliki ketahanan korosi lebih tinggi. Perendaman terus-menerus dalam air laut atau kehadiran larutan klorida asam akan mempercepat korosi lubang dan pengeroposan, sehingga perlindungan katodik atau pelapisan penghalang sangat disarankan.
Kecenderungan retak korosi tegangan relatif rendah jika dibandingkan dengan paduan Al-Zn-Mg-Cu berkekuatan tinggi, tetapi pelarutan anod lokal pada fitur yang mendapat tegangan tarik dapat terjadi di lingkungan klorida. Interaksi galvanik dengan baja tahan karat dan tembaga harus diatasi dengan memisahkan bahan atau menggunakan pengikat yang kompatibel; 4032 akan berperan sebagai anoda terhadap banyak logam mulia.
Dibandingkan dengan paduan seri 1xxx dan 5xxx, 4032 menukar sebagian performa korosi umum untuk kekuatan dan stabilitas termal yang lebih tinggi. Dibandingkan dengan paduan seri 6xxx, performa atmosferiknya kurang lebih sebanding, tetapi perilaku pembuatan usia dan mekanisme korosi mikrostrukturalnya berbeda.
Properti Fabrikasi
Dapat Dilas
4032 dapat disambung menggunakan teknik pengelasan fusi umum seperti TIG dan MIG dengan mengikuti praktik terbaik. Paduan pengisi yang kaya silikon, seperti pengisi Al-Si (misal ER4043), biasanya direkomendasikan untuk mengurangi kecenderungan retak panas dan meningkatkan kelancaran logam las. Pelunakan zona pengaruh panas (HAZ) menjadi perhatian untuk temper yang dapat diperlakukan panas; penuaan lokal berlebih atau hilangnya kondisi larutan dapat menurunkan sifat mekanik di sekitar las.
Pra-pemanasan, kontrol antar-las, dan perlakuan panas pascalas sangat berguna pada aplikasi kritis untuk memulihkan atau menstabilkan sifat. Untuk bagian dengan integritas tinggi, sambungan mekanis atau las brazing sering dipilih untuk menghindari masalah HAZ yang melekat pada pengelasan fusi paduan yang dapat diperlakukan panas.
Dapat Dimesin
4032 dianggap sebagai paduan aluminium yang sangat baik untuk proses machining berkat kandungan silikon dan mikrostruktur yang stabil. Paduan ini dapat dimesin lebih bersih dan minim lapisan material terangkat dibandingkan banyak grade aluminium murni, menghasilkan serpihan yang terformed dengan baik saat menggunakan alat potong carbide. Praktik yang dianjurkan meliputi kecepatan spindle sedang hingga tinggi, sisipan pahat berukuran positif, dan pelumasan banjir atau kabut untuk mengendalikan suhu dan pengeluaran serpihan.
Pemilihan alat potong lebih condong ke carbide atau carbide berlapis untuk produktivitas; baja cepat dapat digunakan untuk pemesinan ringan namun lebih cepat aus. Alat tungsten-carbide meminimalkan keausan sisi dan menjaga hasil permukaan pada pemotongan kontinyu bahan T6 yang lebih kuat.
Dapat Dibentuk
Dapat dibentuk dalam kondisi anneal O sangat baik dan berkurang signifikan saat temper kekuatan meningkat. Radius tekuk minimum tergantung pada temper dan ketebalan; untuk lembaran tipis kondisi O, radius kecil bisa dilakukan, sedangkan lembaran T6 memerlukan radius lebih besar dan sering memerlukan tahapan perlakuan pereda tegangan di antaranya. Pembentukan dingin terbatas pada T6 dan T651 karena keuletan rendah, sehingga operasi pembentukan terbaik dilakukan sebelum perlakuan panas larutan akhir atau menggunakan temper O.
Jika bentuk kompleks dibutuhkan pada bagian akhir berkekuatan tinggi, pertimbangkan pembentukan pada O kemudian dilanjutkan dengan perlakuan solusi dan penuaan (jika geometri dan proses memungkinkan), atau gunakan paduan alternatif dengan kemampuan pembentukan dingin lebih baik.
Perilaku Perlakuan Panas
4032 adalah paduan yang dapat diberi perlakuan panas; siklus perlakuan panas dirancang untuk memanfaatkan komposisi Si-Mg (dan sebagian Cu) untuk pengerasan akibat usia. Suhu perlakuan larutan khas berkisar antara 510–540 °C untuk melarutkan fase yang larut tanpa mulai mencairnya kandungan Si yang kaya. Pendinginan cepat menggunakan air diperlukan untuk mempertahankan larutan padat jenuh berlebih.
Penuaan buatan biasanya dilakukan pada rentang 150–200 °C selama beberapa jam tergantung pada ketebalan penampang dan sifat yang diinginkan; temper T5 dan T6 sesuai dengan rute proses yang berbeda. Penuaan berlebih pada suhu lebih tinggi atau waktu lama akan menyebabkan butiran pengendap membesar dan mengurangi kekuatan puncak tetapi dapat meningkatkan ketangguhan dan stabilitas termal.
Transisi temper T harus dikelola dengan hati-hati: distorsi dan tegangan sisa berkembang selama pendinginan, sehingga T651 (diregangkan setelah pendinginan) sering ditentukan untuk bagian mesin yang membutuhkan tegangan sisa minimal. Perlakuan larutan pada penampang besar memerlukan praktik tungku yang terkontrol dan mungkin perlu waktu rendam lebih lama untuk mencapai sifat yang seragam.
Performa Suhu Tinggi
4032 mengalami penurunan kekuatan saat suhu servis meningkat, dengan kehilangan signifikan terlihat di atas ~150–200 °C tergantung temper dan durasi temperatur. Paparan jangka pendek pada suhu tinggi tidak serta merta merusak integritas mekanik, namun pelayanan suhu tinggi jangka panjang mengakibatkan penuaan berlebih dan pembesaran mikrostruktur, menurunkan ketahanan luluh dan kelelahan.
Oksidasi terbatas pada atmosfer operasi normal karena aluminium membentuk lapisan oksida pelindung, tetapi pada suhu lebih tinggi dan lingkungan oksidasi atau sulfidasi agresif serangan permukaan dapat dipercepat. Wilayah HAZ berdekatan dengan las sangat rentan terhadap pelunakan dan penurunan sifat jika terekspos suhu pelayanan mendekati regime penuaan.
Perancang harus mengevaluasi creep dan stabilitas termal saat menentukan 4032 untuk aplikasi suhu tinggi berkelanjutan; untuk pelayanan suhu tinggi terus-menerus, paduan lain yang memang dirancang khusus untuk kekuatan suhu tinggi mungkin lebih disukai.
Aplikasi
| Industri | Komponen Contoh | Mengapa 4032 Digunakan |
|---|---|---|
| Otomotif | Piston (untuk mesin performa dan diesel) | Perluasan termal rendah, tahan aus, dan kemudahan mesin baik untuk bagian dengan toleransi ketat |
| Kelautan | Komponen dan fitting katup | Ketahanan korosi sedang dan stabilitas dimensi dalam suhu fluktuatif |
| Aerospace | Fitting, bracket, dan hardware dengan manajemen termal | Kekuatan terhadap berat baik, stabilitas termal, dan kemudahan mesin untuk komponen presisi |
| Elektronik | Heat sink dan housing | Keseimbangan konduktivitas termal dan kemudahan machining untuk enclosure pendingin |
4032 sering dipilih untuk komponen yang memerlukan kombinasi stabilitas dimensi, ketahanan aus, dan kemudahan machining tinggi daripada kekuatan tarik maksimum. Penggunaannya pada piston otomotif adalah contoh klasik di mana kontrol perluasan termal dan kemampuan mesin dinding tipis dengan toleransi ketat sangat penting.
Wawasan Pemilihan
Pilih 4032 ketika desain Anda membutuhkan kekuatan relatif tinggi yang dikombinasikan dengan koefisien perluasan termal rendah dan kemudahan machining untuk komponen presisi. Paduan ini sangat efektif ketika harus dipasangkan dengan besi cor atau material sejenis yang membutuhkan perilaku ekspansi yang serasi dan pergeseran dimensi rendah akibat suhu.
Dibandingkan dengan aluminium murni komersial (1100), 4032 menukarkan konduktivitas listrik dan termal serta kemampuan bentuk untuk kekuatan jauh lebih tinggi dan perluasan termal lebih rendah. Dibandingkan paduan pengerasan kerja seperti 3003 atau 5052, 4032 menawarkan kekuatan jauh lebih tinggi dan stabilitas termal lebih baik tetapi kemampuan bentuk lebih rendah serta perilaku korosi sedikit berbeda. Dibandingkan dengan paduan dapat perlakuan panas umum seperti 6061 atau 6063, 4032 mungkin menunjukkan kekuatan tarik puncak sedikit lebih rendah pada beberapa temper, namun memberikan keunggulan perluasan termal rendah dan ketahanan aus yang membenarkan penggunaannya pada piston dan bagian yang mengalami siklus termal.
Pertimbangkan biaya dan ketersediaan saat memilih 4032; paduan ini tidak seumum paduan 6xxx pada pasar lembaran dan ekstrusi, sehingga rantai pasok dan kemampuan proses (perlakuan panas dan machining) harus dikonfirmasi di awal fase desain.
Ringkasan Akhir
4032 tetap relevan dalam rekayasa modern karena secara unik menyeimbangkan perluasan termal rendah, kemampuan tahan aus yang baik, dan kemudahan machining dengan level kekuatan yang dapat diperlakukan panas. Untuk komponen yang harus mempertahankan toleransi dimensi ketat di bawah siklus termal dan menawarkan permukaan yang dapat dikerjakan mesin dengan andal, 4032 sering menjadi pilihan pragmatis.