Aluminium 4040: Komposisi, Sifat, Panduan Temper & Aplikasi

Ikhtisar Lengkap

4040 adalah paduan aluminium-seri silikon yang termasuk dalam keluarga 4xxx, ditandai dengan silikon sebagai elemen paduan utama. Seri 4xxx dikenal karena peningkatan fluiditas dan kemampuan las berkat silikon, bukan untuk kekuatan puncak dari pengerasan lewat presipitasi.

Elemen paduan utama dalam 4040 meliputi silikon sebagai tambahan dominan, dengan jumlah terkontrol dari besi, mangan, serta tambahan jejak kromium dan titanium untuk memperhalus struktur dan mengendalikan pertumbuhan butir. Paduan ini utamanya diperkuat oleh efek larutan padat dari silikon dan pengerasan regangan; paduan ini dianggap tidak dapat diperlakukan panas dalam arti pengerasan presipitasi klasik.

Ciri utama 4040 meliputi kekuatan sedang yang dipadukan dengan kemampuan las yang baik, konduktivitas termal yang layak, serta fluiditas yang ditingkatkan untuk aplikasi pengelasan dan brazing. Ketahanan korosi pada lingkungan atmosfer biasa tergolong sedang hingga baik; kemampuan bentuk pada kondisi annealed sangat baik sedangkan kondisi pengerasan kerja (work-hardened) menawarkan peningkatan kekuatan dengan pengorbanan duktilitas.

Industri yang biasanya menggunakan 4040 termasuk otomotif (terutama kawat pengisi dan ekstrusi struktural), transportasi, barang konsumen, dan rakitan fabrikasi yang memerlukan kemampuan las yang andal serta hasil permukaan yang baik. Insinyur memilih 4040 ketika dibutuhkan kombinasi performa sambungan las, konduktivitas termal, dan kekuatan sedang tanpa memerlukan kekuatan pengisian yang lebih tinggi dari paduan yang dapat diperlakukan panas.

Varian Temper

Temper	Level Kekuatan	Regangan	Kemampuan Bentuk	Losability	Catatan
O	Rendah	Tinggi (20–35%)	Istimewa	Istimewa	Kondisi annealed penuh untuk duktilitas maksimum
H12	Sedang-Rendah	Sedang (12–18%)	Baik	Istimewa	Quarter-hard, mempertahankan kemampuan bentuk yang baik untuk drawing ringan
H14	Sedang	Rendah-Sedang (8–12%)	Baik	Istimewa	Half-hard sebagai kompromi antara kekuatan dan duktilitas
H16	Sedang-Tinggi	Rendah (6–10%)	Cukup	Istimewa	Three-quarter-hard untuk meningkat kekakuan
H18	Tinggi	Rendah (4–8%)	Terbatas	Istimewa	Kondisi full-hard untuk kekuatan tertinggi dari pengerasan dingin
H24	Sedang	Sedang (10–15%)	Baik	Istimewa	Strain-hardened dan sebagian annealed untuk keseimbangan bentuk dan fabrikasi

Temper pada 4040 hampir seluruhnya merupakan pengerasan kerja (seri H) atau annealed penuh (seri O), karena paduan ini tidak merespon pengerasan presipitasi tipe T klasik. Memilih temper H yang lebih keras akan meningkatkan kekuatan luluh dan tarik tetapi mengurangi regangan dan kemampuan bentuk dingin; temper O digunakan ketika diperlukan drawing dalam dan bending. Kemampuan las masih terjaga di sebagian besar temper H karena efek silikon yang menguntungkan terhadap fluiditas lelehan dan pengurangan kecenderungan retak panas.

Komposisi Kimia

Elemen	Rentang %	Catatan
Si	0.6 – 1.2	Elemen paduan utama; meningkatkan fluiditas, mengurangi rentang leleh dan memperkuat melalui larutan padat silikon
Fe	0.3 – 0.9	Impuritas umum; membentuk intermetalik yang dapat mempengaruhi ketangguhan dan hasil permukaan
Mn	0.2 – 0.8	Perhalus butir dan penyumbang kekuatan melalui dispersoid; meningkatkan ketahanan korosi secara marginal
Mg	0.02 – 0.20	Kandungan rendah; pengaruh kecil terhadap kekuatan dan perilaku pengerasan kerja
Cu	≤ 0.20	Penambahan terkendali rendah; jumlah lebih tinggi menurunkan ketahanan korosi dan diminimalkan
Zn	≤ 0.10	Dipertahankan rendah agar tidak memperkuat berlebihan dan mengurangi ketahanan korosi
Cr	0.02 – 0.20	Mengontrol pertumbuhan butir dan meningkatkan stabilitas mikrostruktur pada suhu tinggi
Ti	0.01 – 0.10	Microalloy untuk memperhalus butir dalam produk cor dan tempa
Lainnya (masing-masing)	≤ 0.05	Elemen jejak dan residu; sisanya aluminium

Silikon adalah elemen dominan yang membentuk performa 4040: menurunkan gap solidus-liquidus, meningkatkan kemampuan cor dan fluiditas kolam las, serta menyumbang pengerasan larutan padat yang moderat. Besi dan mangan membentuk fase intermetalik yang memengaruhi kekuatan, inisiasi retak kelelahan, dan karakteristik permukaan; pengendalian ketat kedua elemen ini sangat penting untuk kualitas ekstrusi dan performa pembentukan.

Sifat Mekanik

Pada kondisi annealed (O), 4040 menunjukkan kekuatan luluh dan tarik relatif rendah tetapi duktilitas tinggi, membuatnya cocok untuk drawing dalam dan operasi pembentukan kompleks. Ketika dipengeraskan regangan ke temper H, kekuatan tarik dan luluh paduan naik secara signifikan karena akumulasi dislokasi; namun, duktilitas dan ketangguhan menurun, dan kerentanan terhadap penipisan lokal meningkat. Kekerasan berkorelasi erat dengan temper: bahan annealed lunak dan mudah untuk mesin atau bentuk, sementara H18 jauh lebih keras dan memberikan kekakuan yang lebih baik namun dengan kemampuan bentuk berkurang.

Ketahanan kelelahan pada 4040 tergolong sedang dan sangat bergantung pada hasil permukaan, temper, dan keberadaan cacat akibat pengecoran atau ekstrusi; pengerjaan dingin ke temper H dapat memperbaiki kekuatan kelelahan siklus tinggi namun juga meningkatkan sensitivitas terhadap konsentrator tegangan. Ketebalan sangat memengaruhi performa mekanik: lembaran tipis cenderung mencapai kekuatan tampak lebih tinggi pada temper H karena distribusi regangan selama pengerjaan dingin, sedangkan bagian yang lebih tebal mungkin mempertahankan duktilitas lebih baik pada temper sebanding.

Properti	O/Annealed	Temper Utama (H14 / H18)	Catatan
Kekuatan Tarik	95 – 130 MPa	170 – 230 MPa	H14≈180–200 MPa tipikal; nilai bervariasi dengan pengerjaan dingin dan ketebalan
Kekuatan Luluh	30 – 55 MPa	120 – 170 MPa	H18 mendekati batas atas; kekuatan luluh meningkat cepat dengan pengerasan regangan
Regangan	25 – 35%	4 – 12%	Regangan menurun signifikan dengan nomor temper H yang lebih tinggi
Kekerasan (HB)	20 – 35 HB	55 – 85 HB	Kekerasan Brinell meningkat dengan temper H dan berkorelasi dengan kekuatan tarik

Sifat Fisik

Properti	Nilai	Catatan
Density	2.70 g/cm³	Tipikal untuk paduan aluminium tempa; digunakan untuk perhitungan massa dan kekakuan
Rentang Leleh (solidus–liquidus)	~575 – 650 °C	Silikon menurunkan solidus dibanding Al murni; rentang tepat tergantung Si dan elemen jejak
Konduktivitas Termal	130 – 170 W/m·K (25 °C)	Konduktor baik; sedikit berkurang dibanding Al murni karena paduan
Konduktivitas Listrik	~40 – 50 % IACS	Lebih rendah dari Al murni; paduan dan pengerjaan dingin mengurangi konduktivitas
Kalor Spesifik	~0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Berguna untuk perhitungan transien termal dan heat sink
Ekspansi Termal	23 – 24 µm/m·K	CTE khas paduan aluminium; perlu desain untuk ketidakcocokan termal dengan material lain

Konduktivitas termal dan kalor spesifik 4040 membuatnya efektif untuk komponen pembuangan panas dimana pengelasan juga diperlukan. Densitas dan CTE konsisten dengan praktik teknik aluminium umum dan memungkinkan substitusi ke desain yang sensitif pada berat dengan perilaku ekspansi termal yang dapat diprediksi.

Format Produk

Format	Ketebalan/Ukuran Umum	Perilaku Kekuatan	Temper Umum	Catatan
Lembaran	0.3 – 6.0 mm	Ketebalan tipis menunjukkan kekuatan tampak lebih tinggi pada temper H	O, H12, H14	Digunakan untuk panel bodi, heat sink, dan rakitan las
Plat	6 – 25 mm	Mempertahankan keuletan pada temper O; temper H digunakan untuk panel kaku	O, H14, H18	Bagian tebal membutuhkan kontrol ketat terhadap tegangan sisa
Ekstrusi	Bagian hingga beberapa ratus mm	Kekuatan bervariasi tergantung ketebalan profil dan pendinginan	O, H24, H14	Mudah diekstrusi karena silicon, digunakan untuk profil kompleks
Tabung	OD 6 – 200 mm	Kekuatan ditentukan oleh ketebalan dinding dan temper	O, H14	Umum untuk tabung las dan profil struktural
Batang/Rod	Diameter 6 – 100 mm	Penggambaran dingin meningkatkan kekuatan; batang digunakan untuk bagian machining	O, H18	Bagian padat untuk fitting dan pengikat; permukaan penting untuk komponen fatigue

Perbedaan proses (rolling vs ekstrusi vs casting) menghasilkan mikrostruktur berbeda yang memengaruhi sifat akhir: ekstrusi biasanya memiliki butir memanjang dan memerlukan tempering khusus, sedangkan lembaran hasil rolling sangat seragam dan lebih dapat diprediksi untuk stamping. Pilihan aplikasi mencerminkan perbedaan ini; lembaran tipis dalam temper O lebih disukai untuk pembentukan sementara profil ekstrusi dalam temper H dipilih untuk kekakuan struktural dan kontrol dimensi.

Grade Ekivalen

Standar	Grade	Wilayah	Catatan
AA	4040	USA	Penunjukan industri untuk komposisi paduan yang dijelaskan di sini
EN AW	4xxx / AW-4040 (informal)	Eropa	Tidak ada nomor EN harmonisasi tunggal; paduan seri 4xxx yang serupa digunakan secara regional
JIS	A4040 (informal)	Jepang	Standar Jepang mungkin mengacu pada paduan Al-Si tempa serupa dengan toleransi komposisi regional
GB/T	Al‑4040 (informal)	Tiongkok	Standar Tiongkok memiliki paduan Al-Si tempa setara tetapi ekuivalensi satu-satu perlu pengecekan batas kimia

Ekuivalensi lintas-standar tidak selalu satu-satu karena batas komposisi, kontrol impuritas dan definisi temper berbeda antar lembaga standar. Engineer harus membandingkan rentang komposisi kimia dan batas sifat mekanik saat substitusi paduan antar wilayah; riwayat proses (ekstrusi vs rolling) juga dapat memodifikasi interoperabilitas meskipun komposisi nominal cocok.

Ketahanan Korosi

Dalam lingkungan atmosferik biasa, 4040 menunjukkan ketahanan korosi sedang yang dipengaruhi oleh kandungan silikon dan kadar tembaga/Zn rendah. Paduan ini membentuk oksida pelindung yang memberikan perlindungan umum, dan anodizing meningkatkan daya tahan permukaan serta estetika; pitting lokal biasanya minimal dalam atmosfer non-klorida.

Dalam lingkungan laut dan kaya klorida, 4040 memiliki performa yang dapat diterima namun umumnya kalah dari paduan magnesium seri 5xxx yang menawarkan ketahanan air laut lebih baik. Untuk aplikasi struktural laut terbuka, desainer sering memilih 5xxx atau alternatif clad; 4040 tetap digunakan untuk komponen interior, rakitan las, dan dimana anodizing atau pelapisan diterapkan.

Kerentanan terhadap retak korosi tegangan pada 4040 rendah jika dibandingkan dengan paduan 2xxx berperforma tinggi dan beberapa 7xxx; namun daerah las dan temper H hasil kerja dingin bisa mengalami pengerasan lokal jika dipadukan dengan kimia agresif dan tegangan tarik. Interaksi galvanik harus diperhitungkan: aluminium anodis relatif terhadap tembaga, baja tahan karat dan baja karbon di banyak lingkungan sehingga isolasi atau perlindungan katodik diperlukan untuk mencegah korosi dipercepat.

Properti Fabrikasi

Kemampuan Pengelasan

4040 sangat bisa dilas dengan karakteristik fusi yang sangat baik berkat peningkatan fluiditas oleh silikon; biasa digunakan sebagai kawat pengisi untuk las TIG dan MIG pada rakitan aluminium. Kawat pengisi standar untuk las heterogen meliputi 4043 (kawat dengan Si lebih tinggi) atau kawat 4xxx kompatibel untuk menyesuaikan perilaku metalurgi dan mekanik. Risiko retakan panas rendah, tapi pelemahan HAZ akibat pengelasan dapat mengurangi kekuatan lokal pada temper H; pengendalian input panas dan desain mekanik pasca-las penting untuk mempertahankan performa.

Kemudahan Mesin (Machinability)

Kemudahan mesin 4040 sedang sampai baik dibanding aluminium murni; hasil machining bersih dengan alat carbide dan menghasilkan serpihan panjang dan kontinu yang membutuhkan pengelolaan serpihan aktif. Alat yang direkomendasikan adalah insert carbide tajam dengan sudut rake positif dan laju makan sedang; kecepatan potong untuk bubut biasanya 150–350 m/min tergantung alat dan coolant, dengan kecepatan lebih rendah untuk pemotongan terputus. Finishing permukaan dan kontrol dimensi sangat baik pada temper O, sedangkan temper H memerlukan gaya lebih besar dan kekakuan alat lebih tinggi.

Kemampuan Pembentukan (Formability)

Kemampuan pembentukan sangat baik pada kondisi annealed (temper O) dan cocok untuk proses deep drawing, bending, dan stretching; radius bengkok minimum sering serendah 1–1.5× ketebalan pada temper O untuk aplikasi lembaran. Proses kerja dingin ke temper H mengurangi keuletan dan meningkatkan gaya dorong kembali (springback) serta gaya pembentukan yang dibutuhkan, sehingga temper H digunakan untuk aplikasi dimana geometri akhir dekat bentuk akhir dan pembentukan minimal diperlukan. Pembentukan hangat atau pemanasan awal dapat memperluas batas formabilitas untuk bentuk kompleks tanpa perlu annealing.

Perilaku Perlakuan Panas

4040 secara efektif tidak dapat diperkuat dengan perlakuan panas untuk pengerasan presipitasi sehingga tidak menunjukkan respon temper T khas keluarga 2xxx atau 6xxx. Percobaan pelarutan dan penuaan hanya menghasilkan perubahan minor karena silikon pada 0.6–1.2% tidak membentuk presipitat penguat seperti Mg2Si.

Pendorong metalurgi praktis untuk mengubah sifat pada 4040 adalah kerja mekanik (kerja dingin) dan annealing termal. Anneal penuh (temper O) dicapai dengan pemanasan pada suhu dalam rentang anneal aluminium (~350–415 °C tergantung ketebalan dan produk) diikuti pendinginan terkontrol untuk mengembalikan keuletan. Anneal parsial atau siklus peredaman tegangan digunakan untuk mengurangi tegangan sisa pada bagian tebal atau komponen yang sangat dikerjakan.

Performa pada Suhu Tinggi

4040 mempertahankan sifat mekanik yang berguna hingga suhu sedang tinggi, namun kekuatan dan kekakuan menurun secara bertahap dengan kenaikan suhu di atas sekitar 100 °C. Ketahanan creep terbatas dibandingkan dengan paduan khusus tinggi suhu; beban statis jangka panjang pada suhu di atas 150 °C dapat menghasilkan creep terukur dan harus dihindari untuk aplikasi struktural. Oksidasi minimal karena aluminium membentuk oksida stabil, namun zona HAZ dan siklus termal dapat menunjukkan pembesaran butir dan pelunakan lokal yang mengurangi ketahanan fatigue.

Desainer harus membatasi suhu layanan kontinu untuk komponen penahan beban pada kisaran 120–150 °C dan mengevaluasi creep serta fatigue untuk komponen yang terkena suhu tinggi dan beban siklik. Untuk paparan jangka pendek atau siklus termal dengan margin desain cukup, 4040 bekerja andal terutama jika pelapis permukaan atau anodizing diterapkan untuk melindungi dari serangan lingkungan.

Aplikasi

Industri	Contoh Komponen	Alasan Penggunaan 4040
Otomotif	Bracket las, kawat pengisi untuk rakitan bodi	Kemampuan las sangat baik dan konduktivitas termal baik untuk pengelasan dan manajemen panas
Maritim	Fitting struktural interior dan rakitan las	Ketahanan korosi sedang dan kemampuan las baik untuk bagian fabrikasi
Aerospace	Fitting non-kritis, bracket manajemen termal	Rasio kekuatan terhadap berat menguntungkan dan mudah fabrikasi untuk struktur sekunder
Elektronik	Heat sink dan housing	Konduktivitas termal baik dipadukan dengan kemampuan pembentukan dan las
Barang Konsumen	Panel peralatan dan profil ekstrusi	Finishing permukaan, kemampuan anodizing dan distorsi rendah saat pengelasan

4040 dipilih ketika kombinasi kemampuan las, performa termal dan kekuatan sedang memberikan solusi yang ekonomis. Keseimbangan sifatnya mendukung baik rakitan las maupun komponen hasil bentuk di mana pengerasan puncak presipitasi tidak diperlukan.

Insight Pemilihan

Pilih 4040 ketika desain Anda membutuhkan kemampuan las sangat baik, konduktivitas termal baik, dan kekuatan sedang dengan kemampuan pembentukan bagus dalam kondisi annealed. Ini sangat cocok untuk fabrikasi las, aplikasi kawat pengisi, dan komponen yang penting untuk pembuangan panas serta performa penyambungan.

Dibandingkan dengan aluminium murni komersial (misalnya, 1100), 4040 menukar sebagian konduktivitas listrik dan kemampuan pembentukan untuk mendapatkan kekuatan yang lebih tinggi serta perilaku kolam las yang lebih baik; pilih 1100 ketika keuletan maksimum atau konduktivitas listrik sangat dibutuhkan. Dibandingkan dengan paduan pengerasan kerja umum (misalnya, 3003 / 5052), 4040 umumnya menawarkan kemampuan las dan kelancaran lelehan yang lebih baik tetapi ketahanan korosi terhadap air laut yang sedikit lebih rendah dibanding paduan 5xxx; pilih 5052 untuk aplikasi kritis pada kulit kapal di lingkungan laut. Dibandingkan dengan paduan yang dapat diperlakukan panas (misalnya, 6061 / 6063), 4040 memberikan kemudahan pengelasan dan kompatibilitas pengisi yang lebih baik tetapi kekuatan tarik puncak yang lebih rendah; pilih 4040 jika kemudahan pengelasan dan kinerja termal lebih penting daripada kebutuhan kekuatan maksimum.

Ringkasan Penutup

4040 tetap menjadi pilihan praktis untuk aplikasi rekayasa yang memprioritaskan kemampuan las, konduktivitas termal yang baik, dan sifat mekanik yang seimbang tanpa kerumitan perlakuan panas. Perilaku larutan padat dan pengerasan kerja yang dimilikinya, dipadukan dengan performa fabrikasi yang dapat diprediksi, menjadikannya paduan yang andal untuk struktur yang dilas, komponen manajemen termal, dan bagian yang dibentuk di berbagai industri.