Aluminium 4140: Komposisi, Sifat, Panduan Temper & Aplikasi

Ikhtisar Komprehensif

Penunjukan "4140" secara luas dikenal dalam nomenklatur baja sebagai paduan krom-molibdenum; tidak ada paduan aluminium tunggal yang secara universal diterima dan tercantum dalam standar utama sebagai "AA 4140." Untuk kejelasan dan kegunaan teknik, artikel ini memperlakukan "Aluminium 4140" sebagai representatif umum dari keluarga Al‑Si 4xxx — kelas paduan cor silicon yang kaya dan biasanya dipakai untuk logam pengisi, brazing, soldering, dan beberapa profil struktural ekstrusi.

Paduan aluminium tipe 4xxx terutama dipadu dengan silikon (Si) dan diklasifikasikan dalam seri 4xxx Asosiasi Aluminium. Mekanisme penguatan utama pada keluarga ini adalah penguatan larutan padat dari silikon dan pengerjaan dingin; paduan ini tidak merespon pengerasan secara klasik melalui presipitasi dan oleh karenanya tidak dapat dilakukan perlakuan panas seperti pada paduan 2xxx/6xxx/7xxx.

Ciri utama paduan Al‑Si meliputi kelenturan leleh yang sangat baik dan kemampuan basah yang tinggi (menjadikannya pilihan utama untuk logam pengisi las/brazing), kekuatan statis sedang dibandingkan dengan aluminium murni, ketahanan korosi yang baik di banyak atmosfer, dan kemampuan las yang sangat baik. Kemampuan pembentukan umumnya baik dalam kondisi annealed namun menurun dengan pengerasan regangan; kemampuan mesin umumnya menguntungkan karena silikon mendukung pembentukan serpihan pendek dan kestabilan dimensi.

Industri yang menggunakan paduan Al‑Si (4xxx) termasuk otomotif (logam pengisi las dan brazing untuk penukar panas), HVAC (radiator dan kondensor), peralatan rumah tangga, penghantar listrik dimana diperlukan sifat pengisi, dan beberapa struktur non-primer dan fixture di kedirgantaraan. Insinyur sering memilih paduan 4xxx ketika menggabungkan paduan aluminium yang berbeda atau ketika dibutuhkan kelenturan leleh/basah yang unggul; pilihan ini menukar puncak kekuatan mekanik demi performa penggabungan dan efisiensi biaya manufaktur.

Varian Temper

Temper	Tingkat Kekuatan	Elongasi	Formabilitas	Lasabilitas	Catatan
O	Rendah	Tinggi	Unggul	Unggul	Annealed penuh; terbaik untuk pembentukan dan brazing
H12 / H14	Sedang	Sedang	Baik	Unggul	Pengerjaan dingin ringan; keseimbangan kekuatan dan formabilitas
H18 / H24	Sedang-Tinggi	Rendah-Sedang	Cukup	Unggul	Pengerasan regangan atau sebagian annealed untuk kekuatan lebih tinggi
H32	Sedang	Sedang	Baik	Unggul	Distabilkan setelah pengerasan regangan; digunakan saat stabilitas dimensi diperlukan
T4 (jika digunakan)	Rendah	Tinggi	Unggul	Unggul	Beberapa varian 4xxx mungkin menjalani pelepasan tegangan dengan perlakuan suhu rendah

Temper annealed (O) menawarkan kelenturan tertinggi dan formabilitas terbaik yang biasanya dipilih untuk penarikan dalam dan operasi pembentukan dingin yang intensif. Temper pengerasan regangan (H1x/H2x) meningkatkan kekuatan luluh dan tarik dengan meningkatkan kepadatan dislokasi, tapi mengurangi elongasi dan meningkatkan springback; lasabilitas tetap sangat baik di semua temper karena silikon menurunkan kecenderungan keretakan kristalisasi.

Komposisi Kimia

Elemen	Rentang %	Catatan
Si	4.5–12.0	Elemen paduan utama; mengontrol rentang leleh, kelenturan leleh, dan penguatan larutan padat
Fe	0.4–1.5	Pengotor umum; membentuk intermetallic yang dapat mengurangi kelenturan dan mempengaruhi kualitas permukaan
Mn	0.05–0.6	Modifikator struktur butir; meningkatkan kekuatan secara moderat dan mengurangi keretakan panas
Mg	0.0–0.5	Dapat hadir dalam jumlah kecil; mendukung presipitasi tertentu jika dikombinasikan dengan Si dalam kimia khusus
Cu	0.0–0.5	Umumnya rendah; meningkatkan kekuatan namun dapat mengurangi ketahanan korosi
Zn	0.0–0.5	Biasanya rendah; dapat mempengaruhi perilaku galvanik dalam rakitan
Cr	0.0–0.25	Jumlah jejak untuk mengontrol pertumbuhan butir dan rekristalisasi pada beberapa varian
Ti	0.0–0.2	Penghalus butir bila ditambahkan secara sengaja dalam jumlah kecil
Lainnya	Balance (Al)	Elemen jejak minor (misal B, Sr) dapat ditambahkan untuk memodifikasi morfologi silikon

Silikon adalah elemen penentu: semakin tinggi Si maka kelenturan leleh meningkat dan suhu leleh menurun (menguntungkan untuk tujuan brazing/logam pengisi), namun kelebihan Si mendorong intermetallic keras dan rapuh kaya Si yang dapat menurunkan kelenturan. Besi membentuk intermetallic berbentuk pelat atau jarum yang mengurangi kemampuan pembentukan dan kualitas permukaan, sehingga dikendalikan kadarnya. Penambahan kecil Mn, Ti, atau Cr digunakan untuk memurnikan mikrostruktur cetak atau ekstrusi serta meningkatkan kestabilan mekanik selama siklus termal.

Sifat Mekanik

Perilaku tarik paduan aluminium tipe 4xxx ditandai oleh kekuatan tarik ultimate sedang dan kekuatan luluh relatif rendah dalam kondisi annealed; pengerjaan dingin meningkatkan kekuatan luluh secara signifikan namun mengurangi kelenturan. Elongasi dalam kondisi annealed biasanya tinggi (baik untuk pembentukan), dan mode kerusakan umumnya duktile dengan partisipasi intermetallic rapuh jika kadar Si atau Fe tinggi.

Kekerasan berkorelasi dengan temper dan kandungan Si: paduan 4xxx annealed lunak dibandingkan paduan aluminium yang dapat diperlakukan panas, sedangkan temper pengerasan regangan dapat mencapai kekerasan berguna untuk aplikasi struktural. Performa kelelahan umumnya lebih rendah dibanding puncak kemampuan paduan 6xxx atau 7xxx; umur lelah sensitif terhadap kualitas permukaan, HAZ pengelasan, serta ukuran dan distribusi partikel intermetallic.

Ketebalan sangat berpengaruh: plat tipis merespon dengan baik untuk penarikan dalam dan brazing, sementara plat/ekstrusi lebih tebal mempertahankan kekakuan as-fabrikasi yang lebih tinggi tapi dapat menunjukkan mikrostruktur kasar dan ketangguhan berkurang; pelunakan HAZ pengelasan biasanya bukan masalah kritis karena paduan ini tidak mengeras melalui presipitasi.

Sifat	O/Annealed	Temper Kunci (H14/H24)	Catatan
Kekuatan Tarik	80–150 MPa	150–260 MPa	Rentang luas mencerminkan kadar Si dan pengerjaan dingin; temper H meningkatkan UTS
Kekuatan Luluh	30–90 MPa	110–200 MPa	Kekuatan luluh meningkat signifikan dengan pengerasan regangan
Elongasi	20–35%	6–18%	Kondisi annealed memberikan elongasi terbaik untuk pembentukan
Kekerasan (HB)	25–60 HB	60–100 HB	Kekerasan naik seiring dengan kandungan Si dan pengerjaan dingin

Sifat Fisik

Sifat	Nilai	Catatan
Kepadatan	2.68 g/cm³	Tipikal untuk paduan cor Al‑Si; sedikit lebih ringan dibanding baja
Rentang Leleh	577–660 °C	Eutektik Al‑Si menurunkan titik leleh cair dengan kandungan Si lebih tinggi; titik cair bervariasi sesuai %Si
Konduktivitas Termal	110–150 W/m·K	Lebih rendah dari aluminium murni namun masih baik untuk aplikasi perpindahan panas
Konduktivitas Listrik	30–45 % IACS	Berkurang dibanding grade aluminium murni karena silikon dan pelarut lain
Kalor Spesifik	≈0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Tipikal untuk paduan aluminium pada suhu ruang
Ekspansi Termal	23–25 µm/m·K	Seimbang dengan paduan aluminium lain; penting untuk rakitan dengan sambungan

Konduktivitas termal yang relatif tinggi dan kepadatan sedang menjadikan paduan Al‑Si menguntungkan untuk aplikasi yang memerlukan perpindahan panas dan bobot ringan, seperti penukar panas dan radiator otomotif. Konduktivitas listrik yang berkurang dibandingkan aluminium murni membatasi penggunaannya sebagai penghantar listrik utama, namun tetap dapat diterima untuk banyak aplikasi struktural dan sambungan dimana performa listrik bukan prioritas utama.

Formulir Produk

Formulir	Ketebalan/Ukuran Tipikal	Perilaku Kekuatan	Temper Umum	Catatan
Plat Tipis (Sheet)	0.3–6.0 mm	Baik pada kondisi O; dapat diperkuat dengan pengerolan dingin (strain hardened)	O, H14, H24	Umum digunakan untuk brazing, cladding, sirip penukar panas
Plat Tebal (Plate)	6–50 mm	Ketangguhan menurun pada ketebalan lebih besar; mikrostruktur lebih kasar	O, H32	Kurang umum; digunakan untuk komponen struktural yang menuntut kemampuan las tinggi
Ekstrusi (Extrusion)	Profil hingga beberapa meter	Stabilitas dimensi baik; kekuatan diperoleh dari kerja dingin	O, H14, H18	Si membantu aliran saat ekstrusi; digunakan untuk profil arsitektural
Pipa (Tube)	Ø 6–200 mm	Ketebalan dinding konsisten; kemampuan las baik	O, H24	Umum digunakan pada kondensor dan pipa penukar panas
Batang / Rod	Ø 3–50 mm	Kelancaran machining bagus	O, H14	Sering disuplai sebagai kawat/pengisi las dan brazing

Plat tipis dan pipa yang dibuat dari paduan Al‑Si dioptimalkan untuk penyambungan dan perpindahan panas, bukan untuk kekuatan statis maksimal. Ekstrusi memanfaatkan kemampuan silikon untuk memperbaiki aliran melalui die, memungkinkan profil rumit. Batang dan rod sering digunakan sebagai bahan baku kawat pengisi di mana karakteristik leleh merupakan sifat utama yang dibutuhkan.

Grade yang Setara

Standar	Grade	Wilayah	Catatan
AA	— (tidak ada AA‑4140 terdaftar)	USA	4140 bukan grade aluminium yang distandarisasi oleh AA; gunakan AA‑4043/4047 untuk filler Al‑Si umum
EN AW	EN AW‑4043 / EN AW‑4047	Eropa	Paduan filler/braze Si umum; nomenklatur EN AW sesuai dengan keluarga AlSi5 dan AlSi12
JIS	A4043	Jepang	Filler las yang banyak digunakan di Jepang setara dengan AlSi5
GB/T	AlSi5 / AlSi12	Tiongkok	Standar nasional untuk paduan filler kaya Si yang dipakai untuk las/brazing

Karena "4140" bukan penamaan yang resmi dari Aluminum Association, biasanya engineer memilih paduan AlSi yang sudah distandarisasi (misal AA‑4043 atau EN AW‑4047) dengan kandungan Si dan batas impuritas yang terdefinisi. Perbedaan antar standar terletak pada batas impuritas (Fe, Cu) dan elemen jejak yang diizinkan; perbedaan ini berpengaruh pada duktibilitas, kemampuan membasahi (wetting), dan kualitas permukaan pada produk akhir.

Ketahanan Korosi

Paduan Al‑Si umumnya menunjukkan ketahanan korosi atmosfer yang baik berkat lapisan oksida alami aluminium. Di lingkungan pedesaan dan industri, performa ketahanannya baik, meski korosi lokal dapat terjadi pada area konsentrasi partikel intermetallic (fase kaya Fe), yang menciptakan sel galvanik mikro dan memicu pitting bila terkena klorida.

Di lingkungan laut, paduan Al‑Si menunjukkan ketahanan sedang, namun biasanya kalah jika dibandingkan dengan paduan Al‑Mg seri 5xxx untuk paparan air laut jangka panjang. Strategi proteksi seperti anodizing, pelapis organik, atau proteksi katodik sering digunakan untuk mengurangi risiko pitting dan korosi celah akibat klorida.

Sensitivitas terhadap stress corrosion cracking (SCC) pada paduan Al‑Si relatif rendah dibandingkan dengan paduan Al‑Zn (serien 7xxx) atau Al‑Cu (serien 2xxx) yang berdaya tahan tinggi; namun, SCC lokal bisa menjadi perhatian di lingkungan sangat korosif dikombinasikan dengan tegangan tarik berkelanjutan. Interaksi galvanik harus dikelola dengan hati-hati: kontak Al‑Si dengan baja tahan karat atau paduan tembaga bisa bereaksi anodis dan mengalami korosi lebih dulu jika tidak dipisahkan secara elektrik.

Properti Fabrikasi

Kemampuan Las

Paduan Al‑Si (seri 4xxx) adalah salah satu keluarga aluminium yang paling mudah dilas. Silikon mengurangi masalah rentang pembekuan dan menurunkan kerentanan terhadap hot cracking, sehingga sangat baik sebagai paduan filler (misal 4043, 4047) untuk las TIG dan MIG pada sebagian besar substrat aluminium. Pilihan filler yang direkomendasikan untuk penyambungan perakitan aluminium biasanya mencocokkan chemistry paduan dasar, guna mengoptimalkan kemampuan membasahi dan meminimalkan retak; kontrol pemanasan awal dan kecepatan sambungan membantu mengurangi porositas dan pelunakan HAZ tidak terlalu menjadi masalah karena paduan ini tidak diperkuat lewat pengerasan presipitasi.

Kelancaran Machining

Kelancaran machining paduan Al‑Si cukup baik karena Si mempromosikan pembentukan serpihan pendek dan rapuh; alat carbide dengan geometri pahat positif dan kecepatan pemotongan tinggi sangat direkomendasikan. Feed dan kecepatan dipilih untuk menghindari terbentuknya built-up edge; pendingin atau tiupan udara membantu pengeluaran serpihan dan hasil akhir permukaan. Pada kandungan Si lebih tinggi yang memicu sifat abrasif, umur alat dapat menurun sehingga bahan alat harus dipilih untuk ketahanan aus.

Formabilitas

Pembentukan terbaik dilakukan pada kondisi anil (annealed/O) di mana regangan dan kemampuan membengkokkan maksimal. Radius tekukan minimum dalam untuk plat tipis biasanya 1–2×T (tebal) tergantung kandungan Si dan temper; temper pengerolan dingin memerlukan radius lebih besar dan langkah pembentukan bertahap. Pembentukan panas bisa dipakai untuk geometris kompleks, tetapi harus hati-hati menghindari pertumbuhan butir kasar dan oksidasi permukaan yang dapat menurunkan kualitas penyambungan selanjutnya.

Perilaku Perlakuan Panas

Paduan Al‑Si seri 4xxx secara umum tidak dapat diperlakukan panas dengan cara pengerasan presipitasi klasik seperti paduan seri 6000/7000. Mereka tidak merespon perlakuan larutan dan penuaan buatan untuk peningkatan kekuatan yang signifikan; silikon sebagian besar tetap dalam larutan padat atau sebagai partikel Si eutektik. Jika dilakukan pemrosesan termal, biasanya untuk relief tegangan, perbaikan struktur butir, atau modifikasi morfologi Si menggunakan modifier seperti Sr atau Na.

Pengerasan kerja (work hardening) adalah cara utama menaikkan kekuatan: pengerolan dingin atau penarikan terkendali menaikkan kerapatan dislokasi dan kekuatan luluh dengan pengorbanan duktibilitas. Annealing dipakai untuk mengembalikan duktibilitas bila diperlukan; siklus anneal biasanya dilakukan di bawah titik leleh Al‑Si agar tidak terjadi pelelehan parsial. Beberapa paduan filler Al‑Si bisa menjalani siklus termal singkat untuk menyamakan mikrostruktur demi memperbaiki performa brazing, namun ini bersifat spesifik proses dan bukan untuk meningkatkan sifat mekanik jangka panjang.

Performa Suhu Tinggi

Paduan Al‑Si mulai kehilangan kekuatan statis yang berguna pada suhu tinggi di atas sekitar 150–200 °C; ketahanan creep jangka panjang terbatas jika dibandingkan dengan aluminium suhu tinggi khusus atau paduan tempa yang diformulasikan untuk kondisi layanan tinggi. Kehadiran partikel silikon memperbaiki stabilitas dimensi suhu tinggi dengan memberikan penguatan partikel, tetapi retensi kekuatan kontinu buruk di atas 250 °C.

Oksidasi di udara terbatas pada pembentukan lapisan pelindung Al2O3 yang memperlambat degradasi lebih lanjut; namun pada suhu tinggi pengelupasan skala atau interaksi dengan atmosfer agresif (mengandung sulfur, garam cair) dapat mempercepat serangan permukaan. Zona pengaruh panas (HAZ) hasil pengelasan tidak mengalami siklus pelarutan/presipitasi yang khas di paduan aluminium pengerasan presipitasi, tetapi paparan suhu tinggi lama dapat menyebabkan kasar mikrostruktur dan menurunkan ketangguhan.

Aplikasi

Industri	Contoh Komponen	Mengapa 4140 Digunakan
Otomotif	Radiator dan kondensor brazed	Kemampuan membasahi dan aliran yang sangat baik untuk sambungan brazed; konduktivitas termal bagus
HVAC	Sirip dan pipa penukar panas	Bobot ringan, konduktivitas termal tinggi serta formabilitas bagus di kondisi anil
Aerospace (non-primer)	Saluran udara, fitting, bracket	Ringan, tahan korosi baik, mudah disambung untuk komponen non-kritis
Peralatan Konsumen	Cooktop, komponen oven, housing	Produksi efisien dan perpindahan panas baik
Consumables Pengelasan	Batang/kawat filler	Rentang leleh dan kemampuan membasahi dikontrol untuk sambungan Al-Al

Singkatnya, paduan Al‑Si (seri 4xxx) unggul pada performa sambungan, kelancaran leleh, dan sifat mekanik moderat daripada kekuatan puncak. Mereka banyak digunakan sebagai bahan filler dan dalam sistem termal karena atribut termal, kimia, dan mekanik yang seimbang.

Wawasan Pemilihan

Perlakukan "4140" sebagai keputusan paduan 4xxx (Al‑Si): pilih saat kemampuan las, kelancaran leleh, dan performa termal lebih penting daripada kekuatan statis maksimum. Untuk perakitan yang memerlukan brazing atau penyambungan substrat aluminium berbeda, filler seri 4xxx sering menjadi pilihan paling andal dan ekonomis.

Dibandingkan aluminium murni komersial (1100), paduan 4xxx mengorbankan sebagian konduktivitas listrik dan formabilitas untuk kekuatan jauh lebih tinggi dan perilaku leleh/membasahi yang jauh lebih baik — berguna saat penyambungan dan performa termal penting. Dibandingkan paduan aluminium pengerasan kerja seperti 3003 atau 5052, paduan 4xxx umumnya menawarkan ketahanan korosi serupa atau sedikit lebih rendah, tetapi dengan performa leleh dan kemudahan brazing yang lebih baik; posisi kekuatannya menempati tengah antara kekuatan dan kemampuan penyambungan. Dibandingkan paduan yang dapat diperlakukan panas seperti 6061/6063, paduan 4xxx memberikan kekuatan puncak lebih rendah namun performa penyambungan/brazing yang lebih unggul dan biasanya biaya lebih rendah.