Gear Steel: Properti dan Ikhtisar Aplikasi Utama
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Baja roda gigi adalah kategori khusus dari baja paduan yang dirancang terutama untuk pembuatan roda gigi dan komponen lainnya yang memerlukan kekuatan tinggi, ketangguhan, dan tahan aus. Biasanya diklasifikasikan sebagai baja paduan karbon menengah, baja roda gigi sering mengandung jumlah signifikan elemen paduan seperti krom, nikel, dan molibdenum, yang meningkatkan sifat mekanis dan kinerjanya dalam aplikasi yang menuntut.
Tinjauan Menyeluruh
Baja roda gigi dirancang untuk menahan tuntutan ketat dari aplikasi mekanis, terutama dalam mesin otomotif dan industri. Elemen paduan utama dalam baja roda gigi, seperti karbon (C), krom (Cr), dan nikel (Ni), memainkan peran penting dalam menentukan karakteristiknya. Kandungan karbon biasanya berkisar antara 0,15% hingga 0,25%, memberikan kekerasan dan kekuatan, sedangkan krom dan nikel berkontribusi terhadap ketangguhan dan ketahanan terhadap aus dan kelelahan.
Karakteristik paling signifikan dari baja roda gigi meliputi:
- Kekuatan dan Kekerasan Tinggi: Esensial untuk aplikasi yang menahan beban.
- Ketahanan Aus yang Luar Biasa: Mengurangi laju kehilangan material selama operasi.
- Ketangguhan yang Baik: Mencegah kegagalan rapuh di bawah beban benturan.
Kelebihan:
- Daya Tahan yang Ditingkatkan: Baja roda gigi dirancang untuk menahan kondisi stres tinggi, menjadikannya ideal untuk aplikasi tugas berat.
- Perlakuan Panas yang Serbaguna: Dapat diperlakukan panas untuk mencapai sifat mekanis yang diinginkan, memungkinkan kustomisasi berdasarkan persyaratan aplikasi tertentu.
Limitasi:
- Biaya: Elemen paduan dapat meningkatkan biaya produksi dibandingkan dengan baja karbon standar.
- Kemampuan Las: Beberapa baja roda gigi mungkin memiliki kemampuan las yang terbatas karena kandungan paduannya, memerlukan pemilihan proses pengelasan dan bahan pengisi yang hati-hati.
Secara historis, baja roda gigi telah memainkan peran penting dalam pengembangan mesin, memungkinkan kemajuan di sektor otomotif dan industri. Posisi pasar mereka tetap kuat, dengan inovasi berkelanjutan dalam komposisi paduan dan proses perlakuan panas untuk meningkatkan kinerja.
Nama Alternatif, Standar, dan Ekivalen
| Organisasi Standar | Deskripsi/Kelas | Negara/Region Asal | Catatan/Keterangan |
|---|---|---|---|
| UNS | Gears 8620 | USA | Ekivalen terdekat dengan AISI 8620 |
| AISI/SAE | 8620 | USA | Umum digunakan untuk roda gigi dan poros |
| ASTM | A3042 | USA | Spesifikasi untuk baja roda gigi |
| EN | 20MnCr5 | Europe | Sifat mirip, perbedaan komposisi kecil |
| DIN | 1.6523 | Germany | Ekivalen dengan AISI 8620 |
| JIS | SNCM220 | Japan | Sejajar dengan variasi kecil dalam elemen paduan |
Tabel di atas menyoroti berbagai standar dan ekivalen untuk baja roda gigi. Secara khusus, meskipun kelas seperti AISI 8620 dan EN 20MnCr5 sering dianggap setara, perbedaan halus dalam komposisi dapat mempengaruhi karakteristik kinerja, terutama dalam hal kekerasan dan ketangguhan.
Sifat Utama
Komposisi Kimia
| Elemen (Simbol dan Nama) | Rentang Persentase (%) |
|---|---|
| C (Karbon) | 0,15 - 0,25 |
| Cr (Krom) | 0,4 - 0,6 |
| Ni (Nikel) | 0,5 - 1,0 |
| Mo (Molibdenum) | 0,15 - 0,25 |
| Mn (Mangan) | 0,6 - 0,9 |
| Si (Silikon) | 0,2 - 0,5 |
Peran utama dari elemen paduan kunci dalam baja roda gigi meliputi:
- Karbon (C): Meningkatkan kekerasan dan kekuatan tarik, krusial untuk aplikasi yang menahan beban.
- Krom (Cr): Meningkatkan ketahanan keras dan tahan aus, memperbaiki kinerja baja di bawah stres.
- Nikel (Ni): Meningkatkan ketangguhan dan keuletan, membantu mencegah kegagalan rapuh.
- Molibdenum (Mo): Berkontribusi terhadap kekuatan pada suhu tinggi dan meningkatkan ketahanan keras.
Sifat Mekanis
| Sifat | Kondisi/Temper | Suhu Uji | Nilai/Rentang Tipikal (Metrik) | Nilai/Rentang Tipikal (Imperial) | Standar Referensi untuk Metode Uji |
|---|---|---|---|---|---|
| Kekuatan Tarik | Dipadamkan & Ditemper | Suhu Ruang | 800 - 1000 MPa | 116.000 - 145.000 psi | ASTM E8 |
| Kekuatan Tarik (0,2% offset) | Dipadamkan & Ditemper | Suhu Ruang | 600 - 850 MPa | 87.000 - 123.000 psi | ASTM E8 |
| Peregangan | Dipadamkan & Ditemper | Suhu Ruang | 10 - 15% | 10 - 15% | ASTM E8 |
| Kekerasan (HRC) | Dipadamkan & Ditemper | Suhu Ruang | 28 - 34 HRC | 28 - 34 HRC | ASTM E18 |
| Kekuatan Dampak (Charpy) | Dipadamkan & Ditemper | -20°C (-4°F) | 30 - 50 J | 22 - 37 ft-lbf | ASTM E23 |
Kombinasi sifat mekanis ini membuat baja roda gigi sangat cocok untuk aplikasi yang melibatkan beban dinamis dan lingkungan stres tinggi. Kekuatan tarik dan yield yang tinggi menjamin integritas struktural, sementara peregangan yang memadai dan ketahanan terhadap dampak memberikan keamanan terhadap kegagalan mendadak.
Sifat Fisik
| Sifat | Kondisi/Suhu | Nilai (Metrik) | Nilai (Imperial) |
|---|---|---|---|
| Density | Suhu Ruang | 7.85 g/cm³ | 0.284 lb/in³ |
| Titik Leleh/Rentang | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Kepadatan Termal | Suhu Ruang | 45 W/m·K | 31.2 BTU·in/(hr·ft²·°F) |
| Kapasitas Panas Spesifik | Suhu Ruang | 0.46 kJ/kg·K | 0.11 BTU/lb·°F |
| Resistivitas Listrik | Suhu Ruang | 0.0001 Ω·m | 0.0001 Ω·in |
Sifat fisik kunci seperti densitas dan konduktivitas termal sangat penting untuk aplikasi di mana berat dan disipasi panas sangat penting. Densitas yang relatif tinggi berkontribusi terhadap kekuatan keseluruhan komponen, sementara konduktivitas termal mempengaruhi proses perlakuan panas dan suhu operasional.
Ketahanan Korosi
| Agen Korosif | Konsentrasi (%) | Suhu (°C/°F) | Peringkat Ketahanan | Catatan |
|---|---|---|---|---|
| Klorida | 3-5 | 25°C (77°F) | Rata-rata | Risiko pengerasan |
| Asam Sulfat | 10 | 20°C (68°F) | Kurang baik | Tidak dianjurkan |
| Air Laut | - | 25°C (77°F) | Rata-rata | Ketahanan sedang |
Baja roda gigi menunjukkan ketahanan korosi sedang, terutama di lingkungan dengan klorida dan kondisi asam. Ia rentan terhadap pengerasan dan retak korosi stres (SCC) di lingkungan kaya klorida. Dibandingkan dengan baja tahan karat, baja roda gigi memerlukan pelapis atau perlakuan permukaan untuk meningkatkan umurnya dalam aplikasi korosif.
Jika dibandingkan dengan kelas baja lainnya, seperti 4140 dan 4340, baja roda gigi biasanya menawarkan ketahanan aus yang lebih baik tetapi mungkin lambat dalam ketahanan korosi, memerlukan pemilihan hati-hati berdasarkan lingkungan operasional.
Ketahanan Panas
| Sifat/Batas | Suhu (°C) | Suhu (°F) | Keterangan |
|---|---|---|---|
| Max Suhu Layanan Kontinu | 300°C | 572°F | Di luar ini, sifat akan menurun |
| Max Suhu Layanan Intermiten | 400°C | 752°F | Cocok untuk paparan jangka pendek |
| Suhu Mengelupas | 600°C | 1112°F | Risiko oksidasi di atas suhu ini |
Pada suhu tinggi, baja roda gigi mempertahankan sifat mekanisnya hingga batas tertentu, di luar mana oksidasi dan pengelupasan dapat terjadi. Ini menjadikannya cocok untuk aplikasi yang melibatkan suhu tinggi intermiten, tetapi paparan berkelanjutan harus dihindari untuk mencegah degradasi.
Sifat Fabrikasi
Kemampuan Las
| Proses Pengelasan | Bahan Pengisi yang Direkomendasikan (Klasifikasi AWS) | Gas/Pelindung Umum | Catatan |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Argon/CO2 | Baik untuk bagian tipis |
| TIG | ER80S-Ni | Argon | Lebih disukai untuk las presisi |
| Stick | E7018 | - | Cocok untuk bagian yang lebih tebal |
Baja roda gigi dapat dilas menggunakan berbagai proses, tetapi pemanasan awal dan perlakuan panas pasca las sering kali diperlukan untuk menghindari retakan. Pemilihan bahan pengisi sangat penting untuk memastikan kompatibilitas dan mempertahankan sifat mekanis.
Kemudahan Pemesinan
| Parameter Pemesinan | Baja Roda Gigi (AISI 8620) | Baja Patokan (AISI 1212) | Catatan/Saran |
|---|---|---|---|
| Indeks Kemudahan Pemesinan Relatif | 60% | 100% | Kemudahan pemesinan lebih rendah karena elemen paduan |
| Kecepatan Pemotongan Tipikal (Pusing) | 30-50 m/menit | 60-80 m/menit | Sesuaikan untuk keausan alat |
Kemudahan pemesinan adalah faktor kritis dalam produksi komponen roda gigi. Baja roda gigi umumnya memiliki kemudahan pemesinan yang lebih rendah dibandingkan dengan baja yang bisa diproses dengan bebas, memerlukan penggunaan alat pemotong berkualitas tinggi dan parameter pemesinan yang dioptimalkan.
Formabilitas
Baja roda gigi menunjukkan formabilitas sedang, cocok untuk proses pembentukan dingin dan panas. Namun, karena kandungan paduan, dapat mengalami pengerasan kerja, memerlukan kontrol yang hati-hati terhadap jari-jari pembengkokan dan teknik pembentukan untuk menghindari retakan.
Perlakuan Panas
| Proses Perlakuan | Rentang Suhu (°C/°F) | Waktu Rendam Tipikal | Metode Pendinginan | Tujuan Utama / Hasil yang Diharapkan |
|---|---|---|---|---|
| Pemanasan | 600 - 700°C / 1112 - 1292°F | 1 - 2 jam | Udara | Mengurangi kekerasan, meningkatkan keuletan |
| Pendinginan | 850 - 900°C / 1562 - 1652°F | 30 menit | Minyak/Air | Meningkatkan kekerasan |
| Penempaan | 150 - 300°C / 302 - 572°F | 1 jam | Udara | Mengurangi kerapuhan, meningkatkan ketangguhan |
Proses perlakuan panas sangat mempengaruhi mikrostruktur dan sifat baja roda gigi. Pendinginan meningkatkan kekerasan, sementara penempaan membantu mengurangi stres dan meningkatkan ketangguhan, menjadikannya cocok untuk aplikasi yang menuntut.
Aplikasi Tipikal dan Penggunaan Akhir
| Industri/Sektor | Contoh Aplikasi Spesifik | Sifat Baja Kunci yang Digunakan dalam Aplikasi Ini | Alasan Pemilihan |
|---|---|---|---|
| Otomotif | Gigi Transmisi | Kekuatan tinggi, ketahanan aus | Esensial untuk daya tahan di bawah beban |
| Dirgantara | Kotak Gigi | Ketangguhan, ketahanan kelelahan | Kritis untuk keselamatan dan kinerja |
| Mesin Industri | Sistem Konveyor | Ketahanan aus, kekuatan dampak | Menjamin umur panjang di lingkungan keras |
Aplikasi lainnya termasuk:
- Sistem Gear Laut: Digunakan karena ketahanannya terhadap aus dan kelelahan.
- Peralatan Berat: Komponen seperti poros penggerak dan as mendapat manfaat dari kekuatan dan ketangguhan tinggi.
Baja roda gigi dipilih untuk aplikasi ini karena kemampuannya untuk menahan beban tinggi dan daya tahannya dalam lingkungan yang menantang.
Pertimbangan Penting, Kriteria Pemilihan, dan Wawasan Lebih Lanjut
| Fitur/Sifat | Baja Roda Gigi (AISI 8620) | Kelas Alternatif 1 (AISI 4140) | Kelas Alternatif 2 (AISI 4340) | Catatan Singkat Pro/Kon atau Trade-off |
|---|---|---|---|---|
| Sifat Mekanis Utama | Kekuatan tinggi | Ketangguhan lebih tinggi | Ketahanan kelelahan lebih tinggi | 4140 menawarkan ketangguhan yang lebih baik, 4340 ketahanan kelelahan yang lebih baik |
| Aspek Korosi Utama | Ketahanan sedang | Ketahanan sedang | Ketahanan sedang | Semua memerlukan langkah perlindungan di lingkungan korosif |
| Kemampuan Las | Sedang | Baik | Rata-rata | 4140 lebih mudah dilas dibandingkan dengan baja roda gigi |
| Kemudahan Pemesinan | Lebih rendah | Sedang | Sedang | 4140 dan 4340 lebih mudah diproses |
| Formabilitas | Sedang | Sedang | Sedang | Semua menunjukkan karakteristik formabilitas yang serupa |
| Kira-kira Biaya Relatif | Sedang | Lebih tinggi | Lebih tinggi | Biaya bervariasi berdasarkan elemen paduan |
| Ketersediaan Tipikal | Umum | Umum | Kurang umum | Ketersediaan dapat mempengaruhi jadwal proyek |
Ketika memilih baja roda gigi, pertimbangan mencakup sifat mekanis, ketahanan korosi, kemampuan las, dan biaya. Baja roda gigi sering dipilih karena keseimbangan antara kekuatan dan ketangguhan, tetapi alternatif seperti AISI 4140 dan 4340 mungkin lebih sesuai tergantung pada persyaratan aplikasi tertentu.
Kesimpulannya, baja roda gigi adalah material serbaguna dan kuat yang ideal untuk aplikasi berkinerja tinggi di berbagai industri. Sifat uniknya, dipadukan dengan pemilihan dan pengolahan yang hati-hati, memastikan keandalan dan umur panjang dalam lingkungan yang menuntut.