10# vs 20# – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
10# dan 20# adalah dua jenis baja karbon biasa yang banyak digunakan dalam manufaktur dan konstruksi, sering ditentukan dalam rantai pasokan Cina dan regional. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur biasanya mempertimbangkan trade-off antara biaya, kemampuan pengelasan, kemampuan pembentukan, dan kekuatan saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum termasuk apakah suatu komponen memerlukan duktilitas tinggi dan penyambungan yang mudah (mendukung opsi karbon lebih rendah) atau kekuatan dan ketahanan aus yang lebih tinggi (mendukung opsi karbon lebih tinggi).
Perbedaan teknis utama antara kedua jenis ini adalah kandungan karbonnya: jenis karbon lebih rendah menghasilkan material yang lebih lembut dan lebih duktil dengan kemampuan pengelasan dan perilaku pembentukan yang lebih baik, sedangkan jenis karbon lebih tinggi meningkatkan kekuatan dan kemampuan pengerasan dengan mengorbankan beberapa duktilitas dan kemudahan pengelasan. Karena keduanya adalah baja karbon biasa dengan elemen jejak yang serupa, mereka biasanya dibandingkan untuk bagian yang harus menyeimbangkan kemampuan mesin, respons perlakuan panas, dan biaya.
1. Standar dan Penunjukan
- GB (Cina): 10# dan 20# adalah penunjukan baja karbon biasa konvensional dalam standar Cina (sering digunakan dalam spesifikasi produk GB/T).
- JIS (Jepang): Kelas nominal yang setara dalam JIS menggunakan nama berbasis karbon numerik (misalnya, S10C, S20C adalah kelas yang dapat dibandingkan yang umum).
- ASTM/ASME: Standar AS umumnya menggunakan nomenklatur kelas A36, A106, atau SAE; padanan langsung satu-ke-satu tidak selalu ada karena kelas ASTM menentukan persyaratan sifat mekanik daripada sekadar penamaan “10#”.
- EN (Eropa): Kelas EN mengklasifikasikan baja berdasarkan persyaratan kimia dan mekanik (misalnya, C10, C20 secara konseptual dapat dibandingkan tetapi harus dirujuk silang).
- Klasifikasi: Baik 10# maupun 20# adalah baja karbon biasa (bukan paduan, bukan stainless, bukan HSLA, bukan baja alat). Mereka biasanya digunakan sebagai baja karbon rendah (10#) dan karbon menengah-rendah (20#) dalam manufaktur.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | Rentang tipikal untuk 10# (perkiraan) | Rentang tipikal untuk 20# (perkiraan) |
|---|---|---|
| Karbon (C) | 0.06–0.12 wt% | 0.17–0.24 wt% |
| Mangan (Mn) | 0.25–0.60 wt% | 0.25–0.65 wt% |
| Silikon (Si) | 0.02–0.35 wt% | 0.02–0.35 wt% |
| Fosfor (P) | ≤ 0.035 wt% (maks) | ≤ 0.035 wt% (maks) |
| Belerang (S) | ≤ 0.035 wt% (maks) | ≤ 0.035 wt% (maks) |
| Krom (Cr) | biasanya ≤ 0.30 wt% | biasanya ≤ 0.30 wt% |
| Nikel (Ni) | biasanya ≤ 0.30 wt% | biasanya ≤ 0.30 wt% |
| Molybdenum (Mo) | biasanya ≤ 0.08 wt% | biasanya ≤ 0.08 wt% |
| Vanadium (V) | jejak jika ada | jejak jika ada |
| Nb (Niobium) | jejak jika ada | jejak jika ada |
| Titanium (Ti) | jejak jika ada | jejak jika ada |
| Boron (B) | tidak biasanya ditambahkan | tidak biasanya ditambahkan |
| Nitrogen (N) | jejak | jejak |
Catatan: Ini adalah jendela komposisi tipikal untuk baja karbon biasa komersial 10# dan 20#; standar produk dan produsen mungkin menentukan batas yang sedikit berbeda. Strategi paduan untuk kedua kelas ini berfokus pada tingkat rendah elemen paduan: karbon secara dominan mengatur kekuatan dan kemampuan pengerasan, mangan memodifikasi kekuatan dan deoksidasi, dan silikon adalah deoksidator yang sedikit meningkatkan kekuatan.
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon: kontrol utama kekuatan tarik, kekerasan, dan kemampuan pengerasan; karbon yang lebih tinggi meningkatkan kekuatan dan ketahanan aus tetapi mengurangi duktilitas dan kemampuan pengelasan. - Mangan: meningkatkan kekuatan tarik, kemampuan pengerasan, dan ketangguhan tarik; mengurangi efek berbahaya dari belerang (membentuk MnS). - Silikon: penguatan larutan padat minor dan deoksidator; Si yang berlebihan dapat merusak kualitas permukaan dalam beberapa proses. - Elemen jejak (Cr, Ni, Mo): ketika hadir dalam jumlah kecil, mereka sedikit meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan tetapi tidak khas untuk kelas ini.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - 10#: Dalam kondisi digulung atau dinormalisasi, mikrostruktur didominasi oleh ferit dengan dispersi halus pearlit. Kandungan karbon yang rendah membatasi fraksi pearlit dan mencegah jumlah besar martensit setelah laju pendinginan sedang. - 20#: Kandungan karbon yang lebih tinggi menghasilkan fraksi pearlit yang lebih besar dalam keadaan digulung dan meningkatkan potensi untuk membentuk martensit atau bainit di bawah pendinginan yang lebih cepat atau pendinginan.
Respons perlakuan panas: - Annealing/Full anneal: Kedua kelas akan melunak, mengurangi tegangan sisa, dan menghasilkan campuran ferit-pearlit kasar. 10# mencapai keadaan yang lebih lembut lebih mudah dan lebih cepat karena karbon yang lebih rendah. - Normalisasi: Menghasilkan mikrostruktur ferit-pearlit yang lebih halus dan ketangguhan yang lebih baik dibandingkan dengan keadaan digulung; menguntungkan kedua kelas tetapi menghasilkan kekuatan normalisasi yang lebih tinggi untuk 20# karena karbonnya yang lebih tinggi. - Pendinginan dan tempering (Q&T): 20# merespons lebih baik terhadap Q&T karena karbonnya yang lebih tinggi dan kemampuan pengerasan yang sedikit lebih tinggi memungkinkan pengembangan struktur martensitik yang lebih kuat setelah pendinginan dan tempering yang terkontrol. 10# memiliki kemampuan pengerasan yang terbatas—menghasilkan martensit dengan kekerasan tinggi secara merata lebih sulit dan biasanya tidak ekonomis. - Pemrosesan termo-mekanis: Penggulungan terkontrol dan pendinginan yang dipercepat dapat meningkatkan kekuatan untuk kedua kelas; kandungan karbon menentukan kombinasi kekuatan dan ketangguhan yang dapat dicapai.
4. Sifat Mekanik
| Sifat (tipikal, tergantung pemrosesan) | 10# (rentang perkiraan) | 20# (rentang perkiraan) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~320–470 | ~380–540 |
| Kekuatan luluh (MPa) | ~140–310 | ~200–370 |
| Peregangan (%) | ~20–40 | ~12–30 |
| Ketangguhan impak (Charpy V-notch, J) | umumnya lebih tinggi pada suhu rendah untuk 10# (tergantung proses) | lebih rendah dari 10# pada perlakuan yang sama, tetapi dapat ditingkatkan dengan pemrosesan |
| Kekerasan (HB atau HRC) | lebih rendah dalam kondisi nominal (lebih lembut) | lebih tinggi dalam kondisi nominal (lebih keras) |
Catatan: Nilai-nilai ini bersifat indikatif dan sangat dipengaruhi oleh bentuk produk (plat, batang, batang), ketebalan, dan sejarah termo-mekanis. Secara umum, 20# menunjukkan kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang lebih tinggi karena kandungan karbonnya yang lebih tinggi dan fraksi pearlit yang lebih besar; 10# menawarkan duktilitas yang lebih besar dan biasanya ketangguhan suhu rendah yang lebih baik ketika diproses dengan cara yang sama.
Interpretasi: - Kekuatan: 20# > 10# karena karbon yang lebih tinggi dan peningkatan penguatan pearlit/mikrostruktur. - Ketangguhan/Duktilitas: 10# > 20# dalam kondisi yang dapat dibandingkan karena karbon yang lebih rendah mengurangi fase rapuh dan memungkinkan lebih banyak ferit. - Kekerasan/Ketahanan aus: 20# biasanya lebih keras dan lebih baik untuk bagian yang rentan terhadap aus setelah perlakuan panas minimal.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan baja karbon tergantung terutama pada kandungan karbon, karbon ekuivalen (kemampuan pengerasan) dan elemen residu. Dua indeks empiris yang umum digunakan adalah ekuivalen karbon IIW dan parameter Pcm:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - 10# akan memiliki $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang lebih rendah karena karbon yang lebih rendah, menunjukkan kemampuan pengelasan yang umumnya sangat baik dengan persyaratan pemanasan awal yang rendah dan risiko retak dingin yang minimal ketika prosedur yang tepat digunakan. - 20# memiliki karbon yang lebih tinggi, meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ dan dengan demikian meningkatkan risiko pengerasan martensitik di zona yang terpengaruh panas (HAZ). Untuk bagian yang lebih tebal atau sambungan yang tertekan, pemanasan awal, suhu antar proses yang terkontrol, dan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) mungkin disarankan. - Mikro-paduan dan mangan yang lebih tinggi mempengaruhi kemampuan pengerasan secara moderat; namun, kelas karbon biasa ini jarang mengandung cukup paduan untuk secara drastis mengubah prosedur pengelasan di luar yang ditentukan oleh kandungan karbon dan ketebalan bagian.
Praktik terbaik: gunakan input panas yang lebih rendah dan pendinginan terkontrol untuk 20# di bagian yang lebih tebal, dan tentukan pemanasan awal atau PWHT sesuai dengan spesifikasi prosedur pengelasan ketika ambang ekuivalen karbon terlampaui.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 10# maupun 20# adalah baja karbon non-stainless; ketahanan korosi intrinsik terbatas dan serupa antara kelas. Pemilihan di antara mereka harus mengasumsikan perlunya langkah-langkah perlindungan di lingkungan korosif.
- Mitigasi tipikal: galvanisasi, pelapis pelindung (cat, lapisan bubuk), pelapisan, atau inhibitor spesifik aplikasi. Untuk bagian struktural luar ruangan, galvanisasi celup panas atau sistem cat yang kuat adalah umum.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) tidak berlaku untuk baja karbon biasa; ini relevan untuk kelas stainless:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Cadangan korosi, perlindungan katodik, dan pemilihan sistem pelapisan harus didasarkan pada lingkungan, umur yang diharapkan, dan rejim inspeksi daripada perbedaan kecil dalam komposisi antara 10# dan 20#.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Pemotongan dan pemesinan: 20# lebih keras dan biasanya memerlukan gaya pemotongan yang lebih tinggi dan dapat mengurangi umur alat relatif terhadap 10#. Namun, perbedaan ini moderat untuk rentang karbon rendah; strategi dan kecepatan alat harus disesuaikan untuk meningkatkan kandungan karbon.
- Pembentukan dan pembengkokan: 10# lebih unggul untuk pembentukan dingin, penarikan dalam, dan pembengkokan radius ketat karena duktilitas yang lebih tinggi. 20# lebih rentan terhadap springback dan memerlukan radius bengkok yang lebih besar atau lebih banyak gaya.
- Penyambungan dan pengencangan: 10# lebih mudah untuk membentuk ulir dingin dan untuk disambung dengan pengelasan; 20# memungkinkan pengencangan yang lebih kuat tetapi mungkin memerlukan perlakuan panas pasca sambung dalam aplikasi kritis dengan kekuatan tinggi.
- Penyelesaian permukaan: kedua kelas menerima operasi penyelesaian tipikal (penggilingan, pemolesan, pelapisan); 20# mungkin menunjukkan pengerasan kerja yang lebih tinggi yang mempengaruhi kualitas penyelesaian akhir untuk toleransi yang sangat ketat.
8. Aplikasi Tipikal
| 10# (karbon rendah) | 20# (karbon lebih tinggi) |
|---|---|
| Komponen yang dibentuk dingin, bagian struktural umum, panel dalam otomotif, braket ringan, rakitan fabrikasi yang dilas di mana duktilitas dan kemampuan pengelasan penting | Shaft, poros, stud, baut (di mana kekuatan atau ketahanan aus yang lebih tinggi diperlukan), anggota struktural dengan persyaratan beban yang lebih tinggi, bagian mesin yang mendapat manfaat dari baja yang dapat dikeraskan |
| Shaft dengan stres rendah, sambungan yang dibaut atau dirivet, pipa tekanan rendah (non-kritis) | Bagian yang dimaksudkan untuk perlakuan panas untuk meningkatkan kekuatan (dijemur/ditemper atau dinormalisasi) |
| Wire yang ditarik, tabung yang dibentuk, pengencang yang memerlukan pembentukan signifikan | Bagian yang rentan terhadap aus (setelah perlakuan panas yang sesuai), komponen tempa dengan kekuatan menengah |
Rasional pemilihan: - Pilih 10# ketika kemudahan pembentukan, pengelasan, dan penyelesaian permukaan adalah prioritas dan persyaratan kekuatan bersifat moderat. - Pilih 20# ketika kekuatan yang lebih tinggi saat diproduksi atau kemungkinan meningkatkan kekuatan melalui perlakuan panas diperlukan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: Kedua kelas adalah baja karbon biasa komoditas dan termasuk di antara opsi dengan biaya terendah. 10# biasanya sedikit lebih murah karena karbon yang lebih rendah dan pemrosesan yang sedikit lebih sederhana, tetapi harga pasar didominasi oleh campuran produk pabrik baja dan permintaan daripada biaya intrinsik kelas.
- Ketersediaan: Keduanya tersedia secara luas dalam bentuk batang, rod, plat, dan kawat. 10# dan 20# memiliki rantai pasokan yang luas di daerah yang menggunakan nomenklatur GB/JIS. Waktu tunggu biasanya singkat untuk ukuran standar; bentuk khusus (batang diameter besar, toleransi ketat, atau laporan uji pabrik bersertifikat) dapat meningkatkan biaya dan waktu tunggu.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 10# | 20# |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Sangat baik (CE lebih rendah) | Baik hingga moderat (memerlukan pemanasan awal/PWHT di bagian yang lebih tebal) |
| Seimbang kekuatan–ketangguhan | Kekuatan lebih rendah, duktilitas/ketangguhan lebih tinggi | Kekuatan lebih tinggi, kurang duktil kecuali diproses secara khusus |
| Biaya relatif | Sedikit lebih rendah atau sebanding | Sedikit lebih tinggi atau sebanding |
Rekomendasi: - Pilih 10# jika Anda memerlukan kemampuan pembentukan yang lebih baik, pengelasan yang lebih mudah, duktilitas yang lebih tinggi, risiko retak HAZ yang lebih rendah, atau fabrikasi volume tinggi yang sensitif terhadap biaya di mana perlakuan pasca pengelasan tidak diinginkan. - Pilih 20# jika Anda memerlukan kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang lebih tinggi saat diproduksi, ketahanan aus yang lebih baik, atau opsi untuk memperlakukan panas komponen ke tingkat kekuatan yang lebih tinggi dan rencana fabrikasi mengakomodasi pemanasan awal, pendinginan terkontrol, atau PWHT.
Catatan akhir: Pemilihan material harus mempertimbangkan geometri bagian, ketebalan bagian, beban layanan yang diharapkan, metode penyambungan, dan perlakuan panas pasca-manufaktur yang diperlukan. Ketika ragu, tentukan persyaratan sifat material (tarik, luluh, peregangan, ketangguhan) dan batasan manufaktur daripada hanya nama kelas, dan konsultasikan sertifikat pabrik atau data metalurgi yang berkualitas untuk aplikasi kritis.