15CrMo vs 12Cr1MoV – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
Insinyur dan profesional pengadaan umumnya menghadapi pilihan antara 15CrMo dan 12Cr1MoV saat merancang peralatan tekanan, pipa, dan komponen untuk layanan suhu tinggi. Dilema pemilihan biasanya berpusat pada trade-off antara kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep, kemampuan las dan persyaratan perlakuan pasca-las, serta biaya dan ketersediaan material.
Perbedaan metalurgi utama antara kedua baja keluarga Cr–Mo ini adalah keberadaan relatif dan peran molibdenum dan vanadium: satu grade mengandalkan terutama pada penguatan kromium-molibdenum sementara yang lainnya termasuk penambahan vanadium yang terkontrol untuk memperhalus ukuran butir dan memberikan penguatan presipitasi. Karena keduanya adalah baja ferritik paduan rendah yang ditujukan untuk aplikasi suhu tinggi, mereka sering dibandingkan untuk digunakan dalam boiler, bejana tekan, dan sistem pertukaran panas di mana keseimbangan kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan fabrikasi diperlukan.
1. Standar dan Penunjukan
Kedua grade termasuk dalam baja Cr–Mo ferritik paduan rendah yang digunakan dalam aplikasi tekanan dan suhu tinggi. Mereka muncul di bawah berbagai sistem nasional dan internasional; konsultasikan standar spesifik untuk batas kimia dan mekanik yang tepat.
- Sistem standar umum di mana baja Cr–Mo yang setara atau terkait muncul:
- ASME/ASTM (AS) — material bejana tekan dan pipa (pengelompokan P-number untuk kualifikasi perlakuan panas dan prosedur pengelasan)
- EN (Eropa) — penunjukan EN untuk baja paduan rendah yang digunakan dalam boiler dan bejana tekan
- GB (Cina) — grade nasional dan setara untuk baja Cr–Mo
- GOST (Rusia/eks Uni Soviet) — 12Cr1MoV umumnya ditemukan di bawah penunjukan GOST
- JIS (Jepang) — baja Cr–Mo terkait dalam kategori peralatan tekanan
Klasifikasi: baik 15CrMo maupun 12Cr1MoV adalah baja paduan rendah (bukan stainless), biasanya dikategorikan sebagai baja ferritik/pearlitik tahan panas untuk layanan suhu tinggi daripada baja alat atau HSLA yang hanya untuk penggunaan struktural.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut merangkum keberadaan elemen umum dalam istilah kualitatif. Untuk batas komposisi yang tepat, rujuk pada standar atau sertifikat material yang berlaku.
| Elemen | 15CrMo (kualitatif) | 12Cr1MoV (kualitatif) |
|---|---|---|
| C | Rendah (terkontrol untuk ketangguhan dan kemampuan las) | Rendah (terkontrol untuk ketangguhan dan kemampuan las) |
| Mn | Sedang (deoksidasi dan kekuatan) | Sedang |
| Si | Jejak–sedang (deoksidasi) | Jejak–sedang |
| P | Residu (dijaga rendah) | Residu (dijaga rendah) |
| S | Residu (dijaga rendah) | Residu (dijaga rendah) |
| Cr | Elemen paduan utama (meningkatkan oksidasi suhu tinggi dan kekuatan) | Elemen paduan utama (peran serupa) |
| Ni | Biasanya minimal/tidak ada | Biasanya minimal/tidak ada |
| Mo | Ada (memberikan kemampuan pengerasan dan kekuatan creep) | Ada—sering terkontrol pada tingkat yang sama atau lebih tinggi untuk mendukung ketahanan creep |
| V | Tidak ada atau sangat rendah | Ada dalam jumlah terkontrol (mikropaduan untuk pemurnian butir dan penguatan presipitasi) |
| Nb | Tidak ada/jejak | Tidak ada/jejak |
| Ti | Jejak jika ada (deoksidasi/presipitasi) | Jejak jika ada |
| B | Jejak dalam beberapa varian | Jejak dalam beberapa varian |
| N | Residu | Residu |
Penjelasan strategi paduan: - Kromium meningkatkan ketahanan oksidasi dan berkontribusi pada kekuatan suhu tinggi. - Molibdenum meningkatkan kemampuan pengerasan, memperkuat matriks pada suhu tinggi, dan meningkatkan ketahanan terhadap creep dan pelunakan. - Vanadium, ketika digunakan sebagai penambahan mikropaduan, memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya dan membentuk karbida/nitrida stabil yang meningkatkan kekuatan dan ketahanan creep, terutama setelah tempering. Vanadium juga dapat mempengaruhi perilaku tempering dan mengurangi pemisahan batas butir pada suhu tinggi. - Karbon dan mangan seimbang untuk memberikan kekuatan dasar yang diperlukan sambil menjaga kemampuan las yang dapat diterima.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur khas untuk baja Cr–Mo dalam kondisi yang dikirim dan setelah perlakuan panas mengikuti pola ferritik/pearlitik atau martensitik/bainitik yang dipanaskan tergantung pada rute perlakuan panas.
- Sebagai-normalisasi: Kedua grade umumnya menunjukkan martensit/bainit yang dipanaskan atau campuran ferrit-pearlit halus tergantung pada laju pendinginan dan komposisi. Normalisasi memperhalus ukuran butir dan menghomogenkan mikrostruktur.
- Quench dan temper: Untuk persyaratan kekuatan yang lebih tinggi dan ketahanan creep, pendinginan untuk membentuk martensit diikuti dengan tempering menghasilkan martensit/bainit yang dipanaskan. Molibdenum dan vanadium mempengaruhi ketahanan tempering—Mo memperlambat pelunakan, sementara V membentuk presipitat stabil yang menghambat gerakan dislokasi dan creep.
- Proses termo-mekanis: Penggulungan terkontrol dan pendinginan yang dipercepat dapat menghasilkan ferrit dan bainit berbutir halus, meningkatkan ketangguhan dan kekuatan tanpa meningkatkan kekerasan secara berlebihan. Mikropaduan vanadium merespons dengan baik terhadap rute termo-mekanis dengan mempresipitasi karbida/nitrida halus selama pendinginan terkontrol.
- Perlakuan panas pasca-las (PWHT): Kedua grade umumnya memerlukan PWHT untuk layanan bejana tekan untuk menemper zona yang terpengaruh panas (HAZ) dan mengurangi tegangan residu. Kehadiran Mo dan V mengubah kinetika tempering—suhu dan durasi PWHT harus mengikuti standar material dan kode desain.
4. Sifat Mekanik
Nilai mekanik yang tepat tergantung pada standar, bentuk produk, dan perlakuan panas. Tabel di bawah ini memberikan karakteristik mekanik kualitatif yang komparatif.
| Sifat | 15CrMo | 12Cr1MoV |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Sedang hingga tinggi (setelah tempering) | Sedang hingga tinggi; sering sebanding atau sedikit lebih tinggi di bawah perlakuan panas yang serupa |
| Kekuatan luluh | Sedang | Sebanding hingga sedikit lebih tinggi (karena mikropaduan dan penguatan presipitasi) |
| Peregangan (duktilitas) | Baik (cocok untuk pembentukan dan pengelasan) | Baik, tetapi bisa sedikit lebih rendah jika penguatan presipitasi yang lebih tinggi digunakan |
| Ketangguhan impak (suhu ruang / rendah) | Baik dengan perlakuan panas yang sesuai | Baik; vanadium dan butir halus dapat meningkatkan retensi ketangguhan pada suhu tinggi |
| Kekerasan (setelah temper) | Sedang | Sedang; potensi lebih tinggi terhadap pelunakan selama layanan |
Interpretasi: - Mikropaduan 12Cr1MoV dengan vanadium umumnya memberikan ketahanan creep yang lebih baik dan keseimbangan kekuatan–ketangguhan yang lebih baik pada suhu tinggi dibandingkan dengan baja Cr–Mo biasa yang tidak memiliki V, terutama setelah perlakuan panas yang sesuai. - 15CrMo berkinerja baik untuk banyak aplikasi suhu tinggi standar dan mungkin lebih toleran untuk pengelasan dan fabrikasi karena kimia yang lebih sederhana.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las baja Cr–Mo tergantung pada ekuivalen karbon dan kemampuan pengerasan. Dua persamaan yang umum digunakan untuk penilaian kualitatif adalah:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
dan
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi (kualitatif): - Mo dan V yang lebih tinggi meningkatkan istilah $(Cr+Mo+V)$, meningkatkan indeks kemampuan pengerasan yang dihitung dan menunjukkan risiko lebih besar dari pengerasan HAZ dan retak dingin jika praktik pengelasan tidak disesuaikan. - Kedua grade umumnya memerlukan pemanasan awal yang terkontrol dan PWHT wajib untuk layanan bejana tekan. 12Cr1MoV, karena vanadium dan Mo yang terkontrol, mungkin memerlukan kontrol panas yang lebih ketat selama pengelasan dan jadwal PWHT untuk menghindari kerapuhan dan mencapai tempering yang diinginkan dari HAZ. - Bahan pengelasan yang tepat, suhu antar-lapis, dan prosedur PWHT yang ditentukan oleh kode yang mengatur sangat penting. 15CrMo bisa sedikit lebih toleran karena kandungan mikropaduan yang lebih sederhana, tetapi tetap memerlukan PWHT dalam banyak kondisi layanan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 15CrMo maupun 12Cr1MoV bukanlah baja stainless; ketahanan korosi terbatas pada apa yang disediakan oleh paduan (Cr, Mo) dan kondisi permukaan. Pemilihan untuk lingkungan korosif memerlukan pelapisan atau perlindungan katodik.
- Strategi perlindungan yang khas: pengecatan, pelapisan epoksi, pelapisan yang diterapkan di dalam furnace, pelapisan semprot termal, atau galvanisasi di mana kompatibel dengan suhu layanan dan desain (perhatikan bahwa galvanisasi tidak cocok untuk banyak aplikasi suhu tinggi).
- PREN tidak berlaku untuk baja Cr–Mo non-stainless ini, tetapi untuk referensi, rumus PREN adalah:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Indeks ini dirancang untuk baja stainless austenitik dan tidak secara berarti memprediksi ketahanan korosi baja Cr–Mo ferritik. Sebaliknya, toleransi korosi dan sistem perlindungan dipilih berdasarkan lingkungan (mengoksidasi, sulfidasi, mengandung klorida, dll.) dan suhu operasi.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin: Vanadium dan kandungan Mo yang lebih tinggi dapat mengurangi kemampuan mesin dengan mempromosikan karbida yang lebih keras; 15CrMo mungkin lebih mudah diproses dalam beberapa kondisi. Parameter alat dan pemotongan harus mempertimbangkan paduan dan kondisi perlakuan panas.
- Kemampuan pembentukan: Sebagai baja paduan rendah, kedua grade memungkinkan operasi pembentukan standar (pembengkokan, penggulungan) ketika berada dalam rentang temper yang sesuai. Batas pembentukan dingin meningkat seiring dengan meningkatnya kekuatan; pemanasan awal untuk pembentukan mungkin disarankan untuk bagian yang lebih tebal.
- Penyelesaian permukaan: Keduanya memerlukan pemesinan konvensional dan perlakuan permukaan; perilaku penggilingan dan pemolesan mengikuti praktik baja paduan menengah yang khas.
- Input panas selama fabrikasi: Kontrol input panas untuk menghindari pengerasan berlebihan atau pertumbuhan butir. Gunakan PWHT di mana diperlukan oleh kode.
8. Aplikasi Khas
| 15CrMo — Penggunaan Khas | 12Cr1MoV — Penggunaan Khas |
|---|---|
| Pipa dan header boiler untuk layanan uap suhu sedang | Komponen boiler dan pipa suhu tinggi yang memerlukan ketahanan creep yang lebih baik |
| Komponen bejana tekan di mana Cr–Mo yang hemat biaya dapat diterima | Komponen di pembangkit listrik dan unit petrokimia di mana kekuatan suhu tinggi yang berkepanjangan diperlukan |
| Pipa dan fitting untuk minyak & gas pada suhu sedang | Pipa superheater dan reheater, header yang terkena beban creep jangka panjang |
| Bagian struktural yang terpapar suhu tinggi tetapi tidak mengalami creep yang parah | Rumah turbin dan komponen di mana stabilitas butir dan ketahanan creep sangat penting |
Rasional pemilihan: - Pilih 15CrMo ketika biaya, kemudahan fabrikasi, dan penggunaan tekanan-suhu standar sudah memadai. - Pilih 12Cr1MoV ketika kekuatan suhu tinggi jangka panjang, ketahanan creep, dan stabilitas butir di bawah beban siklik diprioritaskan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: 12Cr1MoV biasanya memiliki harga premium dibandingkan dengan grade Cr–Mo yang lebih sederhana karena kontrol kimia yang lebih ketat, penambahan mikropaduan, dan sering kali proses dan inspeksi yang lebih menuntut. 15CrMo sering menjadi pilihan yang hemat biaya untuk banyak tugas suhu tinggi standar.
- Ketersediaan: Kedua grade umumnya tersedia dalam pelat, cincin tempa, batang, dan pipa di daerah di mana industri tenaga fosil dan thermal telah mapan. Permintaan regional dan standardisasi lokal mempengaruhi waktu pengiriman—verifikasi ketersediaan dalam bentuk produk dan perlakuan panas yang Anda butuhkan.
- Tip pengadaan: Minta sertifikat material dan catatan perlakuan panas; tentukan PWHT dan pengujian yang diperlukan sesuai dengan kode peralatan tekanan yang mengatur untuk menghindari masalah substitusi.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | 15CrMo | 12Cr1MoV |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Baik (praktik PWHT standar; sedikit lebih toleran) | Baik tetapi lebih menuntut (kemampuan pengerasan yang lebih tinggi memerlukan pemanasan awal/PWHT yang hati-hati) |
| Kekuatan–Ketangguhan pada T tinggi | Memadai untuk banyak layanan | Ketahanan creep yang lebih baik dan kekuatan jangka panjang karena efek V dan Mo |
| Biaya | Lebih rendah (umumnya lebih hemat biaya) | Lebih tinggi (premium untuk mikropaduan dan kinerja) |
Rekomendasi: - Pilih 15CrMo jika Anda memiliki aplikasi bejana tekan atau pipa standar yang beroperasi pada suhu tinggi sedang di mana biaya, fabrikasi yang lebih mudah, dan praktik PWHT standar adalah pendorong utama. - Pilih 12Cr1MoV jika aplikasi memerlukan ketahanan creep jangka panjang yang superior, stabilitas butir, dan kekuatan suhu tinggi di bawah beban yang berkelanjutan atau siklus termal berulang—meskipun ini meningkatkan biaya material dan pemrosesan serta memerlukan kontrol pengelasan dan PWHT yang lebih ketat.
Catatan pengadaan akhir: selalu validasi penunjukan grade yang tepat dan batas mekanik/kimia terhadap standar dan kode proyek yang dirujuk. Untuk layanan suhu tinggi yang kritis atau durasi panjang, minta data keruntuhan creep, sertifikat pabrik lengkap, dan ikuti prosedur pengelasan yang diperlukan oleh kode serta perlakuan pasca-las untuk memastikan grade yang dipilih memenuhi persyaratan dalam layanan.