15CrMo vs 20CrMo – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

15CrMo dan 20CrMo adalah dua baja paduan kromium-molibdenum yang umum ditemui dalam aplikasi bejana tekan, pembangkit listrik, dan komponen mekanis. Insinyur dan tim pengadaan sering kali memutuskan antara keduanya saat menyeimbangkan persyaratan seperti kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep, dibandingkan dengan kekerasan dan kekuatan ketebalan untuk bagian yang sangat tertekan. Konteks keputusan yang umum termasuk apakah bagian tersebut akan beroperasi dalam durasi yang lama pada suhu tinggi (mendukung stabilitas temper yang lebih rendah/karbon lebih tinggi) atau apakah kekuatan dan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi diperlukan (mendukung grade karbon yang lebih tinggi).

Perbedaan teknis utama antara grade ini terletak pada kandungan karbon mereka dan efek yang dihasilkan pada kemampuan pengerasan dan perilaku tempering: grade karbon yang lebih rendah menawarkan ketangguhan dan layanan yang lebih baik pada suhu tinggi, sementara grade karbon yang lebih tinggi dapat mencapai kekuatan dan ketahanan aus yang lebih tinggi setelah perlakuan panas yang sesuai. Karena keduanya adalah baja Cr-Mo, mereka sering dibandingkan untuk komponen layanan tekanan suhu menengah dan untuk bagian struktural/mekanis di mana kemampuan las, respons perlakuan panas, dan biaya semuanya penting.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar umum dan referensi silang:
• GB/T (Cina): penunjukan seperti 15CrMo dan 20CrMo muncul dalam spesifikasi GB untuk baja bejana tekan.
• EN / DIN: baja Cr-Mo serupa ditemukan di bawah keluarga EN/DIN (misalnya, 13CrMo4-5; kesetaraan yang tepat tergantung pada kimia dan perlakuan panas).
• JIS (Jepang) dan ASTM/ASME (AS): baja setara atau tujuan serupa ada, tetapi kecocokan grade yang tepat memerlukan konfirmasi kimia dan mekanis.
• Klasifikasi:
• Baik 15CrMo maupun 20CrMo adalah baja paduan (baja paduan Cr-Mo rendah), bukan stainless, bukan baja alat, dan bukan HSLA dalam arti yang ketat. Mereka sering digunakan untuk bejana tekan, pipa, dan bagian mekanis yang terpapar suhu tinggi.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: Rentang komposisi nominal yang khas (representatif; verifikasi terhadap standar spesifik atau sertifikat pabrik untuk desain akhir).

Elemen	15CrMo (rentang khas)	20CrMo (rentang khas)
C	0.10–0.18 wt%	0.17–0.24 wt%
Mn	0.35–0.65 wt%	0.35–0.65 wt%
Si	0.10–0.37 wt%	0.10–0.37 wt%
P	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%
S	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%
Cr	~0.8–1.1 wt%	~0.8–1.3 wt%
Mo	~0.12–0.25 wt%	~0.12–0.30 wt%
Ni	≤ 0.30 wt% (jejak)	≤ 0.30 wt% (jejak)
V, Nb, Ti, B, N	Tidak biasanya ditambahkan dalam jumlah signifikan; mungkin ada dalam tingkat jejak/mikro-paduan	Sama

Catatan: - Rentang ini menggambarkan kimia pabrik yang umum ditemui untuk dua nama grade; standar spesifik (GB/T, EN, JIS, ASTM) dan nomor panas menentukan batas yang tepat. - Strategi paduan: Cr dan Mo meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan pada suhu, dan ketahanan tempering. Karbon meningkatkan kekuatan as-quenched dan kemampuan pengerasan tetapi mengurangi duktilitas/ketangguhan dan kemampuan las ketika meningkat. Mangan dan silikon adalah deoksidator dan berkontribusi pada kekuatan dan kemampuan pengerasan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

• Mikrostruktur setelah digulung / dinormalisasi:
• 15CrMo dalam kondisi dinormalisasi biasanya memiliki mikrostruktur ferrite-pearlite atau bainit halus yang telah ditempa dengan kekerasan yang relatif rendah dan ketangguhan yang baik; dipilih untuk bagian tekanan yang beroperasi pada suhu tinggi.
• 20CrMo, dengan karbon yang lebih tinggi dan Cr-Mo yang sebanding, dapat membentuk pearlite yang lebih halus atau bertransformasi menjadi bainit/martensit lebih mudah selama pendinginan cepat, memberikan kekerasan dan kekuatan yang meningkat setelah quench dan temper.
• Efek perlakuan panas:
• Normalisasi/pemurnian: kedua baja merespons normalisasi (pendinginan udara dari suhu austenitizing) dengan menghasilkan ferrite-pearlite halus atau bainit tergantung pada laju pendinginan; 20CrMo cenderung mengembangkan kekerasan yang lebih tinggi karena kandungan karbon.
• Quench dan temper: 20CrMo mencapai kekuatan as-quenched yang lebih tinggi dan kekuatan temper-hardened yang lebih tinggi tetapi lebih rentan terhadap retak quench dan memerlukan kontrol yang lebih ketat terhadap suhu preheat dan interpass untuk pengelasan. 15CrMo mencapai kekuatan yang memadai untuk layanan bejana tekan dengan sensitivitas quench yang lebih rendah.
• Pengolahan termo-mekanis: penggulungan terkontrol dan pendinginan yang dipercepat dapat meningkatkan kekuatan dan ketangguhan untuk kedua grade, tetapi grade karbon yang lebih rendah umumnya memberikan mikrostruktur yang lebih toleran terhadap kerusakan untuk layanan suhu tinggi.

4. Sifat Mekanis

Tabel: Sifat komparatif (perilaku kualitatif/typical; periksa sertifikasi produk untuk nilai yang tepat)

Sifat	15CrMo	20CrMo	Catatan
Kekuatan Tarik	Sedang	Lebih Tinggi	20CrMo mencapai kekuatan tarik yang lebih tinggi setelah quench & temper karena C/kemampuan pengerasan yang lebih tinggi
Kekuatan Luluh	Sedang	Lebih Tinggi	20CrMo luluh pada stres yang lebih tinggi setelah perlakuan panas
Peregangan (%)	Lebih Tinggi (lebih duktil)	Lebih Rendah (kurang duktil)	Karbon yang lebih tinggi mengurangi duktilitas
Ketangguhan Impak	Lebih Baik pada suhu tinggi	Baik pada suhu ambien ketika dikuench/ditemper tetapi lebih rendah pada suhu tinggi	15CrMo dimaksudkan untuk ketangguhan suhu tinggi yang berkelanjutan
Kekerasan (HRC/HRB)	Lebih Rendah (lebih mudah diproses/dibentuk)	Lebih Tinggi (ketika diperlakukan panas)	20CrMo dapat mencapai kekerasan yang lebih tinggi setelah perlakuan panas yang sesuai

Interpretasi: - Untuk kondisi perlakuan panas yang sebanding yang ditujukan untuk layanan bejana tekan (kondisi temper), 15CrMo biasanya menawarkan respons yang lebih duktil dan tangguh pada suhu layanan, sementara 20CrMo dapat digunakan di mana kekuatan as-quenched dan ketahanan aus yang lebih besar diperlukan. - Desainer harus mencocokkan perlakuan panas dengan lingkungan layanan: untuk ketahanan creep, stabilitas temper dan karbon yang lebih rendah dapat diinginkan; untuk komponen yang menahan beban yang memerlukan kekuatan luluh/tarik yang lebih tinggi, karbon yang lebih tinggi/kemampuan pengerasan mungkin diprioritaskan.

5. Kemampuan Las

Kemampuan las tergantung terutama pada ekuivalen karbon dan paduan. Dua indeks empiris yang banyak digunakan 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: - 20CrMo, yang memiliki kandungan karbon lebih besar, umumnya akan memiliki $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang lebih tinggi dibandingkan 15CrMo untuk tingkat Mn, Cr, dan Mo yang sama — menunjukkan kerentanan yang lebih besar terhadap pengerasan HAZ dan retak dingin kecuali perlakuan preheat dan pasca-las (PWHT) yang sesuai diterapkan. - Karbon yang lebih rendah pada 15CrMo mengurangi kebutuhan untuk preheat yang berat dan memungkinkan praktik pengelasan yang lebih toleran, meskipun PWHT masih sering diperlukan untuk layanan bejana tekan untuk mengurangi stres residual dan menetralkan HAZ. - Kedua grade mengandung Cr dan Mo yang meningkatkan kemampuan pengerasan; prosedur pengelasan (preheat, interpass, dan PWHT) harus memenuhi kode (misalnya, ASME Bagian IX) untuk aplikasi tekanan.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Baik 15CrMo maupun 20CrMo bukan stainless; keduanya memerlukan perlindungan permukaan di lingkungan korosif.
• Perlindungan yang umum: pengecatan, sistem pelapisan industri, galvanisasi (di mana sesuai untuk suhu desain dan layanan), atau pelapisan dengan paduan tahan korosi untuk lingkungan yang lebih agresif.
• PREN tidak berlaku untuk baja paduan rendah non-stainless ini, tetapi saat membahas ketahanan korosi untuk paduan stainless, seseorang akan menggunakan:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Untuk ketahanan oksidasi/scale suhu tinggi, kandungan Cr dan Mo membantu, tetapi untuk ketahanan korosi yang sebenarnya (media klorida, asam) paduan stainless atau pelapisan permukaan diperlukan.

7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan

• Kemudahan pemesinan: 15CrMo (karbon lebih rendah) umumnya lebih mudah diproses dibandingkan 20CrMo dalam kondisi perlakuan panas yang serupa. Kekerasan yang lebih tinggi pada 20CrMo meningkatkan gaya pemotongan dan keausan alat.
• Pembentukan/membengkok: 15CrMo lebih baik mentolerir pembentukan dingin dan pembengkokan karena duktilitas yang lebih tinggi; 20CrMo mungkin memerlukan jari-jari bengkok yang lebih rendah atau annealing/normalisasi sebelum pembentukan.
• Penyelesaian: Penggilingan permukaan, pemolesan, dan peledakan tembakan serupa, tetapi kekerasan yang lebih tinggi pada 20CrMo mungkin memerlukan alat yang lebih agresif atau laju umpan yang lebih lambat.
• Pengelasan dan fabrikasi: kedua grade biasanya memerlukan preheat dan PWHT ketika digunakan dalam aplikasi tekanan; derajat dan suhu tergantung pada ekuivalen karbon dan ketebalan.

8. Aplikasi Khas

Tabel: Penggunaan khas

15CrMo	20CrMo
Komponen boiler dan bejana tekan untuk suhu tinggi sedang	Shaft mekanis, stud, baut, dan komponen penahan beban yang memerlukan kekuatan quenched/tempered yang lebih tinggi
Pipa dan fitting di pembangkit listrik di mana ketangguhan pada suhu diperlukan	Gigi, kopling berat, dan bagian struktural di mana kekuatan atau ketahanan aus yang lebih tinggi diperlukan setelah perlakuan panas
Tabung penukar panas, header, dan flens di mana ketahanan creep dan stabilitas temper penting	Komponen press-fit atau shrunk-fit dan bagian yang terkena beban mekanis siklik (setelah perlakuan panas yang sesuai)

Rasional pemilihan: - Pilih 15CrMo di mana kinerja suhu yang berkelanjutan, duktilitas, dan kemampuan las dengan risiko retak hidrogen yang lebih rendah adalah prioritas (bejana tekan dan pipa). - Pilih 20CrMo di mana kekuatan, kekerasan, dan ketahanan aus yang lebih tinggi diperlukan dan di mana perlakuan panas yang terkontrol dapat dilakukan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya bahan baku: keduanya adalah baja paduan Cr-Mo; perbedaan biaya materialnya modest dan sebagian besar dipengaruhi oleh pasokan lokal, bentuk (plat, batang, tabung), dan persyaratan pemrosesan.
• Biaya pemrosesan: 20CrMo dapat membawa biaya pemrosesan yang lebih tinggi karena kontrol perlakuan panas/pengelasan yang lebih ketat dan kemungkinan pemesinan/peralatan yang lebih mahal jika kekerasan yang lebih tinggi ditargetkan.
• Ketersediaan: Kedua grade tersedia secara luas dalam bentuk produk umum (plat, batang, tabung tanpa sambungan) di banyak pasar industri; kondisi perlakuan panas spesifik dan sertifikasi material tekanan diameter besar mungkin lebih terbatas dan memerlukan waktu tunggu yang lebih lama.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel: Perbandingan tingkat tinggi

Atribut	15CrMo	20CrMo
Kemampuan Las	Lebih Baik (CE lebih rendah)	Memerlukan preheat/PWHT yang lebih ketat (CE lebih tinggi)
Kesimbangan Kekuatan-Ketangguhan	Ketangguhan yang baik, kekuatan sedang	Kekuatan yang lebih tinggi dapat dicapai, duktilitas lebih rendah saat dikeraskan
Biaya (material + pemrosesan)	Rendah hingga sedang	Sedang hingga lebih tinggi (tergantung pada perlakuan panas)

Rekomendasi: - Pilih 15CrMo jika Anda memerlukan baja paduan Cr-Mo untuk layanan suhu tinggi sedang, komponen bejana tekan, atau pipa di mana stabilitas temper jangka panjang, ketangguhan, dan kemampuan las yang lebih toleran penting. - Pilih 20CrMo jika Anda memerlukan kekuatan ketebalan yang lebih tinggi atau kemampuan pengerasan untuk bagian mekanis, gigi, shaft, atau komponen yang akan dikuench dan ditemper ke tingkat kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi, dan di mana Anda dapat mengontrol prosedur perlakuan panas dan pengelasan.

Catatan akhir: Selalu konfirmasi sifat mekanis yang diperlukan, kondisi perlakuan panas, dan kimia sertifikat pabrik terhadap kode atau spesifikasi yang berlaku untuk aplikasi Anda. Untuk peralatan tekanan yang dilas, ikuti kode desain yang berlaku (ASME, EN, GB/T) dan validasi prosedur pengelasan dan persyaratan PWHT berdasarkan ekuivalen karbon yang dihitung dan ketebalan.