20# vs 45# – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali memilih antara 20# dan 45# saat menentukan baja karbon biasa untuk poros, roda gigi, pengikat, dan bagian mekanis umum. Keputusan ini biasanya menyeimbangkan kemampuan manufaktur (kemampuan pengelasan, kemampuan pembentukan, dan pemesinan), kinerja mekanis yang diperlukan (kekuatan, kekerasan, dan ketangguhan), serta batasan biaya.
Perbedaan teknis utama antara kedua grade adalah kandungan karbon mereka dan perbedaan yang dihasilkan dalam perilaku mekanis dan respons perlakuan panas. Karena 45# mengandung karbon yang jauh lebih banyak dibandingkan 20#, ia mencapai kekuatan dan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi setelah perlakuan panas tetapi mengorbankan duktilitas dan menjadi lebih menuntut untuk pengelasan dan beberapa operasi pembentukan. Trade-off ini membuat kedua grade saling melengkapi untuk kelas aplikasi dan jalur pemrosesan yang berbeda.
1. Standar dan Penunjukan
- China GB/T: 20# dan 45# (penunjukan domestik yang umum digunakan).
- JIS: S20C (≈ 20#) dan S45C (≈ 45#).
- AISI/ASTM: AISI 1020 (≈ 20#) dan AISI 1045 (≈ 45#).
- EN: C20 dan C45 (keluarga EN 10083; catatan spesifikasi rinci tergantung pada bentuk produk dan perlakuan panas).
Klasifikasi: baik 20# maupun 45# adalah baja karbon biasa (baja karbon tidak paduan/rendah paduan), bukan baja tahan karat, HSLA, atau baja alat. Mereka biasanya disuplai dalam kondisi hot-rolled, dinormalisasi, diregangkan, atau dikuenching dan ditempa tergantung pada aplikasi.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: Rentang komposisi kimia yang khas (wt%) untuk 20# dan 45#. Nilai adalah rentang representatif yang digunakan untuk perbandingan spesifikasi; sertifikasi pemasok yang sebenarnya harus dikonsultasikan untuk kimia yang tepat.
| Elemen | 20# (wt% khas) | 45# (wt% khas) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.42–0.50 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.03–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ≤ 0.25 (jejak) | ≤ 0.30 (jejak) |
| Ni | ≤ 0.30 (jejak) | ≤ 0.30 (jejak) |
| Mo | ≤ 0.08 (jejak) | ≤ 0.08 (jejak) |
| V | ≤ 0.03 (jejak) | ≤ 0.03 (jejak) |
| Nb | ≤ 0.03 (jejak) | ≤ 0.03 (jejak) |
| Ti | ≤ 0.03 (jejak) | ≤ 0.03 (jejak) |
| B | ≤ 0.001 (langka) | ≤ 0.001 (langka) |
| N | ≤ 0.012 (tipikal) | ≤ 0.012 (tipikal) |
Strategi paduan dan efek: - Karbon (C) adalah kontrol utama kekuatan dan kemampuan pengerasan. C yang lebih tinggi meningkatkan kekerasan dan kekuatan yang dapat dicapai setelah dikuenching tetapi mengurangi duktilitas dan kemampuan pengelasan. - Mangan (Mn) meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan tarik serta melawan embrittlement sulfur; 45# biasanya memiliki Mn yang lebih tinggi untuk meningkatkan kekuatan dan kemampuan pengerasan. - Silikon (Si) adalah deoksidator dan berkontribusi secara moderat terhadap kekuatan. - Elemen paduan jejak (Cr, Ni, Mo, V) biasanya minimal dalam grade ini tetapi, jika ada, meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan, dan kadang-kadang ketangguhan.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- 20#: Dalam kondisi umum yang digulung atau dinormalisasi, mikrostruktur didominasi oleh ferit + perlit (kasar atau halus tergantung pada pendinginan dan normalisasi). Kandungan karbon yang rendah menghasilkan fraksi ferit yang lebih besar dan kandungan perlit yang relatif rendah. Normalisasi/pemurnian mengurangi jarak perlit dan meningkatkan keseragaman serta kekuatan secara moderat.
- 45#: Dalam keadaan digulung atau dinormalisasi, mikrostruktur adalah ferit + perlit dengan fraksi perlit yang lebih tinggi dan jarak interdendrit yang lebih halus dibandingkan dengan 20#. Karena kandungan karbon dan Mn yang lebih tinggi, 45# memiliki kemampuan pengerasan yang lebih besar dan dapat membentuk martensit atau bainit saat dikuenching, diikuti dengan temper untuk menghasilkan mikrostruktur quench-and-tempered (martensit yang ditempa) dengan kekuatan dan ketahanan aus yang jauh lebih tinggi.
Efek perlakuan panas: - Normalisasi (pendinginan udara dari di atas Ac3) memperhalus butir dan menghasilkan struktur ferit-perlit yang seragam; kedua grade mendapatkan manfaat, tetapi peningkatan kekuatan lebih terlihat pada 45#. - Quenching dan tempering biasanya diterapkan pada 45# untuk mencapai kekuatan tinggi dan ketahanan kelelahan. 20# memiliki kemampuan pengerasan yang terbatas — quenching akan menghasilkan kandungan martensit yang rendah dan manfaat yang terbatas. - Annealing (full anneal) melembutkan material untuk pemesinan atau pembentukan; 20# mudah diannealing. 45# yang diannealing dapat diproses tetapi masih akan memiliki kekuatan lebih tinggi dibandingkan 20# yang dinormalisasi.
4. Sifat Mekanis
Tabel: Rentang sifat mekanis yang khas berdasarkan kondisi umum (rentang representatif; nilai tepat tergantung pada bentuk produk dan perlakuan panas).
| Sifat | 20# (diannealing/dinormalisasi) | 45# (diannealing/dinormalisasi/dikuenching–ditempa) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ≈ 350–550 (diannealing→dinormalisasi) | ≈ 500–900 (diannealing→QT) |
| Kekuatan luluh (MPa) | ≈ 200–350 | ≈ 300–700 |
| Peregangan (A%) | ≈ 20–30% | ≈ 10–25% (menurun dengan pengerasan) |
| Ketangguhan impak (Charpy V) | Sedang—baik pada suhu ruang saat dinormalisasi | Baik saat ditempa dengan benar; lebih rendah dalam kondisi keras jika tidak ditempa |
| Kekerasan (HB atau HRC) | ≈ 120–200 HB (diannealing→dinormalisasi) | ≈ 150–300 HB (diannealing→QT tergantung pada temper) |
Interpretasi: - 45# menawarkan kekuatan tarik dan kekerasan yang dapat dicapai jauh lebih tinggi setelah perlakuan panas yang sesuai, karena kandungan karbon dan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi. - 20# lebih duktil dan lebih toleran dalam pembentukan; peregangan dan ketangguhan pada 20# umumnya lebih tinggi untuk pemrosesan yang sebanding. - Ketangguhan impak sangat bergantung pada pemrosesan—temper yang memadai setelah quenching sangat penting untuk 45# untuk menghindari perilaku rapuh.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan baja karbon biasa sangat dipengaruhi oleh kandungan karbon dan elemen paduan melalui metrik ekuivalen karbon. Indeks umum:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - 20# (C rendah) biasanya memiliki ekuivalen karbon yang rendah, memberikan kemampuan pengelasan yang baik dengan pemanasan awal yang rendah dan risiko retak hidrogen atau pembentukan martensit keras yang terbatas di zona yang terpengaruh panas (HAZ). Perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) jarang diperlukan untuk ketebalan standar dalam kondisi normal. - 45# (C lebih tinggi dan sedikit lebih tinggi Mn) menghasilkan ekuivalen karbon yang lebih besar; prosedur pengelasan sering kali memerlukan pemanasan awal, suhu antar-passing yang terkontrol, dan pertimbangan PWHT, terutama untuk bagian tebal atau sambungan yang tertekan. Probabilitas pengerasan HAZ dan retak dingin meningkat jika kontrol pengelasan yang tepat tidak digunakan.
Praktik pengelasan: - Gunakan logam pengisi yang cocok dan pemanasan awal/PWHT yang sesuai sesuai dengan panduan CE/Pcm. - Untuk rakitan yang dilas kritis yang terbuat dari 45#, pertimbangkan untuk menggunakan elektroda rendah hidrogen dan melakukan PWHT untuk menetralkan HAZ dan mengurangi tegangan sisa.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 20# maupun 45# adalah baja karbon biasa yang tidak tahan karat dan tidak memiliki ketahanan korosi yang melekat. Metode perlindungan yang umum termasuk pengecatan, pelapisan bubuk, pelumasan, perlakuan fosfat, dan galvanisasi (celup panas atau elektro-galvanisasi) tergantung pada lingkungan dan persyaratan umur layanan.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) digunakan untuk paduan tahan karat dan tidak berlaku untuk baja karbon biasa. Contoh rumus untuk penilaian tahan karat:
$$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Untuk lingkungan yang rentan terhadap korosi, pilih pelapis pelindung atau pertimbangkan paduan tahan karat atau tahan korosi sebagai pengganti 20#/45#.
7. Fabrikasi, Kemampuan Pemesinan, dan Kemampuan Pembentukan
- Pembentukan dan pembengkokan: 20# lebih mudah dibentuk dingin dan dibengkokkan karena kekuatannya yang lebih rendah dan duktilitas yang lebih tinggi. 45# memerlukan lebih banyak tenaga dan mungkin perlu diannealing sebelum pembentukan yang luas.
- Kemampuan pemesinan: Kedua grade dapat diproses dengan baik dalam kondisi diannealing. 45# dalam keadaan diannealing dapat diproses secara prediktif dan dapat menghasilkan finishing permukaan yang lebih baik untuk operasi pemotongan/penggilingan tertentu karena karbon yang lebih tinggi meningkatkan pembentukan chip; namun, 45# yang lebih keras atau dikuenching-tempered lebih sulit dan menyebabkan keausan alat yang lebih cepat. 20# menawarkan keausan alat yang lebih rendah dalam pemesinan umum.
- Penyelesaian permukaan: 45# dapat dikeraskan dan digiling dengan toleransi yang ketat (misalnya, untuk poros dan permukaan aus) setelah dikuenching dan ditempa. 20# cocok di mana toleransi ketat tidak dikaitkan dengan persyaratan kekerasan tinggi.
- Pekerjaan dingin: 20# dapat mentolerir penarikan dingin yang lebih dalam atau pengetukan dingin dibandingkan dengan 45# yang mungkin retak jika tidak diannealing.
8. Aplikasi Khas
| 20# – Penggunaan khas | 45# – Penggunaan khas |
|---|---|
| Komponen struktural umum, pengikat yang dibentuk dingin, rakitan yang dilas, poros beban rendah, poros untuk beban ringan, bagian yang dapat dibentuk dengan stamping | Poros, poros roda, roda gigi, bagian mesin yang memerlukan kekuatan quench-and-temper, batang penghubung, pin, komponen aus di mana kekerasan dan ketahanan kelelahan yang lebih tinggi diperlukan |
| Rangka yang dibuat, forging tujuan umum di mana kemampuan pengelasan dan pembentukan menjadi prioritas | Bagian yang diperlakukan panas untuk transmisi daya, poros engkol dalam aplikasi ringan, pin dowel yang dikeraskan dan dudukan bantalan |
Alasan pemilihan: - Pilih 20# ketika kemampuan pengelasan, kemampuan pembentukan, dan biaya yang lebih rendah menjadi prioritas dan ketika persyaratan kekuatan sedang.
- Pilih 45# ketika desain memerlukan kekuatan tarik, kekerasan, atau umur kelelahan yang lebih tinggi dan ketika bagian akan diperlakukan panas untuk mencapai sifat-sifat ini.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Kedua grade adalah baja komoditas dengan ketersediaan luas dalam bentuk batang, pelat, dan forging. 20# biasanya memiliki biaya bahan baku terendah karena kandungan karbon yang lebih rendah dan pemrosesan yang lebih sederhana untuk banyak aplikasi.
- 45# memiliki harga sedikit lebih tinggi terutama karena kandungan karbon yang lebih tinggi dan penggunaan yang lebih sering dalam produk yang diperlakukan panas dan selesai digiling. Total biaya komponen harus memperhitungkan perlakuan panas dan pemesinan yang diperlukan — bagian yang terbuat dari 45# sering kali mengalami biaya pemrosesan tambahan (quenching, tempering, penggilingan).
- Waktu tunggu umumnya pendek untuk bentuk standar; bentuk khusus atau perlakuan panas tertentu dapat meningkatkan waktu tunggu.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel: Perbandingan cepat
| Atribut | 20# | 45# |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Luar biasa (C lebih rendah, CE lebih rendah) | Sedang hingga menantang (C lebih tinggi, CE lebih tinggi) |
| Seimbang Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan sedang, duktilitas/ketangguhan lebih tinggi | Kekuatan yang dapat dicapai lebih tinggi, duktilitas berkurang jika dikeraskan |
| Biaya | Biaya bahan baku lebih rendah; pemrosesan lebih sederhana | Biaya material sedikit lebih tinggi; sering kali biaya pemrosesan lebih tinggi |
Rekomendasi akhir: - Pilih 20# jika: desain Anda memerlukan kemampuan pengelasan dan pembentukan yang baik, kekuatan sedang sudah cukup, sensitivitas biaya tinggi, atau komponen akan disambung dengan pengelasan dengan pemanasan awal dan PWHT minimal. - Pilih 45# jika: bagian memerlukan kekuatan, kekerasan, atau ketahanan kelelahan yang lebih tinggi yang dapat dicapai dengan quenching dan tempering (misalnya, poros, roda gigi, pin), dan Anda dapat mengakomodasi kontrol pengelasan yang lebih ketat, pemanasan awal, dan kemungkinan PWHT atau operasi pemesinan tambahan.
Catatan penutup: Selalu verifikasi sertifikat kimia dan mekanis yang sebenarnya dari pemasok dan kualifikasi prosedur pengelasan berdasarkan ekuivalen karbon dan geometri bagian. Untuk komponen kritis, lakukan percobaan perlakuan panas dan pengujian mekanis yang representatif dari jalur manufaktur akhir untuk memastikan grade yang dipilih memenuhi persyaratan fungsional dan siklus hidup.