20Cr vs 30Cr – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
20Cr dan 30Cr adalah dua baja paduan rendah yang umum digunakan untuk komponen yang dikeraskan atau dipanaskan dan ditempa dalam transmisi daya, roda gigi, poros, dan bagian struktural di mana keseimbangan antara ketahanan aus permukaan dan ketangguhan inti diperlukan. Insinyur dan profesional pengadaan sering memilih di antara keduanya ketika menghadapi pertimbangan antara kekuatan, ketangguhan, kemampuan pengerasan, biaya, dan kemampuan mesin. Konteks keputusan yang umum termasuk menentukan bahan untuk set roda gigi di mana kekerasan permukaan dan duktilitas inti penting, atau untuk poros yang harus tahan terhadap torsi dan guncangan sesekali.
Perbedaan utama antara kedua grade adalah bahwa 30Cr dipaduan untuk mencapai kekuatan massa dan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dibandingkan 20Cr—ini dicapai terutama melalui peningkatan moderat dalam karbon dan kromium (dan kadang-kadang elemen mikro paduan penguat lainnya). Karena ini, 30Cr umumnya memberikan kekuatan dan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dengan mengorbankan sedikit pengelasan dan kemampuan mesin dibandingkan dengan 20Cr. Kontras ini membuat pasangan ini menjadi perbandingan yang berguna saat memilih baja untuk komponen mekanis dengan beban sedang hingga tinggi.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar umum dan nomenklaturnya:
- GB/T (Cina): 20Cr, 30Cr (sering ditentukan untuk komponen yang dikeraskan dan dipanaskan)
- JIS (Jepang): grade serupa ada di bawah kode yang berbeda (misalnya, SCM, SN) tetapi mungkin tidak setara satu sama lain secara langsung
- EN / ISO: keluarga setara akan berada di seri 16MnCr, 20MnCr, atau 20CrMn (periksa nomor bagian yang tepat)
- ASTM/ASME: tidak ada nomor ASTM langsung yang disebut “20Cr” atau “30Cr”; setara dipilih berdasarkan kesesuaian sifat kimia dan mekanik
- Klasifikasi: baik 20Cr maupun 30Cr adalah baja paduan rendah (digunakan sebagai baja struktural paduan sedang atau dikeraskan), bukan baja tahan karat, baja alat, atau HSLA dalam arti sempit. Mereka biasanya ditentukan untuk komponen yang memerlukan pengerasan permukaan (karburisasi) atau perlakuan quench-and-temper massa.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut menunjukkan rentang komposisi nominal yang umum (wt%) yang digunakan dalam praktik industri umum. Komposisi aktual tergantung pada standar atau spesifikasi pabrik yang dipilih—gunakan sertifikat pabrik untuk pengadaan.
| Elemen | 20Cr (rentang tipikal, wt%) | 30Cr (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.16 – 0.24 | 0.24 – 0.32 |
| Mn | 0.40 – 0.80 | 0.50 – 0.90 |
| Si | 0.10 – 0.35 | 0.10 – 0.35 |
| P | ≤ 0.035 (maks) | ≤ 0.035 (maks) |
| S | ≤ 0.035 (maks) | ≤ 0.035 (maks) |
| Cr | 0.50 – 1.10 | 0.80 – 1.30 |
| Ni | ≤ 0.30 (jejak) | ≤ 0.30 (jejak) |
| Mo | ≤ 0.10 – 0.20 (jika ditentukan) | ≤ 0.10 – 0.30 (jika ditentukan) |
| V | jejak atau ≤ 0.05 (jika mikro paduan) | jejak atau ≤ 0.05 (jika mikro paduan) |
| Nb, Ti, B | jejak (kadang-kadang digunakan dalam varian mikro paduan) | jejak (kadang-kadang digunakan) |
| N | jejak | jejak |
Catatan: - Tabel memberikan rentang banded tipikal; pengadaan harus merujuk pada standar atau sertifikat material yang tepat. - 30Cr umumnya memiliki karbon yang lebih tinggi dan sedikit lebih tinggi kromium dan mangan dibandingkan 20Cr. Paduan mikro tambahan (V, Nb, Ti) mungkin ada dalam beberapa varian untuk meningkatkan kekuatan dan pemurnian butir. - Peningkatan paduan (Cr, Mn, dan paduan mikro sesekali) meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan tempering dan, bersama dengan karbon, mengontrol tingkat kekuatan yang dapat dicapai.
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon meningkatkan kekuatan dan kemampuan pengerasan tetapi mengurangi duktilitas dan kemampuan pengelasan. - Kromium meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan, dan ketahanan tempering serta dapat meningkatkan ketahanan aus setelah pengerasan permukaan. - Mangan berkontribusi pada kemampuan pengerasan dan kekuatan tarik. - Elemen mikro paduan (V, Nb, Ti) memperhalus ukuran butir, meningkatkan kekuatan hasil melalui presipitasi, dan meningkatkan kekuatan kelelahan.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur dan respons perlakuan panas yang tipikal berbeda karena tingkat karbon dan paduan:
- 20Cr:
- As-rolled/normalized: mikrostruktur ferrite–pearlite dengan butir yang relatif halus jika digulung atau dinormalisasi dengan baik.
- Setelah karburisasi dan quench: kasus martensitik/dikeraskan yang keras dengan inti yang lebih tangguh dan karbon lebih rendah (martensit yang ditempa atau bainit yang ditempa tergantung pada siklus quench/temper).
-
Quench & temper (massa): dapat menghasilkan martensit yang ditempa dengan kekuatan sedang dan ketangguhan yang baik ketika ditempa dengan cukup.
-
30Cr:
- As-rolled/normalized: proporsi pearlite yang lebih tinggi dan mikrostruktur yang lebih halus dibandingkan 20Cr untuk pendinginan yang sebanding karena kemampuan pengerasan yang lebih tinggi.
- Setelah karburisasi/quench yang identik: kasus yang dapat dikeraskan lebih dalam dan kekuatan kasus/inti yang lebih tinggi karena karbon dan Cr yang lebih tinggi; inti mungkin lebih mudah berubah menjadi martensit dibandingkan 20Cr kecuali pendinginan lambat.
- Quench & temper (massa): mencapai tingkat kekuatan yang lebih tinggi pada suhu tempering yang serupa tetapi memerlukan tempering yang hati-hati untuk mempertahankan ketangguhan yang dapat diterima.
Pertimbangan perlakuan panas: - Karburisasi banyak digunakan dengan kedua grade; 20Cr sering ditentukan di mana kasus keras yang relatif dangkal dengan inti yang tangguh diperlukan. 30Cr dipilih di mana kasus yang lebih dalam atau kekuatan inti yang lebih tinggi diperlukan tanpa meningkatkan ukuran penampang. - Normalisasi sebelum perlakuan panas akhir meningkatkan keseragaman. Media pendinginan dan ukuran penampang bagian mempengaruhi kekerasan akhir, terutama untuk 20Cr yang memiliki kemampuan pengerasan lebih rendah. - Tempering mengurangi kekerasan dan meningkatkan ketangguhan; 30Cr memerlukan rejim tempering yang disesuaikan untuk menghindari kerapuhan berlebihan dari kandungan karbon yang lebih tinggi.
4. Sifat Mekanik
Rentang sifat mekanik yang tipikal sangat bergantung pada perlakuan panas dan ukuran penampang. Tabel di bawah ini memberikan rentang representatif untuk batang yang dikeraskan dan ditempa atau bagian yang dikeraskan dan ditempa; gunakan data uji bersertifikat untuk desain.
| Sifat | 20Cr (rentang tipikal) | 30Cr (rentang tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | 600 – 950 | 700 – 1100 |
| Kekuatan hasil (0.2% bukti, MPa) | 350 – 700 | 450 – 850 |
| Peregangan (%) | 12 – 20 | 8 – 16 |
| Ketangguhan impak (Charpy V-notch, J) | sedang hingga baik (bervariasi dengan temper) | umumnya lebih rendah dari 20Cr pada kekerasan yang sama |
| Kekerasan (HRC atau HB) | inti yang ditempa: HRC ~20–40; kasus yang dikeraskan: HRC 55–62 | inti yang ditempa: HRC ~22–44; kasus yang dikeraskan: HRC 58–64 |
Interpretasi: - 30Cr biasanya lebih tinggi dalam kekuatan dan kemampuan pengerasan karena peningkatan karbon dan Cr; dapat mencapai kekuatan tarik dan kekuatan hasil yang lebih tinggi, tetapi duktilitas dan ketangguhan impak pada kekerasan tertentu mungkin sedikit lebih rendah dibandingkan 20Cr. - 20Cr sering menawarkan keseimbangan yang lebih baik antara ketangguhan dan kemampuan pengelasan untuk aplikasi di mana kekuatan maksimum yang mutlak tidak diperlukan. - Selalu rujuk sertifikat material pemasok dan lakukan pengujian tingkat komponen untuk aplikasi kritis (kelelahan, impak pada suhu rendah).
5. Kemampuan Pengelasan
Pendorong utama kemampuan pengelasan adalah kandungan karbon, paduan yang efektif, ketebalan, dan perlakuan panas sebelum/setelah. Dua indeks empiris yang umum digunakan adalah ekuivalen karbon IIW dan rumus Pcm:
-
Penggunaan ekuivalen karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (lebih konservatif untuk kerentanan retak pengelasan): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - 20Cr, dengan kandungan karbon yang lebih rendah dan sedikit lebih rendah, akan memiliki $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang lebih rendah, dan oleh karena itu perilaku pengelasan yang lebih baik. Persyaratan pemanasan awal dan perlakuan panas setelah pengelasan (PWHT) lebih rendah dibandingkan dengan 30Cr. - 30Cr, dengan karbon dan kromium yang lebih tinggi, meningkatkan kemampuan pengerasan dan risiko pembentukan martensit di zona yang terpengaruh panas (HAZ); sering kali memerlukan pemanasan awal yang lebih tinggi, suhu antar yang terkontrol, dan dalam banyak kasus PWHT untuk menghindari retak dan memulihkan ketangguhan. - Untuk kedua grade, permukaan yang dikeraskan tidak boleh dilas tanpa prosedur khusus; pengelasan dapat mengubah karbon lokal dan menghasilkan zona rapuh. Jika pengelasan diperlukan, ikuti prosedur yang memenuhi syarat dan lakukan pemeriksaan ketangguhan HAZ.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 20Cr maupun 30Cr bukan baja tahan karat; keduanya dianggap sebagai baja karbon/paduan dan memiliki ketahanan korosi intrinsik yang terbatas.
- Strategi perlindungan yang tipikal:
- Pelapisan permukaan: galvanisasi, elektroplating, atau pelapisan konversi dapat digunakan tergantung pada lingkungan.
- Cat dan pelapisan industri: sistem epoksi, poliuretan untuk perlindungan atmosfer.
- Permukaan yang dikeraskan: setelah karburisasi, pelapisan finishing tambahan kadang-kadang diterapkan untuk perlindungan korosi, mengingat pelapisan harus tahan terhadap kekerasan permukaan.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) berlaku untuk grade tahan karat dan tidak relevan untuk 20Cr/30Cr dalam bentuk standar mereka: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Penggunaan PREN tidak berarti untuk baja non-tahan karat ini.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk
- Kemampuan mesin:
- 20Cr umumnya lebih mudah dikerjakan karena kandungan karbon yang lebih rendah dan sedikit lebih rendah kemampuan pengerasan.
- 30Cr dapat lebih abrasif pada alat setelah perlakuan panas dan memerlukan kecepatan pemotongan yang lebih lambat atau alat yang lebih keras saat mengerjakan bagian yang dikeraskan.
- Kemampuan bentuk dan pengerjaan dingin:
- Kedua grade dapat dikerjakan dalam kondisi yang dinormalisasi atau dikeraskan. Karbon yang lebih tinggi dalam 30Cr mengurangi kemampuan bentuk; pembentukan harus dilakukan dalam keadaan yang lebih lembut setelah perlakuan panas.
- Penggilingan dan penyelesaian:
- Kasus yang dikeraskan dan dipanaskan memerlukan alat berlian atau CBN untuk penggilingan yang efisien. Penyelesaian permukaan untuk mencapai umur lelah kontak yang diperlukan lebih menantang pada kasus yang lebih dalam dan lebih keras (umum dengan 30Cr).
- Distorsi perlakuan panas:
- Kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dan stres yang tertahan dalam 30Cr dapat meningkatkan sensitivitas terhadap distorsi selama quench dan temper dibandingkan dengan 20Cr; kontrol proses dan fixture sangat penting.
8. Aplikasi Tipikal
| 20Cr – Penggunaan Tipikal | 30Cr – Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Roda gigi tugas sedang, poros, poros spline, pinion di mana ketangguhan inti yang baik diperlukan dan kontrol biaya penting | Roda gigi tugas berat, poros diameter lebih besar, pin dan poros beban tinggi di mana kekuatan inti yang lebih tinggi dan pengerasan kasus yang lebih dalam diperlukan |
| Komponen transmisi otomotif dengan beban sedang | Poros utama gearbox dan komponen penggerak mesin berat yang memerlukan kekuatan kelelahan yang lebih tinggi |
| Bagian karburisasi tujuan umum di mana kemampuan mesin dan kemampuan pengelasan menjadi pertimbangan | Aplikasi di mana peningkatan kemampuan pengerasan memungkinkan penyederhanaan desain (bagian yang lebih tebal, paduan yang lebih sedikit di tempat lain) |
Rasional pemilihan: - Pilih 20Cr untuk komponen di mana ketangguhan, kemudahan pengelasan/pemotongan, dan biaya material yang lebih rendah menjadi prioritas, dan di mana ukuran penampang kecil hingga sedang. - Pilih 30Cr ketika desain membutuhkan kekuatan massa yang lebih tinggi, pengerasan yang lebih dalam, atau ketahanan kelelahan yang lebih tinggi pada penampang yang lebih besar.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya:
- 30Cr biasanya dihargai sedikit lebih tinggi dibandingkan 20Cr karena kandungan paduan yang lebih tinggi dan kontrol proses yang lebih ketat yang mungkin diperlukan untuk mencapai kekuatan yang lebih tinggi.
- Selisih harga tergantung pada biaya elemen paduan pasar dan volume pesanan.
- Ketersediaan:
- Kedua grade diproduksi secara luas di banyak pasar baja (batang, forging, pelat) tetapi ketersediaan ukuran tertentu, kondisi permukaan (dinaikkan, dinormalisasi, dipanaskan sebelumnya), atau varian mikro paduan dapat bervariasi menurut wilayah dan pabrik.
- Tip pengadaan: tentukan kondisi perlakuan panas yang diperlukan dan laporan uji pabrik bersertifikat; untuk komponen kritis, minta sertifikat uji mekanik dan analisis kimia.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Aspek | 20Cr | 30Cr |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik (CE lebih rendah, kontrol pemanasan awal lebih mudah) | Lebih rendah (CE lebih tinggi, memerlukan lebih banyak pemanasan awal/PWHT) |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Ketangguhan baik pada kekuatan sedang | Kekuatan lebih tinggi, sedikit mengurangi duktilitas/ketangguhan pada kekerasan yang sama |
| Biaya | Lebih rendah (umumnya) | Lebih tinggi (umumnya) |
Kesimpulan dan panduan praktis: - Pilih 20Cr jika: - Anda memerlukan baja karburisasi atau dikeraskan dan dipanaskan yang seimbang dan hemat biaya dengan ketangguhan inti yang baik, kemudahan pengelasan, dan kemampuan mesin yang lebih baik; ideal untuk bagian kecil hingga sedang dan aplikasi di mana kekuatan ekstrem tidak diperlukan. - Pilih 30Cr jika: - Desain Anda memerlukan kekuatan massa yang lebih tinggi atau kemampuan pengerasan yang lebih dalam (untuk bagian yang lebih besar atau yang sangat dibebani), dan Anda dapat menerima kebutuhan untuk praktik pengelasan yang lebih hati-hati, kontrol perlakuan panas yang lebih ketat, dan biaya material yang sedikit lebih tinggi.
Catatan akhir: istilah 20Cr dan 30Cr adalah singkatan yang nyaman. Selalu verifikasi material yang dipilih terhadap standar atau sertifikat pabrik tertentu untuk komposisi kimia yang tepat dan sifat mekanik yang dijamin, dan kualifikasikan prosedur perlakuan panas dan pengelasan untuk komponen kritis.