20CrMnTi vs 20CrNiMo – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

Memilih antara 20CrMnTi dan 20CrNiMo adalah dilema umum bagi insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur yang menentukan baja pengerasan permukaan untuk roda gigi, poros, dan komponen mesin yang sangat tertekan. Pertimbangan pemilihan yang khas mencakup biaya versus kekerasan melalui, kemampuan las versus ketangguhan inti, dan kemampuan mesin versus umur layanan di bawah keausan dan kelelahan.

Perbedaan mendasar antara kedua jenis ini adalah strategi paduannya: satu bergantung pada mikroaloy dan keseimbangan mangan/krim yang dioptimalkan untuk mendukung karburisasi dan kontrol ketangguhan, sementara yang lain menambahkan nikel dan molibdenum untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan memperbaiki kekuatan inti serta ketahanan terhadap kelelahan. Karena keduanya digunakan sebagai baja karburisasi (pengerasan permukaan), mereka biasanya dibandingkan ketika desainer membutuhkan keseimbangan antara permukaan yang tahan aus dan inti yang ulet serta tangguh.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar umum yang perlu diperiksa saat menentukan salah satu jenis: standar nasional dan internasional seperti GB/T (Cina), EN/ISO, JIS (Jepang), dan daftar material industri yang diatur oleh ASTM/ASME di mana ekuivalen diperlukan.
• Klasifikasi:
• 20CrMnTi — baja paduan pengerasan permukaan (jenis karburisasi mikroaloy).
• 20CrNiMo — baja paduan pengerasan permukaan dengan nikel dan molibdenum (jenis karburisasi dengan kemampuan pengerasan lebih tinggi).
• Catatan: Batasan dan toleransi kimia yang tepat harus dikonfirmasi terhadap standar spesifik atau lembar data pabrik yang digunakan dalam pengadaan; nama seperti “20CrMnTi” dan “20CrNiMo” adalah penunjukan komersial/GB yang umum dan mungkin memiliki ekuivalen lokal dalam EN atau JIS.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja - Titanium dalam 20CrMnTi mengikat nitrogen dan karbon (TiN/TiC), memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya, dan dapat meningkatkan umur kelelahan serta stabilitas dimensi dari permukaan. Ini sangat berguna dalam mengontrol pertumbuhan butir selama perlakuan panas. - Nikel dan molibdenum dalam 20CrNiMo meningkatkan kemampuan pengerasan, memungkinkan pengerasan yang lebih dalam untuk pendinginan tertentu, dan meningkatkan kekuatan inti serta ketangguhan setelah tempering. Mo juga meningkatkan ketahanan tempering dan membantu mempertahankan kekerasan pada suhu tinggi. - Chromium dalam kedua jenis membantu mencapai permukaan yang keras dan tahan aus setelah karburisasi dan pendinginan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Rute pemrosesan khas untuk kedua jenis adalah karburisasi (gas, kemasan, atau vakum), diikuti dengan pendinginan dan tempering untuk menghasilkan permukaan martensitik atau bainitik yang keras dengan inti yang lebih tangguh dan telah di-tempering.

Perilaku mikrostruktur: - Permukaan: Setelah karburisasi dan pendinginan, kedua paduan mengembangkan permukaan martensitik karbon tinggi (sering di-tempering untuk kekerasan yang diinginkan). Konsentrasi kromium dan karbon permukaan mengontrol kekerasan permukaan dan ketahanan aus. - Inti: 20CrNiMo, dengan Ni dan Mo, mencapai kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dan oleh karena itu inti yang lebih tangguh dan lebih kuat di bawah kondisi pendinginan yang serupa. 20CrMnTi sering menghasilkan inti yang sedikit lebih lunak dan lebih ulet yang menguntungkan di mana ketangguhan dampak dan penangkapan retak kelelahan diprioritaskan. - Peran Ti: Titanium dalam 20CrMnTi membentuk karbonitrida halus yang mengikat batas butir dan mengurangi pembesaran butir austenit selama pemrosesan suhu tinggi. Ini memperhalus ukuran paket martensit yang telah di-tempering dan dapat meningkatkan kekuatan kelelahan serta ketahanan terhadap embrittlement temper.

Pengaruh perlakuan panas: - Normalisasi: Digunakan untuk menghomogenisasi dan memperhalus struktur butir austenit sebelumnya sebelum operasi karburisasi dan penempaan. Kedua jenis mendapatkan manfaat dari normalisasi sebelum siklus karburisasi akhir. - Karburisasi + Pendinginan + Temper: Rute industri utama. 20CrNiMo dapat mencapai kedalaman permukaan yang lebih dalam dengan jadwal karburisasi yang sama berkat kemampuan pengerasan yang lebih besar; 20CrMnTi dioptimalkan untuk permukaan yang stabil dan tahan aus dengan inti yang ulet. - Pemrosesan termo-mekanis: Menggulung, penggulungan terkontrol, atau penempaan diikuti dengan perlakuan panas yang tepat lebih lanjut meningkatkan ketangguhan dan umur kelelahan—struktur martensitik/bainitik dan dispersi karbida dapat disesuaikan melalui kontrol proses.

4. Sifat Mekanis

Interpretasi - 20CrNiMo biasanya menunjukkan kekuatan inti yang lebih tinggi dan ketangguhan yang sebanding atau sedikit lebih baik ketika diperlakukan panas dengan benar, karena nikel dan molibdenum meningkatkan perilaku tempering dan kemampuan pengerasan. - 20CrMnTi menekankan stabilitas permukaan, ketahanan kelelahan, dan inti yang ulet; kontrol titanium terhadap ukuran butir membantu umur kelelahan di bawah stres kontak siklik. - Sifat absolut tergantung pada kedalaman karburisasi, tingkat pendinginan, dan suhu tempering—spesifikasikan parameter proses ini untuk memenuhi kinerja komponen yang diperlukan daripada hanya mengandalkan nama jenis saja.

5. Kemampuan Las

Kemampuan las baja karburisasi dipengaruhi oleh ekuivalen karbon dan keberadaan elemen paduan yang meningkatkan kemampuan pengerasan. Dua indeks empiris yang umum digunakan adalah:

• Ekuivalen karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (rumus Ito dan modifikasi): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - 20CrMnTi: Karbon sedang dan mikroaloy Ti menghasilkan ekuivalen karbon sedang. Ti dapat membentuk presipitat yang stabil; titanium yang berlebihan atau perlakuan panas yang tidak tepat dapat menyebabkan kekerasan lokal atau sensitivitas HAZ. Pemanasan awal dan suhu antar yang terkontrol, dikombinasikan dengan logam pengisi yang sesuai dan PWHT untuk bagian tebal, adalah tindakan pencegahan standar. - 20CrNiMo: Ni dan Mo tambahan meningkatkan kemampuan pengerasan dan menaikkan indeks ekuivalen karbon relatif terhadap baja karburisasi yang lebih sederhana. Ini meningkatkan risiko pengerasan HAZ las dan retak dingin kecuali pemanasan awal, kontrol antar, dan perlakuan panas pasca-las yang tepat digunakan. Gunakan bahan habis pakai rendah hidrogen dan sesuaikan logam pengisi dengan ketangguhan yang diperlukan.

Rekomendasi umum: Untuk kedua baja, pengelasan sebaiknya dilakukan pada material yang dinormalisasi/dianil, dengan pemanasan awal dan PWHT ditentukan oleh ketebalan dan nilai $CE_{IIW}$/$P_{cm}$ yang dihitung, serta dengan berkonsultasi pada spesifikasi pabrik dan prosedur pengelasan.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Kedua 20CrMnTi dan 20CrNiMo adalah baja paduan non-stainless. Ketahanan korosi di lingkungan atmosfer atau sedikit agresif terbatas dan biasanya dikelola dengan pelapisan dan desain:
• Opsi perlindungan permukaan: galvanisasi celup panas (terbatas untuk penggunaan suhu tinggi), elektroplating, fosfat + cat, pelapisan bubuk, pelapisan konversi, atau overlay tahan aus dalam aplikasi gesekan.
• Catatan: Proses pasca-karburisasi dan penyelesaian permukaan mempengaruhi adhesi pelapis dan ketahanan korosi—praktik pembersihan, netralisasi, dan penghilang stres sangat penting.
• PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) berlaku untuk baja stainless dan tidak berlaku untuk baja pengerasan permukaan non-stainless ini: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Gunakan desain dan pelapisan pelindung jika komponen terkena media korosif; untuk kombinasi keausan dan korosi, pertimbangkan rekayasa permukaan (krom keras, nitriding, pelapisan PVD/CVD, atau paduan tahan korosi untuk zona pengorbanan).

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas

• Kemampuan mesin:
• Dalam kondisi dianil atau dinormalisasi, 20CrMnTi umumnya lebih mudah diproses dibandingkan 20CrNiMo karena kandungan Ni/Mo yang cenderung mengeraskan dan mengurangi kemampuan mesin.
• Kedua jenis harus diproses sesuai toleransi sebelum karburisasi jika memungkinkan; penggilingan atau pelapisan akhir setelah perlakuan panas mencapai dimensi dan penyelesaian permukaan.
• Formabilitas:
• Kedua jenis dapat dibentuk (pembengkokan, penggulungan) dalam kondisi lunak atau dinormalisasi. Setelah karburisasi dan pendinginan, formabilitas pada dasarnya hilang; pemesinan dan penyelesaian harus diselesaikan sebelumnya.
• Penyelesaian permukaan:
• Penggilingan dan pemolesan pasca-karburisasi diperlukan untuk toleransi ketat dan flank gigi. Presipitat karbida (misalnya, TiC) dalam 20CrMnTi dapat mempengaruhi keausan abrasif alat potong secara moderat.

8. Aplikasi Khas

Alasan pemilihan: - Pilih 20CrMnTi ketika Anda memprioritaskan ketahanan kelelahan, metalurgi permukaan yang terkontrol, dan biaya paduan yang lebih rendah untuk komponen karburisasi yang khas. - Pilih 20CrNiMo ketika Anda membutuhkan kemampuan pengerasan yang lebih besar untuk permukaan yang lebih dalam atau kekuatan/tangguh inti yang lebih tinggi, terutama untuk penampang besar atau komponen yang terkena beban tinggi yang berkelanjutan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya relatif: 20CrNiMo umumnya lebih mahal daripada 20CrMnTi karena kandungan nikel dan molibdenum. Selisih harga tergantung pada harga logam pasar dan volume pesanan.
• Ketersediaan: Kedua jenis umumnya tersedia secara komersial dalam bentuk batang, penempaan, dan cincin dari pabrik baja yang memproduksi baja pengerasan permukaan; pasokan regional dapat bervariasi. 20CrMnTi sering kali merupakan penawaran standar di banyak pabrik, sementara 20CrNiMo mungkin diproduksi berdasarkan pesanan atau sebagai jenis pengerasan tinggi standar di daerah yang melayani industri berat.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Pilih 20CrMnTi jika: - Anda membutuhkan jenis karburisasi yang ekonomis dengan ketahanan kelelahan yang baik dan inti yang ulet untuk komponen seperti roda gigi, pinion, dan poros berukuran sedang. - Kemampuan mesin dalam kondisi lunak dan mikrostruktur permukaan yang stabil dan halus adalah prioritas.

Pilih 20CrNiMo jika: - Anda memerlukan kemampuan pengerasan yang lebih besar untuk mencapai kedalaman permukaan yang lebih dalam atau kekuatan inti yang lebih tinggi dalam komponen penampang besar atau dalam transmisi berat. - Aplikasi menuntut ketahanan yang lebih tinggi terhadap tempering dan ketangguhan inti yang superior bahkan dengan biaya material tambahan.

Catatan akhir: Kedua jenis berfungsi dengan baik ketika dikombinasikan dengan jadwal karburisasi yang tepat, tingkat pendinginan, dan rejim tempering. Spesifikasikan kedalaman permukaan yang diperlukan, target kekerasan/tangguh inti, dan beban layanan yang diharapkan untuk memungkinkan metalurgis atau pemasok baja merekomendasikan paduan dan siklus perlakuan panas yang tepat yang memenuhi kinerja bagian dan tujuan biaya.