20CrMo vs 30CrMo – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur umumnya menghadapi trade-off antara kekuatan, ketangguhan, biaya, dan kemampuan manufaktur saat memilih baja paduan untuk komponen mekanis kritis. 20CrMo dan 30CrMo adalah dua baja paduan kromium-molibdenum yang sering dibandingkan untuk roda gigi, poros, dan bagian struktural di mana ketahanan terhadap kelelahan dan kemampuan pengerasan melalui atau pengerasan permukaan sangat penting.
Perbedaan utama antara kelas ini terletak pada kandungan karbon nominal mereka dan penekanan desain yang dihasilkan: satu kelas diformulasikan dengan karbon lebih rendah untuk meningkatkan duktilitas dan ketangguhan serta kemampuan pengelasan yang lebih baik; yang lainnya memiliki karbon lebih tinggi untuk kekuatan yang lebih besar setelah pendinginan dan kekerasan yang lebih tinggi setelah perlakuan panas. Karena kandungan kromium dan molibdenum serupa, desainer biasanya memilih di antara keduanya berdasarkan keseimbangan kekuatan/ketangguhan yang diperlukan dan batasan pemrosesan hilir.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan penunjukan internasional dan regional umum di mana nama-nama ini muncul:
- GB/T (Cina): 20CrMo, 30CrMo (sering digunakan dalam spesifikasi domestik)
- EN (Eropa): ekuivalen biasanya dinyatakan sebagai seri EN 10083 atau nomor 1.xxxx; nama langsung satu-ke-satu mungkin berbeda
- JIS (Jepang): baja paduan serupa ada tetapi dengan kode yang berbeda
- ASTM/ASME: baja paduan yang dicakup di bawah seri AISI/SAE (misalnya, keluarga AISI 4135/4140) memiliki kimia yang serupa tetapi penamaan yang berbeda
- Klasifikasi: Baik 20CrMo maupun 30CrMo adalah baja paduan (baja paduan rendah, baja Cr–Mo). Mereka bukan baja tahan karat, baja alat, atau HSLA dalam arti yang paling ketat; mereka sering digunakan sebagai baja paduan teknik untuk bagian yang dikeraskan dan ditempa atau yang dikeraskan permukaannya.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut memberikan kecenderungan komposisi tipikal untuk kedua kelas. Rentang aktual bervariasi berdasarkan standar dan produsen; selalu konsultasikan sertifikat pabrik untuk pengadaan dan perhitungan desain.
| Elemen | Tipikal 20CrMo (wt%) | Tipikal 30CrMo (wt%) | Peran / Komentar |
|---|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.27–0.34 | Karbon terutama mengontrol kemampuan pengerasan, kekuatan, dan kapasitas kekerasan. 30CrMo memiliki C lebih tinggi untuk kekerasan yang lebih tinggi setelah pendinginan. |
| Mn | 0.35–0.70 | 0.40–0.70 | Mangan meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan tarik. |
| Si | ≤0.35 | ≤0.35 | Silikon untuk deoksidasi; jumlah kecil memperkuat ferit dan mempengaruhi tempering. |
| P | ≤0.025 (maks) | ≤0.025 (maks) | Fosfor adalah kotoran residu—dijaga rendah untuk menghindari kerapuhan. |
| S | ≤0.025 (maks) | ≤0.025 (maks) | Belerang dikontrol untuk kemampuan mesin; dijaga rendah untuk menghindari hot-shortness. |
| Cr | 0.80–1.20 | 0.90–1.30 | Kromium meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan, dan ketahanan aus. |
| Ni | ≤0.30 (sering tidak ada) | ≤0.30 (sering tidak ada) | Nikel jarang signifikan dalam kelas ini. |
| Mo | 0.15–0.30 | 0.15–0.30 | Molibdenum meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan suhu tinggi. |
| V | jejak–kecil | jejak–kecil | Vanadium mungkin hadir dalam jumlah kecil dalam beberapa lebur untuk pemurnian butir. |
| Nb, Ti, B | jejak (jika mikro-paduan) | jejak (jika mikro-paduan) | Mikro-paduan jarang ada dalam 20/30CrMo standar tetapi dapat digunakan untuk kontrol ukuran butir. |
| N | jejak | jejak | Nitrogen sebagai residu; mempengaruhi ketangguhan dalam jumlah kecil. |
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Karbon: pengungkit utama untuk kekuatan dan kekerasan yang dapat dicapai; karbon lebih tinggi memungkinkan kekerasan yang lebih tinggi setelah pendinginan tetapi mengurangi kemampuan pengelasan dan duktilitas. - Kromium dan molibdenum: keduanya meningkatkan kemampuan pengerasan (kedalaman/tingkat transformasi martensitik saat pendinginan), ketahanan temper, dan kekuatan pada suhu tinggi. - Mangan dan silikon: membantu kemampuan pengerasan dan kekuatan; silikon juga membantu perlakuan permukaan karburisasi. - Elemen mikro-paduan jejak memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya dan dapat meningkatkan ketangguhan tanpa peningkatan besar dalam kekuatan.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal dan respons terhadap proses termal umum:
- Seperti digulung/dinormalisasi:
- 20CrMo: matriks ferit–pearlite dengan bainit yang ditempa mungkin tergantung pada pendinginan; butir yang lebih halus setelah normalisasi meningkatkan ketangguhan.
- 30CrMo: fraksi pearlite lebih tinggi dan distribusi karbida yang lebih halus; kontrol ukuran butir normalisasi sangat penting untuk mencapai ketangguhan yang baik.
- Pemanasan dan penempaan:
- Kedua kelas membentuk martensit saat pendinginan dari suhu austenitisasi; penempaan mengubah martensit menjadi martensit yang ditempa/bainit yang ditempa, menentukan keseimbangan kekuatan–ketangguhan akhir.
- 30CrMo mencapai kekerasan dan kekuatan tarik yang lebih tinggi pada suhu penempaan yang sebanding karena karbon yang lebih tinggi; namun, ia bisa lebih rentan terhadap kerapuhan temper jika penempaan tidak dioptimalkan.
- Karburisasi permukaan (ketika kekerasan permukaan diperlukan):
- Keduanya dapat digunakan sebagai baja inti di bawah kasus yang dikeraskan. 20CrMo, dengan karbon inti yang lebih rendah, menghasilkan inti yang lebih tangguh dan lebih duktil dibandingkan dengan 30CrMo jika digunakan dengan cara yang sama.
- Proses termo-mekanis:
- Pemrosesan yang dikendalikan dan pendinginan yang dipercepat dapat menghasilkan mikrostruktur martensitik bainitik atau yang diperhalus dengan ketangguhan yang lebih baik; tambahan mikro-paduan, jika ada, membantu pemurnian butir.
4. Sifat Mekanis
Sifat mekanis sangat bergantung pada perlakuan panas. Tabel di bawah ini memberikan rentang tipikal yang digeneralisasi untuk kondisi yang dikeraskan & ditempa yang digunakan dalam desain teknik; verifikasi dengan laporan pabrik yang diuji.
| Sifat | Tipikal 20CrMo (Q&T) | Tipikal 30CrMo (Q&T) | Catatan |
|---|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~700–950 | ~800–1100 | 30CrMo cenderung menghasilkan kekuatan akhir yang lebih tinggi untuk penempaan yang serupa. |
| Kekuatan luluh (MPa) | ~450–700 | ~500–850 | Karbon yang lebih tinggi berkontribusi pada kekuatan luluh yang lebih tinggi setelah Q&T di 30CrMo. |
| Peregangan (%) | ~10–18% | ~8–15% | 20CrMo umumnya menawarkan duktilitas yang lebih besar. |
| Ketangguhan impak (Charpy V-notch) | Baik hingga sangat baik (tergantung pada perlakuan panas dan suhu notch) | Baik tetapi biasanya lebih rendah daripada 20CrMo pada tingkat kekuatan yang sama | Ketangguhan tergantung pada ukuran butir, penempaan, dan kebersihan. |
| Kekerasan (HRC atau HB) | Sedang hingga tinggi setelah Q&T; kekerasan inti dikendalikan untuk bagian kasus | Kekerasan yang dapat dicapai lebih tinggi; lebih sensitif terhadap retakan pendinginan | Trade-off kekerasan mempengaruhi kemampuan mesin dan ketahanan aus. |
Penjelasan: - 30CrMo lebih kuat dalam sebagian besar kondisi dikeraskan dan ditempa yang sebanding karena kandungan karbonnya yang lebih tinggi meningkatkan fraksi martensit dan kekerasan. - 20CrMo biasanya lebih tangguh dan lebih duktil untuk tingkat kekuatan yang sebanding dan lebih mudah untuk mencapai ketangguhan yang baik dengan perlakuan panas yang konservatif.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan sebagian besar ditentukan oleh ekuivalen karbon dan kemampuan pengerasan karena kandungan paduan.
Rumus ekuivalen karbon umum yang digunakan untuk penilaian kualitatif: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ dan parameter yang lebih konservatif: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi (kualitatif): - Karena 30CrMo memiliki karbon lebih tinggi, nilai $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$-nya umumnya akan lebih tinggi daripada 20CrMo, menunjukkan risiko yang lebih besar dari zona terpengaruh panas yang keras dan rapuh serta retakan dingin. Pemanasan awal dan kontrol suhu antar-passing lebih sering diperlukan untuk 30CrMo. - Kromium dan molibdenum meningkatkan kemampuan pengerasan secara setara untuk kedua kelas, sehingga prosedur pengelasan harus menangani paduan yang mendorong pembentukan martensit. - 20CrMo, dengan karbon lebih rendah, biasanya lebih mudah untuk dilas tetapi tetap mendapatkan manfaat dari perlakuan panas sebelum/pasca pengelasan (PWHT) ketika digunakan dalam aplikasi kritis dengan kekuatan tinggi.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 20CrMo maupun 30CrMo bukanlah kelas tahan karat; ketahanan korosi terbatas dan sebanding dengan baja paduan rendah lainnya.
- Strategi perlindungan tipikal:
- Pelapisan permukaan: galvanisasi celup panas, sistem cat, pelapisan bubuk, atau pelapisan tahan korosi khusus.
- Pembalutan: untuk komponen di mana perlindungan aus dan korosi ringan diperlukan.
- Pertimbangan desain: drainase, penghindaran celah, dan anoda pengorbanan di lingkungan laut atau agresif.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) hanya berarti untuk kelas tahan karat dan tidak berlaku untuk baja paduan Cr–Mo ini: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini tidak boleh digunakan untuk baja non-tahan karat seperti 20CrMo/30CrMo.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin:
- 20CrMo (C lebih rendah) biasanya lebih mudah diproses dan memiliki umur alat yang lebih lama dibandingkan 30CrMo; namun, keduanya lebih sulit untuk diproses dibandingkan baja karbon biasa dengan RU yang sebanding karena paduan.
- Tingkat kekerasan yang lebih tinggi (setelah pendinginan atau tidak sepenuhnya ditempa) mengurangi kemampuan mesin dan meningkatkan keausan alat.
- Kemampuan pembentukan:
- Pembentukan dingin lebih mudah dengan 20CrMo karena karbon yang lebih rendah dan duktilitas yang lebih tinggi; 30CrMo kurang toleran dan mungkin memerlukan gaya pembentukan yang lebih tinggi atau pembentukan hangat.
- Penyelesaian permukaan:
- Keduanya merespons dengan baik terhadap penggilingan, pemolesan, dan perlakuan permukaan setelah penempaan yang sesuai; karburisasi diikuti dengan penempaan suhu rendah adalah umum untuk permukaan roda gigi.
- Catatan penting fabrikasi: untuk rakitan yang dilas atau diperlakukan panas, kontrol suhu antar-passing, pemanasan awal, dan PWHT sangat penting untuk meminimalkan retakan dan mencapai ketangguhan yang diinginkan.
8. Aplikasi Tipikal
| 20CrMo — Penggunaan Umum | 30CrMo — Penggunaan Umum |
|---|---|
| Poros yang sangat tertekan, penempaan di mana inti yang tangguh diperlukan | Poros berkekuatan tinggi, roda gigi, dan komponen yang memerlukan kekerasan yang lebih tinggi setelah pendinginan |
| Komponen yang dikeraskan permukaan dengan inti yang tangguh (misalnya, pinion, roda gigi kecil) | Pengikat berkekuatan tinggi, roda gigi yang dikeraskan di mana kekuatan inti ditekankan |
| Blok struktural dan komponen yang memerlukan kemampuan pengelasan dan ketangguhan yang baik | Komponen yang terkena beban statis lebih tinggi atau di mana ketahanan temper yang lebih tinggi diperlukan |
| Bagian mekanis umum di mana kemampuan mesin dan duktilitas penting | Bagian yang membutuhkan ketahanan aus yang lebih tinggi atau stres operasional yang lebih tinggi |
Rasional pemilihan: - Pilih 20CrMo ketika ketangguhan, duktilitas, kemampuan pengelasan, dan sifat pasca pengelasan menjadi prioritas, atau ketika inti yang duktil di bawah kasus yang dikeraskan diperlukan. - Pilih 30CrMo ketika kekuatan yang lebih tinggi atau kekerasan yang lebih tinggi setelah pendinginan diperlukan dan ketika desain serta fabrikasi dapat mengakomodasi kontrol pengelasan dan perlakuan panas yang lebih ketat.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya bahan baku: Kedua kelas serupa dalam elemen paduan (Cr, Mo), sehingga perbedaan biaya baja mentah relatif kecil; 30CrMo mungkin sedikit lebih mahal per ton karena dampak kandungan karbon yang lebih tinggi pada permintaan perlakuan panas hilir dan potensi kontrol pemrosesan yang lebih ketat.
- Biaya perlakuan panas dan pemrosesan: 30CrMo sering mengalami biaya proses yang lebih tinggi karena pemanasan awal/PWHT yang lebih ketat dan kerentanan yang lebih besar terhadap retakan pendinginan jika tidak dikelola, dan kadang-kadang siklus penempaan yang lebih lama.
- Ketersediaan berdasarkan bentuk produk: Keduanya tersedia secara luas dalam bentuk batang, penempaan, pelat, dan cincin dari pemasok utama; waktu pengiriman tergantung pada perlakuan panas dan sertifikasi yang diperlukan.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 20CrMo | 30CrMo |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik (CE lebih rendah) | Lebih rendah (CE lebih tinggi) |
| Keseimbangan kekuatan–ketangguhan | Lebih duktil / lebih tangguh pada kekuatan yang setara | Kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi dapat dicapai, duktilitas lebih rendah |
| Biaya (bahan + pemrosesan) | Sedang | Sedikit lebih tinggi secara keseluruhan karena pemrosesan |
Rekomendasi: - Pilih 20CrMo jika Anda membutuhkan paduan yang seimbang dengan kemampuan pengelasan yang lebih baik, ketangguhan inti yang lebih tinggi, fabrikasi yang lebih mudah, dan margin yang lebih aman terhadap retakan terkait pendinginan—tipikal untuk komponen yang memerlukan inti duktil, prosedur pengelasan yang lebih sederhana, atau ketahanan kelelahan yang lebih baik pada tingkat kekuatan sedang. - Pilih 30CrMo jika aplikasi memerlukan kekuatan yang lebih tinggi setelah dikeraskan dan ditempa atau kekerasan akhir yang lebih tinggi (untuk alasan aus atau beban), dan Anda dapat menentukan prosedur pengelasan yang terkontrol, pemanasan awal/PWHT yang memadai, dan kontrol perlakuan panas yang ketat untuk mengurangi retakan dan kehilangan ketangguhan.
Catatan akhir: Selalu tentukan standar yang tepat, kondisi perlakuan panas yang diperlukan, dan kriteria uji penerimaan. Konfirmasi sertifikat pabrik dan, untuk komponen kritis, minta pengujian mekanis (tarik, CVN), peta kekerasan, dan data ketangguhan patah untuk batch perlakuan panas yang tepat untuk memvalidasi asumsi desain.