20CrMo vs 42CrMo – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
20CrMo dan 42CrMo adalah dua baja paduan rendah yang banyak digunakan dalam komponen transmisi daya, roda gigi, poros, dan mesin berat. Insinyur dan manajer pengadaan sering kali harus memilih antara keduanya saat menyeimbangkan kekuatan inti, kekerasan permukaan, kemampuan pengerasan, kemampuan pengelasan, dan biaya. Konteks keputusan yang umum termasuk apakah suatu komponen memerlukan lapisan yang dikeraskan dengan inti yang ulet (desain karburisasi) versus poros yang dikeraskan sepenuhnya dengan kekuatan lebih tinggi di mana sifat mekanik yang seragam diperlukan.
Perbedaan operasional utama adalah bahwa satu jenis dirancang untuk strategi karburisasi dan pengerasan permukaan yang menghasilkan karbon bulk yang relatif lebih rendah tetapi sifat lapisan yang lebih baik, sementara yang lainnya mengandung karbon bulk yang lebih tinggi dan paduan untuk menghasilkan kekuatan dan ketangguhan yang lebih tinggi setelah pendinginan dan tempering. Karena kedua jenis adalah baja paduan rendah dengan tambahan kromium dan molibdenum, mereka biasanya dibandingkan untuk bagian yang berputar atau tertekan di mana rute perlakuan panas mempengaruhi kinerja akhir.
1. Standar dan Penunjukan
- 20CrMo
- Standar yang sering dirujuk: penunjukan GB (Cina) (misalnya, 20CrMo), ekuivalen EN (baja karburisasi seperti 5120/20Cr), dan variasi JIS. Sering diklasifikasikan sebagai baja karburisasi paduan rendah.
- Kategori: Baja paduan rendah yang dirancang untuk karburisasi (pengerasan permukaan).
- 42CrMo
- Standar yang sering dirujuk: GB 42CrMo (42CrMo4), EN 1.7225 / 42CrMo4, AISI/SAE 4140 (ekuivalen dekat), JIS. Diklasifikasikan sebagai baja paduan kromium-molibdenum untuk pengerasan sepenuhnya.
- Kategori: Baja paduan rendah, dikeraskan dan ditempa (baja struktural/paduan).
Keduanya bukan baja tahan karat; mereka adalah baja paduan (bukan HSLA dalam arti yang paling ketat, tetapi dipaduan untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan).
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Di bawah ini adalah rentang elemen tipikal yang digunakan sebagai panduan (rentang mencerminkan spesifikasi umum; batasan yang tepat tergantung pada standar yang dipilih dan kondisi perlakuan panas).
| Elemen | Tipikal 20CrMo (wt%) | Tipikal 42CrMo (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.25 | 0.38–0.45 |
| Mn | 0.35–0.65 | 0.50–0.90 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.40–0.70 | 0.90–1.20 |
| Ni | ≤ 0.30 (minor) | ≤ 0.30 (minor) |
| Mo | 0.08–0.20 | 0.15–0.30 |
| V | ≤ 0.05 (jejak) | ≤ 0.05 (jejak) |
| Nb | biasanya jejak | biasanya jejak |
| Ti | biasanya jejak | biasanya jejak |
| B | biasanya jejak | biasanya jejak |
| N | biasanya jejak | biasanya jejak |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon: kontrol utama pada kekuatan dan kemampuan pengerasan. Karbon bulk yang lebih rendah dalam baja karburisasi (20CrMo) memfasilitasi inti yang ulet dan gradien karbon yang baik setelah karburisasi. Karbon yang lebih tinggi dalam 42CrMo menghasilkan kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi setelah pendinginan. - Kromium dan molibdenum: meningkatkan kemampuan pengerasan, ketahanan tempering, dan kekuatan; kedua jenis menggunakan Cr dan Mo tetapi 42CrMo umumnya memiliki Cr dan Mo yang lebih tinggi untuk memungkinkan pengerasan sepenuhnya ke tingkat kekuatan yang lebih tinggi. - Mangan dan silikon: berkontribusi pada kekuatan dan deoksidasi. - Elemen mikro-paduan (V, Nb, Ti) mungkin hadir dalam jumlah jejak untuk mengontrol ukuran butir dan meningkatkan ketangguhan; bukan elemen paduan utama dalam jenis ini.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur dan respons tipikal: - 20CrMo - Sebagai-digulung/dinormalisasi: sebagian besar mikrostruktur ferrit–pearlit atau butir halus tergantung pada normalisasi. - Setelah karburisasi + pendinginan & temper: lapisan martensitik/karburisasi yang keras dengan gradien karbon yang terkontrol; inti adalah martensit yang ditempa atau ferrit–pearlit yang ditempa dengan kekuatan yang relatif lebih rendah dan ketangguhan yang lebih tinggi. Karburisasi membuat 20CrMo ideal di mana ketahanan aus permukaan diperlukan tanpa mengorbankan ketangguhan inti. - 42CrMo - Sebagai-digulung/dinormalisasi: ferrit-pearlit; kontrol ukuran butir yang baik karena Cr dan Mo. - Setelah pendinginan & temper: berubah menjadi martensit saat pendinginan dan, setelah tempering, mencapai kekuatan dan ketangguhan yang tinggi di seluruh penampang. Suhu tempering mengontrol keseimbangan kekuatan–ketangguhan; suhu temper yang lebih tinggi menurunkan kekuatan dan meningkatkan ketangguhan. - Pemrosesan termo-mekanis: Kedua jenis merespons penggulungan terkontrol dan pendinginan yang dipercepat untuk memperhalus ukuran butir dan meningkatkan sifat mekanik; namun, karbon dan kandungan paduan yang lebih tinggi pada 42CrMo membuatnya lebih responsif terhadap penguatan melalui pendinginan & temper.
4. Sifat Mekanik
Sifat mekanik sangat bergantung pada perlakuan panas dan ukuran penampang. Tabel menunjukkan rentang representatif untuk kondisi perlakuan panas yang umum digunakan (dinormalisasi, karburisasi/dipendinginkan-ditempa, atau dipendinginkan & ditempa). Ini bersifat indikatif; tentukan lembar data pemasok atau sertifikat uji untuk nilai-nilai yang kritis untuk desain.
| Sifat | 20CrMo (tipikal pasca-karburisasi/temper inti) | 42CrMo (tipikal dipendinginkan & ditempa) |
|---|---|---|
| Kekuatan Tarik (MPa) | Inti: ~500–800 | ~800–1200 |
| Kekuatan Luluh (MPa) | Inti: ~300–600 | ~600–1000 |
| Peregangan (%) | Inti: sedang hingga baik (10–18%) | Bervariasi dengan temper (8–16%) |
| Ketangguhan Impak (J, suhu ruang) | Ketangguhan inti yang baik setelah temper | Baik hingga sangat baik dengan temper yang sesuai; tergantung pada tingkat temper |
| Kekerasan (HRC atau HB) | Kekerasan lapisan tinggi (HRC 55–62), inti rendah (HB 170–250) | Kekerasan sepenuhnya dapat dicapai (misalnya, HRC ~25–55 tergantung pada temper) |
Penjelasan: - Mana yang lebih kuat? Dalam kondisi pengerasan sepenuhnya, 42CrMo memberikan kekuatan tarik dan kekuatan luluh bulk yang lebih tinggi karena kandungan karbon dan paduan yang lebih tinggi. - Mana yang lebih tangguh/ulet? Karbon inti yang lebih rendah pada 20CrMo setelah karburisasi menghasilkan ketangguhan dan keuletan inti yang lebih baik sambil tetap memberikan lapisan yang tahan aus. 42CrMo dapat dirancang untuk keseimbangan ketangguhan–kekuatan melalui tempering tetapi biasanya akan memiliki kekuatan yang lebih tinggi dan keuletan yang lebih rendah dibandingkan inti dari bagian 20CrMo yang dikerburi ketika keduanya dioptimalkan untuk kasus penggunaan masing-masing.
5. Kemampuan Pengelasan
Pertimbangan kemampuan pengelasan: - Kandungan karbon dan kemampuan pengerasan adalah kunci. Karbon bulk yang lebih tinggi dan paduan meningkatkan risiko martensit yang keras dan rapuh di zona yang terpengaruh panas (HAZ) dan dengan demikian meningkatkan persyaratan perlakuan panas pra-panas/interpass dan pasca-las (PWHT). - 20CrMo: karbon bulk yang lebih rendah meningkatkan kemampuan pengelasan untuk bagian yang tidak dikerburi, tetapi jika bagian tersebut dikerburi, pengelasan harus memperhitungkan lapisan yang dikerburi (hindari pengelasan melalui lapisan tanpa prosedur yang tepat). Komponen yang dikerburi umumnya memerlukan perhatian pra- dan pasca-las. - 42CrMo: karbon dan paduan yang lebih tinggi menghasilkan kecenderungan yang lebih tinggi untuk pengerasan HAZ; pra-panas yang terkontrol dan PWHT biasanya diperlukan untuk pengelasan struktural untuk menghindari retak. - Penggunaan rumus setara karbon membantu menilai kemampuan pengelasan. Misalnya: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretasi: Nilai $CE_{IIW}$ atau $P_{cm}$ yang lebih tinggi menunjukkan kemampuan pengerasan yang lebih besar dan kontrol pengelasan yang lebih ketat. Dalam praktiknya, 42CrMo biasanya akan menghasilkan ukuran setara karbon yang lebih tinggi dibandingkan 20CrMo, yang menunjukkan persyaratan pra-panas dan PWHT yang lebih ketat.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 20CrMo maupun 42CrMo bukanlah tahan karat; keduanya memerlukan langkah-langkah perlindungan di mana ketahanan korosi diperlukan.
- Perlindungan umum: pengecatan, pelapisan bubuk, pelumasan, fosfatasi, atau galvanisasi celup panas tergantung pada lingkungan. Untuk bagian dengan permukaan dimensi/pemrosesan panas yang ketat, pelapisan mekanis atau penyelesaian pelumas mungkin lebih disukai.
- Indeks tahan karat seperti PREN tidak berlaku untuk baja karbon/paduan ini. Sebagai referensi tentang baja tahan karat: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Ini tidak relevan untuk 20CrMo atau 42CrMo karena tingkat Cr dan Mo serta kimia matriks mereka tidak dirancang untuk ketahanan terhadap korosi pitting.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin:
- 20CrMo: kemampuan mesin sedang dalam kondisi yang dikeraskan atau dinormalisasi; karbon bulk yang rendah meningkatkan kemudahan pemesinan di daerah inti. Permukaan yang dikerburi sulit untuk diproses setelah pengerasan.
- 42CrMo: kemampuan mesin yang lebih buruk dibandingkan baja karbon rendah saat dikeraskan; dalam kondisi dinormalisasi atau dikeraskan, pemesinan dapat dikelola tetapi getaran dan keausan alat menjadi pertimbangan karena kandungan karbon dan paduan yang lebih tinggi.
- Kemampuan pembentukan:
- 20CrMo (dikeraskan/dinormalisasi): kemampuan pembentukan dingin dan pembengkokan yang lebih baik karena karbon inti yang lebih rendah. Pembentukan setelah karburisasi tidak umum.
- 42CrMo: kemampuan pembentukan dingin yang terbatas dalam kondisi kekuatan lebih tinggi; desain untuk pembentukan dalam keadaan dikeraskan/dinormalisasi sebelum perlakuan panas akhir.
- Penyelesaian permukaan: Keduanya merespons dengan baik terhadap penggilingan, peening, dan penyelesaian permukaan. Penggilingan komponen yang dikeraskan memerlukan pemilihan alat yang tepat dan kontrol pendingin.
8. Aplikasi Tipikal
| 20CrMo (kelas karburisasi) | 42CrMo (kelas pengerasan sepenuhnya) |
|---|---|
| Roda gigi (roda gigi transmisi dengan lapisan karburisasi) | Poros dan poros yang memerlukan kekuatan torsi tinggi |
| Poros spline dan pinion dengan permukaan tahan aus yang keras | Pengikat kekuatan tinggi, poros berat |
| Bushing atau komponen yang memerlukan permukaan tahan aus dan inti yang tangguh | Poros engkol, komponen mesin berat yang memerlukan kekuatan seragam |
| Komponen yang dirancang untuk proses karburisasi untuk menggabungkan ketahanan aus dan ketangguhan | Bagian struktural di mana pengerasan sepenuhnya dan sifat bulk yang dapat diprediksi diperlukan |
Alasan pemilihan: - Pilih 20CrMo jika desain mendapat manfaat dari permukaan yang keras dan tahan aus (lapisan) dengan inti yang ulet dan tangguh — tipikal untuk roda gigi dan permukaan mating yang sangat tertekan di mana aus kontak sangat penting. - Pilih 42CrMo jika aplikasi memerlukan kekuatan bulk seragam yang lebih tinggi dan ketahanan kelelahan di seluruh penampang dan di mana pengerasan sepenuhnya dapat diterima atau diperlukan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: 42CrMo biasanya lebih mahal per ton dibandingkan baja karbon biasa karena kandungan paduan yang lebih tinggi dan persyaratan pemrosesan yang lebih ketat; 20CrMo mungkin memiliki harga yang serupa atau sedikit lebih rendah tergantung pada kelas dan pasar tetapi mungkin mengalami biaya proses tambahan (karburisasi).
- Ketersediaan berdasarkan bentuk produk: Kedua jenis tersedia secara luas di seluruh dunia dalam bentuk batang, forging, dan pelat dari pabrik baja dan distributor spesialis. 42CrMo (atau ekuivalen seperti AISI 4140 / 42CrMo4) adalah paduan standar yang sering disimpan; kelas karburisasi seperti 20CrMo juga umum tetapi mungkin disuplai sebagai blanko yang dinormalisasi atau pra-karburisasi.
- Total biaya kepemilikan: perhitungkan perlakuan panas (biaya siklus karburisasi untuk 20CrMo), pemesinan/penggilingan pasca-perlakuan panas, dan pengujian nondestruktif tambahan atau perlindungan permukaan. Kelas dasar yang tampaknya lebih murah dapat menjadi lebih mahal setelah langkah karburisasi dan penyelesaian.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | 20CrMo | 42CrMo |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik untuk pengelasan inti; hindari pengelasan melalui lapisan karburisasi tanpa kontrol | Lebih ketat — pra-panas/PWHT yang lebih tinggi sering diperlukan |
| Keseimbangan kekuatan–ketangguhan | Kombinasi lapisan/inti yang sangat baik untuk ketahanan aus + ketangguhan | Kekuatan melalui ketebalan yang lebih tinggi; ketangguhan dapat disesuaikan melalui tempering |
| Biaya | Biaya dasar yang kompetitif; biaya proses tambahan untuk karburisasi | Biaya paduan yang lebih tinggi; rute perlakuan panas yang lebih sederhana untuk pengerasan sepenuhnya |
Rekomendasi: - Pilih 20CrMo jika Anda memerlukan permukaan yang dikeraskan untuk ketahanan aus sambil mempertahankan inti yang ulet dan tangguh — tipikal untuk roda gigi, pinion, dan poros yang dikerburi. - Pilih 42CrMo jika Anda memerlukan kekuatan melalui ketebalan yang lebih tinggi dan kondisi yang dapat diprediksi setelah pendinginan dan temper untuk poros, poros, atau komponen struktural yang sangat tertekan di mana sifat seragam sangat penting.
Catatan akhir: Selalu hubungkan pemilihan material dengan umur desain spesifik, beban kelelahan, batasan dimensi, dan perlakuan pasca-fabrikasi (karburisasi, nitriding, pendinginan & temper, PWHT). Konfirmasi batasan kimia dan mekanik yang tepat dari sertifikat pabrik atau standar yang berlaku sebelum menyelesaikan pengadaan atau spesifikasi desain.