20Mn vs 40Mn – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali memilih antara 20Mn dan 40Mn saat menentukan baja karbon menengah yang mengandung mangan untuk poros, roda gigi, pengecoran, dan bagian struktural. Dilema pemilihan biasanya berpusat pada keseimbangan antara kekuatan dan ketahanan aus terhadap kemampuan dibentuk dan dapat dilas: satu grade biasanya dipilih ketika karbon lebih rendah dan fabrikasi yang lebih mudah menjadi prioritas, sementara yang lainnya dipilih ketika kekerasan yang lebih tinggi dan kekuatan setelah pendinginan yang lebih tinggi diperlukan.

Sekilas, perbedaan rekayasa utama antara kedua grade terletak pada keseimbangan paduan karbon-mangan dan respons perlakuan panas yang dihasilkan. Perbedaan ini diterjemahkan menjadi mikrostruktur yang kontras setelah perlakuan panas dan menjadi trade-off yang berbeda antara kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan dilas—sehingga sering dibandingkan secara langsung dalam keputusan desain dan pengadaan.

1. Standar dan Penunjukan

Penunjukan normatif umum dan kerangka klasifikasi di mana grade seperti 20Mn dan 40Mn muncul meliputi: - GB (Cina): 20Mn, 40Mn muncul sebagai grade baja karbon-mangan konvensional. - JIS (Jepang): baja yang sebanding sering dirujuk berdasarkan kesetaraan kimia (misalnya, analog keluarga S20C / S45C). - SAE/AISI: ekuivalen perkiraan berada dalam keluarga SAE 10xx dan 104x (misalnya, 1020 ~ karbon rendah; 1040 ~ karbon menengah). - EN (Eropa): peran serupa diambil oleh jenis EN Ckxx atau C45 dengan variasi Mn.

Klasifikasi: baik 20Mn maupun 40Mn adalah baja paduan karbon/mangan (bukan stainless, bukan HSLA dalam pengertian modern, dan bukan baja alat). Mereka biasanya digunakan sebagai baja struktural/rekayasa karbon menengah yang dimaksudkan untuk perlakuan panas (pendinginan & temper) atau pemesinan/pengecoran setelah normalisasi.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel di bawah ini menunjukkan elemen paduan yang khas dan indikasi rentang kualitatif atau tipikal. Komposisi yang tepat tergantung pada edisi standar dan praktik pabrik; selalu verifikasi sertifikat material untuk pengadaan.

Elemen	Peran tipikal	20Mn (rentang tipikal)	40Mn (rentang tipikal)
C	Kekuatan, ketahanan pengerasan, kekerasan setelah pendinginan	Rendah (~0.16–0.24 wt%)	Menengah–tinggi (~0.36–0.44 wt%)
Mn	Penguatan larutan padat, ketahanan pengerasan, deoksidasi	Moderat (~0.7–1.2 wt%)	Moderat (~0.6–1.0 wt%)
Si	Deoksidator, kekuatan	≤0.35 wt% (biasanya rendah)	≤0.35 wt% (biasanya rendah)
P	Kotoran; risiko embrittlement	≤0.035 wt%	≤0.035 wt%
S	Kotoran; aditif machinability ketika tinggi	≤0.035 wt%	≤0.035 wt%
Cr	Ketahanan pengerasan, ketahanan aus (jika ada)	biasanya ≤0.25 wt%	biasanya ≤0.25 wt%
Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	Modifikasi mikro paduan/ketahanan pengerasan (jika ada)	Jejak atau tidak ada dalam grade dasar	Jejak atau tidak ada dalam grade dasar

Catatan: - Rentang numerik di atas adalah representatif untuk grade 20Mn dan 40Mn konvensional yang ditemukan dalam praktik GB/JIS/industri; ada beberapa varian dan produk termo-mekanis dengan kimia yang disesuaikan. - 20Mn biasanya menargetkan karbon lebih rendah untuk meningkatkan kemampuan dilas dan ketangguhan, dengan Mn memberikan beberapa penguatan dan ketahanan pengerasan. - 40Mn menargetkan karbon lebih tinggi untuk memungkinkan kekerasan setelah pendinginan yang lebih tinggi dan ketahanan aus; mangan masih membantu ketahanan pengerasan dan kekuatan tetapi dapat mengurangi kemampuan dilas jika dikombinasikan dengan karbon yang lebih tinggi.

Efek paduan dirangkum: - Karbon meningkatkan kekuatan dan ketahanan pengerasan tetapi mengurangi ketangguhan dan kemampuan dilas. - Mangan meningkatkan ketahanan pengerasan dan kekuatan tarik; kelebihan Mn dapat meningkatkan risiko segregasi dan kerapuhan dingin jika tidak dikendalikan. - Elemen mikro paduan (V, Nb, Ti) memperhalus butir dan meningkatkan kekuatan/kekerasan tetapi tidak bersifat intrinsik pada grade 20Mn/40Mn dasar kecuali ditentukan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur tipikal dan bagaimana rute pemrosesan mempengaruhi mereka:

• Seperti digulung atau dinormalisasi:
• 20Mn: sebagian besar ferrit + pearlit dengan pearlit yang relatif kasar jika didinginkan perlahan; ketangguhan yang baik.

• 40Mn: ferrit + pearlit dengan fraksi pearlit yang lebih tinggi dan pearlit yang lebih halus ketika didinginkan lebih cepat; kekerasan lebih tinggi daripada 20Mn dalam keadaan dinormalisasi.

• Normalisasi:

• Kedua grade memperhalus ukuran butir dan menghasilkan fraksi ferrit-pearlit atau martensit yang lebih seragam setelah pendinginan. Normalisasi meningkatkan kekuatan relatif terhadap perlakuan panas dan meningkatkan konsistensi machinability.

• Pemanasan & tempering:

• 20Mn: kekerasan martensit akhir yang lebih rendah pada tingkat pendinginan yang sama karena kandungan karbon yang lebih rendah; tempering mengembalikan ketangguhan sambil mempertahankan kekuatan moderat.
• 40Mn: karbon yang lebih tinggi menghasilkan kekerasan martensit yang lebih besar dan kekuatan akhir yang lebih tinggi setelah pendinginan; memerlukan tempering yang hati-hati untuk menghindari kerapuhan yang berlebihan.

• Ketahanan pengerasan untuk ketebalan bagian tertentu dipengaruhi oleh Mn; karbon yang lebih tinggi pada 40Mn meningkatkan kekerasan yang dapat dicapai; kandungan Mn mempengaruhi diameter kritis (D-I) dan kedalaman pengerasan.

• Pengolahan termo-mekanis:

• Pemrosesan yang terkontrol dan pendinginan yang dipercepat dapat menghasilkan campuran bainit/martensit yang halus pada kedua grade; 40Mn lebih mungkin membentuk mikrostruktur yang lebih keras pada laju pendinginan yang setara.

Catatan kontrol mikrostruktur: - Kontrol ukuran butir dan perlindungan dekarbonisasi sangat penting ketika ketangguhan tinggi diperlukan. - Untuk bagian yang lebih tebal, karbon yang lebih tinggi pada 40Mn meningkatkan risiko martensit yang keras dan rapuh di zona yang terpengaruh panas (HAZ) selama pengelasan.

4. Sifat Mekanik

Hasil mekanik tergantung pada perlakuan panas dan ukuran bagian. Tabel memberikan perbandingan kualitatif tipikal dan rentang indikatif untuk perlakuan yang umum ditemui; verifikasi dengan laporan uji pabrik.

Sifat	20Mn (tipikal, dinormalisasi/dinormalisasi/dipendinginkan+tempered)	40Mn (tipikal, dinormalisasi/dinormalisasi/dipendinginkan+tempered)
Kekuatan tarik	Moderat (dinormalisasi ~350–550 MPa; dapat ditingkatkan melalui Q&T)	Lebih tinggi (dinormalisasi/dinormalisasi ~500–800 MPa setelah Q&T lebih tinggi lagi)
Kekuatan luluh	Moderat	Lebih tinggi
Peregangan (seragam/total)	Ketangguhan lebih tinggi (nilai peregangan yang lebih baik)	Peregangan lebih rendah dibandingkan dengan 20Mn pada tingkat kekuatan yang sama
Kekerasan impak	Baik dalam keadaan dinormalisasi/dinormalisasi; mempertahankan ketangguhan setelah tempering	Ketangguhan lebih rendah pada kekuatan yang setara karena kandungan C yang lebih tinggi; memerlukan strategi tempering
Kekerasan (HRC/HB)	Kekerasan yang dapat dicapai lebih rendah untuk pendinginan yang diberikan; lebih mudah untuk diproses	Kekerasan setelah pendinginan yang lebih tinggi dapat dicapai; lebih tahan aus tetapi kurang dapat diproses ketika dikeraskan

Interpretasi: - 40Mn umumnya mencapai kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi karena karbonnya yang lebih tinggi; lebih disukai di mana ketahanan aus dan kapasitas beban menjadi prioritas. - 20Mn memberikan ketangguhan yang lebih baik dan umumnya kemampuan dilas yang lebih unggul, menjadikannya cocok untuk komponen yang memerlukan pembentukan atau penyambungan dengan risiko retak HAZ yang lebih rendah.

5. Kemampuan Dilas

Kemampuan dilas tergantung terutama pada ekuivalen karbon dan mikro paduan. Dua indeks yang umum digunakan:

• Ekuivalen karbon International Institute of Welding: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Dearden & O'Neill/Pcm (ekuivalen karbon praktis) untuk baja: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - 20Mn biasanya menghasilkan ekuivalen karbon yang lebih rendah daripada 40Mn (karena karbon yang lebih rendah), sehingga untuk tingkat Mn yang serupa 20Mn memiliki kemampuan dilas yang lebih unggul, persyaratan pemanasan awal yang lebih rendah, dan risiko retak dingin HAZ yang berkurang. - Karbon yang lebih tinggi pada 40Mn meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$, meningkatkan kebutuhan untuk pemanasan awal, kontrol input panas yang terkontrol, perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT), atau pemilihan pengisi yang dirancang untuk mengurangi kekerasan HAZ. - Jika ada tambahan mikro paduan (misalnya, V, Nb), mereka sedikit meningkatkan indeks ini dan menuntut kontrol pengelasan yang lebih ketat.

Praktik terbaik: - Untuk 40Mn, gunakan pemanasan awal dan kontrol suhu antar proses, bahan habis pakai rendah hidrogen, dan pertimbangkan PWHT jika kekuatan tinggi atau ketangguhan kritis diperlukan. - Untuk 20Mn, prosedur pengelasan standar dengan pemanasan awal moderat sering kali cukup untuk ketebalan umum.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Baik 20Mn maupun 40Mn bukan stainless; ketahanan korosi adalah tipikal baja karbon dan memerlukan perlindungan di lingkungan korosif.
• Strategi perlindungan permukaan:
• Galvanisasi celup panas untuk paparan atmosfer.
• Pelapisan elektro galvanis, sistem cat, pelapisan bubuk, atau primer organik/inorganik untuk perlindungan tambahan.
• Perlindungan katodik atau pelapisan khusus untuk lingkungan kimia laut atau agresif.

Indeks baja tahan karat seperti PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ tidak berlaku untuk 20Mn atau 40Mn karena ini bukan paduan stainless dan mengandung Cr, Mo, atau N yang dapat diabaikan untuk ketahanan korosi. Untuk layanan korosif, pilih paduan stainless atau terapkan pelapisan pelindung yang sesuai.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Dibentuk

• Kemampuan mesin:
• 20Mn (karbon lebih rendah) lebih mudah diproses dalam kondisi dinormalisasi; alat pemotong bertahan lebih lama dan umpan/kecepatan dapat lebih tinggi.
• 40Mn, terutama ketika dinormalisasi atau dikeraskan, lebih keras pada alat; kemampuan mesin menurun dengan kekerasan yang lebih tinggi.
• Kemampuan dibentuk dan pembengkokan:
• 20Mn memiliki kemampuan dibentuk dingin dan perilaku pemulihan yang lebih baik karena ketangguhan yang meningkat.
• 40Mn kurang mudah dibentuk; pemanasan awal atau pembentukan panas mungkin lebih disukai untuk bentuk yang kompleks.
• Penyelesaian:
• Keduanya merespons dengan baik terhadap penyelesaian permukaan konvensional; 40Mn yang dikeraskan mungkin memerlukan penggilingan daripada pemotongan untuk mencapai penyelesaian permukaan yang ketat.

Rekomendasi manufaktur: - Ketika toleransi pemesinan yang ketat diperlukan dengan sedikit keausan alat, tentukan 20Mn dalam keadaan yang lebih lunak atau minta temper yang sedang. - Untuk komponen yang memerlukan pengerasan akhir dan ketahanan aus, tentukan 40Mn dengan rute pendinginan & temper yang sesuai dan perhitungkan biaya pasca pemesinan/perlakuan panas.

8. Aplikasi Tipikal

20Mn – Penggunaan Tipikal	40Mn – Penggunaan Tipikal
Poros, pin, poros roda, roda gigi yang sedikit terbebani, komponen tempa umum di mana ketangguhan dan kemampuan dilas penting	Poros yang sangat terbebani, roda gigi yang dipendinginkan & dikeraskan, bagian yang tahan aus, pengecoran kekuatan tinggi yang memerlukan kekerasan lebih tinggi
Bagian struktural yang akan dilas dan memerlukan kekuatan moderat	Komponen yang membutuhkan kekuatan setelah pendinginan yang lebih tinggi dan ketahanan aus (misalnya, elemen rol, roda gigi berat)
Bagian yang dibentuk dingin dan bagian yang memerlukan pemesinan sekunder	Bagian yang dikenakan stres kontak tinggi di mana kekerasan dan ketahanan kelelahan diperlukan setelah HT

Rasional pemilihan: - Pilih 20Mn untuk desain yang memprioritaskan pembentukan, pengelasan, dan ketangguhan dengan permintaan kekuatan moderat. - Pilih 40Mn untuk bagian di mana kekuatan lebih tinggi dan ketahanan aus setelah pengerasan menjadi perhatian utama dan di mana prosedur pengelasan/HT yang terkontrol dapat diterapkan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya:
• 20Mn umumnya lebih murah dalam total siklus hidup di mana pengelasan dan perlakuan panas yang kurang agresif diinginkan, karena karbon yang lebih rendah mengurangi biaya HT/PWHT dan penolakan.
• 40Mn dapat lebih mahal dalam pemrosesan karena kontrol perlakuan panas dan pengelasan yang lebih ketat, serta langkah pemesinan/pengerasan tambahan yang potensial.
• Ketersediaan:
• Kedua grade umum di daerah dengan produksi baja karbon yang mapan (misalnya, Asia, Eropa).
• Bentuk produk (batang, pengecoran, pelat) ketersediaan tergantung pada jadwal produksi pabrik; 20Mn mungkin lebih mudah tersedia dalam bentuk batang dan gulungan yang dinormalisasi dengan biaya lebih rendah, sementara 40Mn tersedia secara luas sebagai pengecoran dan batang yang dapat diperlakukan panas.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel ringkasan (penilaian kualitatif: Baik / Moderat / Buruk)

Aspek	20Mn	40Mn
Kemampuan dilas	Baik	Moderat → memerlukan pemanasan awal/PWHT
Kekuatan–Ketahanan Pengerasan (potensi setelah pendinginan)	Moderat	Tinggi
Ketangguhan (pada kekuatan yang setara)	Lebih baik	Lebih rendah (kecuali tempering dioptimalkan)
Kemampuan mesin (dinormalisasi)	Baik	Moderat–Buruk ketika dikeraskan
Biaya (pemrosesan & HT)	Lebih rendah	Lebih tinggi (karena kontrol HT/pengelasan)

Kesimpulan: - Pilih 20Mn jika Anda membutuhkan: kemampuan dilas dan kemampuan dibentuk yang lebih baik, ketangguhan yang lebih tinggi, produksi yang lebih sederhana dan risiko retak HAZ yang lebih rendah—tipikal untuk fabrikasi yang dilas, bagian yang dibentuk, dan aplikasi di mana kekuatan moderat cukup. - Pilih 40Mn jika Anda membutuhkan: kekuatan setelah pendinginan yang lebih tinggi, ketahanan aus yang lebih besar, dan kekuatan kelelahan yang lebih tinggi setelah pendinginan & temper yang sesuai—tipikal untuk roda gigi tugas berat, poros, dan bagian tahan aus di mana perlakuan panas yang ketat dan pengelasan yang terkontrol dapat diterima.

Catatan akhir: perbandingan ini bersifat skematis; kinerja aktual tergantung pada komposisi kimia yang tepat, ukuran bagian, siklus perlakuan panas, dan kondisi layanan. Selalu konfirmasi sertifikat kimia dan mekanik pabrik secara lengkap dan, untuk aplikasi kritis, lakukan uji coba spesifik aplikasi (kualifikasi prosedur pengelasan, pemetaan kekerasan, pengujian ketangguhan) sebelum produksi penuh.