20R vs 20MnR – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pendahuluan

Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali memutuskan antara baja karbon paduan rendah yang seimbang antara biaya, kemampuan dibentuk, dan kinerja mekanis. Dua kelas yang ditemui dalam pengadaan dan desain adalah 20R dan 20MnR. Konteks keputusan yang umum termasuk memilih bahan dasar untuk komponen yang ditempa atau dikerjakan di mana kompromi antara kekuatan, ketangguhan, kemampuan pengerasan, dan kemampuan pengelasan menjadi penting — misalnya, poros, baut, roda gigi, dan bagian struktural yang dilas.

Perbedaan rekayasa utama antara kelas-kelas ini adalah bahwa satu adalah baja karbon rendah biasa sementara yang lainnya sengaja dipadu dengan mangan untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan tanpa mengorbankan plastisitas secara signifikan. Perbedaan ini mempengaruhi respons perlakuan panas, sifat mekanis, dan kesesuaian untuk berbagai rute fabrikasi, itulah sebabnya desainer biasanya membandingkannya.

1. Standar dan Penunjukan

• Sistem standar umum di mana kelas yang ditunjuk serupa muncul:
• GB/T (Cina) — kelas seperti 20, 20Mn, 20R, 20MnR digunakan dalam praktik nasional dan katalog pemasok.
• EN (Eropa) — kelas EN yang kira-kira sebanding termasuk baja dalam keluarga 1.0xxx atau 1.1xxx (misalnya, EN C20, C20E) dan baja paduan rendah (misalnya, setara 20Mn).
• JIS (Jepang) dan ASTM/ASME (AS) tidak selalu menggunakan label numerik yang sama, tetapi baja setara ada (misalnya, AISI 1020 untuk baja karbon 0.20%C biasa).
• Klasifikasi:
• 20R — baja struktural karbon rendah (baja karbon biasa), digunakan untuk bagian struktural umum dan bagian yang dikerjakan.
• 20MnR — baja karbon paduan rendah (karbon + mangan), dikategorikan sebagai baja struktural yang diperkuat mangan; terkadang ditentukan untuk meningkatkan kemampuan pengerasan atau kekuatan pada bagian yang lebih tebal.
• Catatan: Akhiran “R” dapat muncul dalam penunjukan pemasok atau nasional untuk menunjukkan pemrosesan tertentu (misalnya, kelas rimmed, rolled, atau refined) dalam beberapa standar. Selalu konfirmasi standar dan sertifikat yang tepat dari pabrik ketika pengadaan memerlukan sifat yang tepat.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel di bawah ini merangkum karakteristik komposisi yang khas. Ini adalah rentang industri yang representatif digunakan untuk menggambarkan kontras antara dua kelas; selalu gunakan komposisi yang tepat dari sertifikat pabrik atau standar yang berlaku saat merancang atau mengadakan.

Bagaimana strategi paduan mempengaruhi kinerja: - Karbon secara dominan mengontrol kekuatan dan kemampuan pengerasan; kedua kelas adalah karbon rendah untuk kemampuan dibentuk dan kemampuan pengelasan yang baik. - Mangan dalam 20MnR meningkatkan kekuatan tarik, kemampuan pengerasan (kemampuan untuk membentuk martensit/bainit pada bagian yang lebih tebal dengan pendinginan yang lebih cepat), dan berkontribusi pada ketangguhan ketika diperlakukan panas dengan benar. - Elemen paduan dan jejak lainnya (Si, S, P) dikontrol untuk menyeimbangkan plastisitas, kemampuan mesin, dan kemampuan dibentuk.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur yang khas dan bagaimana pemrosesan mempengaruhi setiap kelas:

• 20R:
• Dalam keadaan digulung atau dinormalisasi: terutama ferrit dengan pearlit yang tersebar — matriks lunak dan plastis yang cocok untuk pembentukan dan pemesinan.
• Pendinginan dan penempaan: kemampuan pengerasan terbatas karena Mn rendah; permukaan dan bagian tipis dapat dikeraskan, tetapi bagian yang lebih tebal tidak akan mengembangkan fraksi martensit yang tinggi tanpa pendinginan yang sangat cepat.

• Normalisasi meningkatkan keseragaman dan memperhalus ukuran butir, memberikan peningkatan yang moderat dalam kekuatan dan ketangguhan.

• 20MnR:

• Dalam keadaan digulung atau dinormalisasi: ferrit ditambah fraksi volume pearlit yang lebih tinggi dibandingkan 20R, karena kandungan Mn; mikrostruktur lebih keras dan kurang dapat terdeformasi dalam keadaan yang dikirim.
• Pendinginan dan penempaan: kemampuan pengerasan yang lebih tinggi memungkinkan pengerasan yang lebih dalam pada bagian yang lebih tebal; dengan siklus T/T yang sesuai, 20MnR dapat mencapai tingkat kekuatan yang lebih tinggi dan ketangguhan yang menguntungkan.
• Pemrosesan termo-mekanis (penggulungan terkontrol) dapat menghasilkan mikrostruktur ferrit/pearlit atau bainitik yang lebih halus dengan keseimbangan kekuatan–ketangguhan yang lebih baik.

Implikasi praktis: 20MnR merespons lebih baik terhadap pendinginan/penempaan dan menawarkan kekuatan yang lebih tinggi yang dapat dicapai pada penampang yang lebih besar dibandingkan 20R untuk kondisi perlakuan panas yang sebanding.

4. Sifat Mekanis

Kontras sifat mekanis yang representatif disajikan secara kualitatif dan dengan rentang khas yang biasanya digunakan insinyur untuk pemilihan. Gunakan sertifikat pabrik atau laporan uji untuk angka desain yang tepat.

Siapa yang lebih kuat, lebih tangguh, atau lebih plastis, dan mengapa: - Kekuatan: 20MnR biasanya memberikan kekuatan yang lebih tinggi (baik tarik maupun luluh) untuk perlakuan panas yang sama karena mangan mendorong mikrostruktur pearlit/bainitik yang lebih keras dan meningkatkan kemampuan pengerasan. - Ketangguhan: Dengan pemrosesan yang tepat, 20MnR dapat menyamai atau melebihi ketangguhan impak 20R; namun, perlakuan panas yang tidak tepat atau laju pendinginan yang berlebihan dapat membuat baja dengan Mn tinggi menjadi rapuh. - Plastisitas: 20R cenderung lebih plastis dalam kondisi annealed/dinormalisasi karena fraksi konstituen keras yang lebih rendah.

5. Kemampuan Pengelasan

Kemampuan pengelasan dipengaruhi oleh ekuivalen karbon dan mikro-paduan. Dua rumus empiris yang umum digunakan berguna untuk interpretasi kualitatif; masukkan bentuk yang berlaku di sini untuk penilaian.

Tampilkan bentuk ekuivalen karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Parameter yang lebih komprehensif digunakan dalam beberapa spesifikasi: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - 20R: Mn yang lebih rendah dan C rendah memberikan nilai ekuivalen karbon yang relatif rendah → umumnya kemampuan pengelasan yang baik, risiko retak dingin yang rendah, dan pemanasan awal minimal yang diperlukan untuk bagian tipis. - 20MnR: Mn yang tinggi meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ dibandingkan dengan 20R, menunjukkan risiko yang lebih tinggi untuk pembentukan zona keras dan retak yang dibantu hidrogen di zona yang terpengaruh panas (HAZ) untuk bagian tebal atau pengelasan dengan ketegangan tinggi. Pemanasan awal dan suhu antar yang terkontrol, metalurgi pengisi yang sesuai, dan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) dapat mengurangi risiko. - Elemen mikro-paduan (jika ada) dan tegangan sisa juga mempengaruhi kemampuan pengelasan. Selalu hitung ekuivalen karbon untuk kimia yang disertifikasi dan ikuti spesifikasi prosedur pengelasan (WPS).

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Baik 20R maupun 20MnR bukanlah baja tahan karat. Ketahanan korosi khas dari baja karbon rendah dan memerlukan perlindungan permukaan untuk lingkungan yang terekspos.
• Metode perlindungan yang khas: pengecatan, pelapisan, galvanisasi celup panas, elektroplating, atau perlindungan korosi yang korosif tergantung pada lingkungan layanan dan umur desain.
• PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) tidak berlaku untuk baja paduan rendah yang tidak tahan karat; gunakan yang berikut hanya untuk paduan tahan karat: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Panduan pemilihan: Jika ketahanan korosi adalah pendorong yang signifikan, tentukan pelapisan pelindung yang sesuai atau pilih paduan tahan karat atau tahan korosi daripada 20R/20MnR.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Dibentuk

• Kemampuan mesin:
• 20R: Umumnya kemampuan mesin yang baik dalam kondisi annealed/dinormalisasi; Mn yang lebih rendah dan kekerasan yang lebih rendah memudahkan pemotongan.
• 20MnR: Kemampuan mesin sedikit berkurang karena kekuatan yang lebih tinggi dan mikrostruktur yang lebih keras; kemampuan mesin meningkat setelah annealing atau penempaan yang sesuai.
• Kemampuan dibentuk dan pengerjaan dingin:
• 20R: Lebih baik untuk pembengkokan, penarikan dalam, dan pembentukan dingin karena plastisitas yang lebih besar.
• 20MnR: Kemampuan dibentuk cukup untuk banyak penggunaan struktural tetapi mungkin memerlukan jari-jari bengkok yang lebih besar atau anneal antara untuk pembentukan yang parah.
• Penyelesaian permukaan:
• Keduanya menerima metode penyelesaian standar (penggilingan, pemolesan, shot peening), tetapi kekuatan yang lebih tinggi (20MnR) meningkatkan keausan alat dan energi yang diperlukan untuk pembentukan.

8. Aplikasi Khas

Alasan pemilihan: - Pilih 20R ketika desain memprioritaskan kemampuan dibentuk, kemampuan pengelasan, dan biaya material yang lebih rendah, dan ketika tingkat kekuatan yang dibutuhkan moderat atau dapat dicapai dengan pemrosesan yang lebih sederhana. - Pilih 20MnR ketika kekuatan yang lebih tinggi dalam keadaan yang dikirim atau kemampuan pengerasan yang lebih baik pada bagian yang lebih tebal diperlukan, atau ketika pemrosesan pendinginan & penempaan dimaksudkan untuk mencapai target kinerja yang lebih tinggi.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya: 20MnR biasanya sedikit lebih mahal daripada 20R biasa karena kandungan mangan yang lebih tinggi yang disengaja dan potensi kontrol pemrosesan tambahan. Premi yang tepat tergantung pada penawaran pabrik regional dan kondisi pasar.
• Ketersediaan: Kedua kelas umumnya tersedia dalam bentuk pelat, batang, dan tempa dari pabrik dan distributor regional, tetapi ketersediaan 20MnR yang disertifikasi dalam bentuk produk tertentu (misalnya, tempa besar, perlakuan panas tertentu) mungkin lebih terbatas dibandingkan 20R biasa. Waktu tunggu dapat bervariasi berdasarkan bentuk, ukuran, dan perlakuan panas.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Rekomendasi: - Pilih 20R jika Anda memerlukan baja yang hemat biaya, mudah dikerjakan dan dibentuk untuk komponen struktural umum, bagian yang dikerjakan, atau rakitan yang dilas di mana kemampuan pengerasan bagian tebal tidak diperlukan. - Pilih 20MnR jika aplikasi memerlukan kemampuan pengerasan yang lebih baik, kekuatan yang lebih tinggi dalam keadaan yang dikirim, atau kemampuan untuk mencapai kekuatan yang lebih tinggi dengan pendinginan & penempaan pada bagian yang lebih tebal — misalnya, sumbu, roda gigi, atau komponen di mana pengerasan menyeluruh atau ketahanan kelelahan yang tinggi penting.

Catatan akhir: - Selalu verifikasi spesifikasi kimia dan mekanis yang tepat pada sertifikat uji pabrik dan tentukan standar yang relevan dalam pesanan pembelian. - Untuk struktur yang dilas atau komponen kritis, hitung ekuivalen karbon yang berlaku (misalnya, $CE_{IIW}$ atau $P_{cm}$) menggunakan kimia yang disertifikasi dan ikuti prosedur pengelasan yang memenuhi syarat. - Ketika korosi, umur kelelahan, atau ketangguhan patah adalah persyaratan desain yang mengatur, lakukan pengujian kualifikasi material atau pilih material yang secara khusus ditentukan untuk sifat-sifat tersebut.