2205 vs 2507 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Duplex stainless steels 2205 dan 2507 (umumnya disebut “super duplex”) banyak digunakan di mana kekuatan yang lebih tinggi dan ketahanan korosi yang lebih baik diperlukan dibandingkan dengan grade austenitik. Insinyur dan tim pengadaan sering menghadapi trade-off antara biaya, kemampuan pengelasan, dan tingkat ketahanan korosi lokal yang dibutuhkan untuk layanan di media yang mengandung klorida. Perencana manufaktur harus menyeimbangkan kesulitan pembentukan dan pemesinan dengan penghematan dari pengurangan ketebalan bagian karena kekuatan yang lebih tinggi.
Perbedaan teknis utama adalah bahwa 2507 mengandung kromium, molibdenum, dan nitrogen yang lebih tinggi dibandingkan 2205, menghasilkan ketahanan terhadap korosi pitting dan celah yang lebih besar serta kekuatan tarik/hasil yang lebih tinggi dengan mengorbankan sedikit formabilitas yang lebih rendah dan biaya material yang lebih tinggi. Strategi komposisi itu—meningkatkan Cr, Mo, dan N sambil mempertahankan keseimbangan ferritik-austenitik duplex—adalah alasan mengapa kedua grade ini dibandingkan untuk lingkungan agresif dan aplikasi yang kritis terhadap beban.
1. Standar dan Penunjukan
- 2205: Umumnya ditunjuk UNS S32205 / S32266; ditentukan dalam ASTM/ASME (misalnya, A240, A182 untuk produk yang ditempa dan diproduksi), EN (1.4462), JIS dan setara GB ada.
- 2507: Umumnya ditunjuk UNS S32750; ditentukan dalam ASTM/ASME dan EN (1.4410 sering digunakan untuk super duplex) dan standar regional lainnya.
Kategorisasi: - Baik 2205 maupun 2507 adalah stainless steel (secara khusus stainless steel duplex). Mereka bukan baja karbon, baja alat, atau grade HSLA.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut merangkum rentang komposisi tipikal untuk kedua grade duplex ini (rentang bersertifikat pabrik bervariasi menurut standar dan produsen). Unsur yang tidak terdaftar biasanya hadir sebagai besi seimbang atau tingkat jejak.
| Unsur | 2205 (rentang tipikal, wt%) | 2507 (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.02 | ≤ 0.02 |
| Cr | 22.0–23.0 | 24.0–26.0 |
| Ni | 4.5–6.5 | 6.0–8.0 |
| Mo | 3.0–3.5 | 3.5–4.5 |
| V | biasanya jejak/tidak ada | biasanya jejak/tidak ada |
| Nb / Ti | biasanya tidak ada | biasanya tidak ada |
| B | biasanya tidak ada | biasanya tidak ada |
| N | 0.14–0.20 | 0.24–0.32 |
| Fe | Seimbang | Seimbang |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat - Kromium: kontributor utama untuk pembentukan film pasif dan ketahanan pitting; Cr yang lebih tinggi meningkatkan ketahanan korosi umum dan sedikit meningkatkan kekuatan pada grade duplex. - Molybdenum: meningkatkan ketahanan pitting dan celah dalam media yang mengandung klorida. - Nitrogen: menstabilkan fase austenit dan secara signifikan meningkatkan kekuatan hasil dan ketahanan pitting (per PREN), juga meningkatkan ketahanan terhadap retak korosi tegangan di banyak grade duplex. - Nikel: menyeimbangkan fraksi fase ferrit-austenit; Ni yang lebih tinggi di 2507 membantu mempertahankan mikrostruktur duplex meskipun Cr dan Mo lebih tinggi. - Karbon rendah meminimalkan presipitasi karbida dan kerentanan terhadap korosi intergranular.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal - Kedua grade adalah duplex — campuran yang kira-kira sama dari ferrit (δ) dan austenit (γ) dalam kondisi annealed. Fraksi volume target biasanya mendekati 50/50 tetapi bervariasi dengan bentuk produk dan sejarah termal. - 2205: mikrostruktur duplex yang stabil dengan austenit yang terbentuk oleh pemisahan Cr–Ni–N; seimbang untuk ketahanan yang baik dan ketahanan korosi. - 2507: mikrostruktur duplex dengan tingkat paduan yang lebih tinggi; memerlukan kontrol siklus termal yang hati-hati untuk menghindari ferrit yang berlebihan atau fase intermetallic yang merugikan.
Efek dari proses termal - Annealing larutan (biasanya ~1020–1100 °C untuk stainless steel duplex) diikuti dengan pendinginan cepat mengembalikan keseimbangan duplex dan melarutkan presipitat intermetallic. Kedua grade mendapat manfaat dari perlakuan larutan yang tepat setelah pembentukan panas atau pengelasan berat untuk memulihkan sifat. - Pendinginan lambat atau paparan berkepanjangan dalam rentang 600–950 °C mendorong pembentukan fase sigma, chi, atau intermetallic lainnya, yang membuat material menjadi rapuh dan menurunkan ketahanan korosi. Ini menjadi perhatian yang lebih besar untuk 2507 karena kandungan Cr dan Mo yang lebih tinggi meningkatkan gaya pendorong termodinamika untuk intermetallic. - Pekerjaan dingin meningkatkan kekuatan melalui pengerasan kerja dan menggeser keseimbangan ferrit-austenit; baja duplex sering diproduksi dalam ketebalan berat atau pelat dengan perlakuan termo-mekanis yang terkontrol untuk mencapai sifat mekanis yang diinginkan. - Tidak seperti baja karbon, siklus pendinginan dan temper yang tipikal tidak diterapkan pada stainless steel duplex; kontrol terutama melalui annealing larutan dan pekerjaan dingin.
4. Sifat Mekanis
Nilai di bawah ini adalah rentang tipikal untuk bentuk produk yang di-anneal (pelat, lembaran, pipa) dan bervariasi menurut pabrik dan perlakuan panas. Selalu gunakan sertifikat pabrik untuk desain.
| Sifat | 2205 (tipikal, di-anneal) | 2507 (tipikal, di-anneal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~620–880 | ~800–1000 |
| 0.2% Bukti / Hasil (MPa) | ~450–650 | ~620–800 |
| Peregangan (%) | ~20–35 | ~10–25 |
| Kekerasan dampak (Charpy V, suhu ruang) | umumnya baik, sering ≥40 J | umumnya baik tetapi lebih rendah dari 2205 dalam beberapa kondisi |
| Kekerasan (HRC/HB) | sedang | lebih tinggi karena peningkatan kekuatan |
Interpretasi - Kekuatan: 2507 umumnya lebih kuat dalam kekuatan hasil dan tarik karena tambahan nitrogen dan paduan yang lebih tinggi. Ini memungkinkan desain penghematan berat melalui pengurangan ketebalan bagian untuk ketahanan beban yang sama. - Ketahanan & duktilitas: 2205 biasanya menawarkan duktilitas dan formabilitas yang lebih besar; 2507 mengorbankan beberapa duktilitas untuk kekuatan yang lebih tinggi. Keduanya dapat memiliki ketahanan dampak yang sangat baik ketika diproses dengan benar, tetapi 2507 lebih sensitif terhadap sejarah termal dan presipitasi intermetallic. - Desainer harus memverifikasi ketahanan untuk layanan suhu rendah atau komponen yang kritis terhadap dampak.
5. Kemampuan Pengelasan
Pertimbangan kemampuan pengelasan untuk stainless steel duplex bergantung pada kandungan karbon, nitrogen, dan pengaruh unsur paduan terhadap kemampuan pengerasan dan keseimbangan fase.
- Karbon rendah di kedua grade, membatasi pembentukan karbida dan meningkatkan kemampuan pengelasan.
- Nitrogen menstabilkan austenit; hilangnya nitrogen di kolam las (melalui de-gassing) dapat menggeser keseimbangan ferrit-austenit, sehingga kimia pengisi dan gas pelindung yang tepat sangat penting.
- Cr/Mo yang lebih tinggi di 2507 meningkatkan risiko pembentukan fase intermetallic di zona yang terpengaruh panas (HAZ) jika laju pendinginan lambat atau input panas pasca-las berlebihan. Oleh karena itu, 2507 memerlukan kontrol yang lebih ketat terhadap input panas dan suhu antar-lapis dibandingkan 2205.
Indeks kemampuan pengelasan umum (penggunaan kualitatif) - Setara karbon (IIW) dan Pcm dapat digunakan untuk menilai kerentanan terhadap retak dingin yang disebabkan hidrogen. Contoh rumus: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Gunakan rumus ini secara kualitatif: kedua grade biasanya memiliki CE/Pcm yang rendah dibandingkan dengan baja karbon tinggi, tetapi kandungan paduan yang lebih tinggi di 2507 meningkatkan CE/Pcm-nya dibandingkan 2205.
Catatan praktis - Pemanasan awal umumnya minimal untuk stainless steel duplex; hindari pemanasan awal yang berlebihan dan pertahankan suhu antar-lapis yang sesuai untuk mencegah pembentukan sigma. - Gunakan logam pengisi yang cocok atau lebih paduan untuk mengembalikan keseimbangan paduan dalam logam las. Annealing larutan pasca-las jarang praktis untuk struktur besar yang dibuat tetapi dapat digunakan untuk komponen kritis. - Pengujian mekanis pasca-las dan pengujian korosi (misalnya, ketahanan pitting atau ASTM G48) disarankan untuk perakitan kritis, terutama untuk 2507.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
Untuk grade duplex stainless, perlindungan permukaan standar melalui penyelesaian dan pasivasi efektif; galvanisasi tidak berlaku untuk grade stainless.
Angka Setara Ketahanan Pitting (PREN) - PREN umumnya digunakan untuk memperkirakan ketahanan terhadap pitting klorida: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ - Karena 2507 memiliki Cr, Mo, dan N yang lebih tinggi dibandingkan 2205, ia memiliki PREN yang lebih tinggi dan oleh karena itu ketahanan yang lebih baik terhadap pitting dan korosi celah dalam lingkungan yang mengandung klorida. PREN adalah panduan—mikrostruktur, inklusi, dan kondisi permukaan juga mempengaruhi kinerja di dunia nyata.
Ketika PREN tidak berlaku - PREN menargetkan ketahanan pitting dalam media klorida; untuk korosi umum, laju korosi seragam dalam larutan asam pengoksidasi atau alkali tidak dapat disimpulkan hanya dari PREN. Ketahanan terhadap retak korosi tegangan (SCC) tergantung pada kondisi metalurgi, keadaan tegangan, dan lingkungan; baja duplex umumnya lebih tahan SCC dibandingkan grade austenitik tetapi perilaku SCC dapat bervariasi.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Formabilitas
- Kemudahan pemesinan: Kedua grade mengeras saat pemotongan. Kekuatan dan kandungan paduan yang lebih tinggi di 2507 membuatnya sedikit lebih sulit untuk diproses — memerlukan pengaturan yang kaku, alat yang tajam, kedalaman potong yang dikurangi, dan sering kali laju umpan yang lebih lambat. Pemilihan bahan alat dan pendingin sangat penting.
- Pembentukan/membengkok: 2205 lebih mudah dibentuk dibandingkan 2507 karena duktilitas yang lebih tinggi. 2507 mungkin memerlukan jari-jari bengkok yang lebih besar, deformasi yang dikurangi per pass, dan langkah annealing yang lebih sering untuk pembentukan yang parah.
- Penyelesaian permukaan: Polishing mekanis dan kimiawi serupa untuk kedua grade, tetapi 2507 mungkin memerlukan metode yang lebih agresif untuk menghilangkan deformasi sub-permukaan dari pemesinan.
8. Aplikasi Tipikal
| 2205 (Aplikasi) | 2507 (Aplikasi) |
|---|---|
| Penukar panas, pipa dan fitting di pabrik kimia dan petrokimia | Komponen subsea dan topside di minyak & gas laut dalam |
| Sistem air laut, komponen desalinasi dengan tingkat klorida sedang | Lingkungan klorida yang sangat agresif, misalnya, sumur kaya klorida, brine suhu tinggi |
| Wadah tekanan, tangki penyimpanan di mana kekuatan tinggi dan ketahanan korosi diperlukan tetapi anggaran terbatas | Flens kritis, umbilicals, katup dan manifold yang memerlukan ketahanan pitting dan celah tertinggi |
| Pengolah pulp dan kertas serta peralatan proses | Aplikasi di mana pengurangan ketebalan bagian diperlukan karena beban tinggi dan media korosif |
Rasional pemilihan - Pilih 2205 di mana keseimbangan kekuatan, ketahanan, dan ketahanan korosi diperlukan pada paparan klorida yang lebih moderat dan di mana efisiensi pembentukan dan pengelasan menjadi prioritas. - Pilih 2507 di mana lingkungan sangat agresif (klorida tinggi, suhu tinggi), di mana tegangan yang diizinkan lebih tinggi memungkinkan pengurangan ketebalan, atau di mana ketahanan pitting/celah maksimum diperlukan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 2507 secara konsisten lebih mahal daripada 2205 karena kandungan paduan yang lebih tinggi (terutama Ni, Mo, dan N) dan kontrol pemrosesan yang lebih ketat. Perbedaan biaya material bisa substansial dan harus seimbang dengan manfaat siklus hidup dan kemungkinan penghematan bagian.
- Ketersediaan: 2205 tersedia luas dalam bentuk pelat, pipa, fitting, dan pengikat. 2507 tersedia secara komersial tetapi kurang umum; waktu tunggu yang lama mungkin terjadi untuk beberapa bentuk produk atau ukuran khusus. Perencana pengadaan harus mempertimbangkan waktu tunggu dan persyaratan pengujian pabrik saat menentukan 2507.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | 2205 | 2507 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik (lebih toleran) | Baik tetapi memerlukan kontrol input panas yang lebih ketat |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketahanan | Kekuatan tinggi dengan duktilitas yang baik | Kekuatan lebih tinggi, duktilitas sedikit lebih rendah |
| Biaya | Lebih rendah (lebih ekonomis) | Lebih tinggi (premium) |
Pilih 2205 jika: - Anda membutuhkan grade duplex yang kuat dengan ketahanan korosi umum dan SCC yang baik, formabilitas yang lebih baik dan pengelasan yang lebih mudah, serta biaya material yang lebih rendah. - Layanan melibatkan paparan klorida sedang di mana PREN dan mikrostruktur 2205 sudah memadai.
Pilih 2507 jika: - Lingkungan sangat agresif (klorida tinggi, suhu lebih tinggi, atau kondisi celah yang ketat) dan ketahanan pitting/celah tertinggi diperlukan. - Anda membutuhkan kekuatan hasil/tarik yang lebih tinggi untuk mengurangi ketebalan bagian atau memenuhi persyaratan beban yang ketat dan bersedia menerima biaya material yang lebih tinggi serta kontrol fabrikasi yang lebih ketat.
Catatan akhir: Sertifikat pabrik, bentuk produk aktual, sejarah fabrikasi, dan pengujian layanan di lokasi (misalnya, pengujian korosi pitting/celah pada sambungan las) adalah input penting untuk menyelesaikan pemilihan grade. Selalu validasi nilai desain terhadap data pemasok dan kode yang relevan untuk komponen yang kritis terhadap keselamatan.