2Cr13 vs 3Cr13 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering menghadapi dilema pemilihan yang umum saat menentukan baja tahan karat martensitik untuk komponen: menyeimbangkan biaya dan kemampuan mesin terhadap kekuatan, ketahanan aus, dan kinerja korosi. 2Cr13 dan 3Cr13 adalah dua kelas baja martensitik yang saling terkait yang sering dipertimbangkan untuk komponen katup, poros, pengikat, dan bagian yang mengalami keausan; memilih di antara keduanya biasanya bergantung pada beban layanan, kekerasan yang diperlukan, kemampuan pengelasan, dan kebutuhan penyelesaian permukaan.
Perbedaan utama antara kedua kelas ini terletak pada strategi karbon mereka: satu kelas dirancang dengan tingkat karbon yang moderat untuk memprioritaskan ketangguhan dan kemudahan fabrikasi, sementara yang lainnya mengandung proporsi karbon yang lebih tinggi untuk memungkinkan hardsabilitas yang lebih besar dan ketahanan aus setelah perlakuan panas. Karena mereka memiliki kandungan kromium yang serupa, desainer membandingkan mereka ketika solusi stainless martensitik diperlukan tetapi kompromi antara kekuatan/kekerasan dan ketangguhan/keterlasan harus dipertimbangkan.
1. Standar dan Penunjukan
- Referensi internasional umum dan ekuivalen:
- GB (Cina): kelas yang ditunjuk sebagai 2Cr13, 3Cr13 di bawah berbagai standar GB/T untuk baja tahan karat.
- JIS (Jepang) / ekuivalen SUS: kelas ini sering dianggap kira-kira setara dengan keluarga martensitik JIS/SUS (misalnya, di sekitar SUS410/420) tergantung pada tingkat karbon.
- EN / ASTM / ASME: tidak ada satu penunjukan EN atau ASTM yang satu banding satu untuk 2Cr13/3Cr13; sebaliknya, lihat klasifikasi stainless martensitik (misalnya, ekuivalen EN X20Cr13 atau daftar tipe ASTM A276) dan tabel referensi silang pemasok.
- Klasifikasi: baik 2Cr13 maupun 3Cr13 adalah baja tahan karat martensitik (yaitu, baja tahan karat yang dapat diperlakukan panas dengan sekitar 12–14% Cr), bukan stainless austenitik, HSLA, atau baja alat dalam arti yang paling ketat—meskipun sifat mereka setelah pengerasan dapat menyerupai sifat baja alat yang dikeraskan dalam beberapa aplikasi.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: rentang komposisi tipikal. Catatan: spesifikasi komersial bervariasi menurut pabrik dan standar; selalu verifikasi sertifikat analisis aktual untuk setiap heat atau batang.
| Elemen | 2Cr13 (rentang tipikal) | 3Cr13 (rentang tipikal) |
|---|---|---|
| C (karbon) | ~0.15–0.25 wt% (moderat) | ~0.24–0.33 wt% (lebih tinggi) |
| Mn (mangan) | ≤ 1.0 wt% (biasanya 0.3–1.0) | ≤ 1.0 wt% |
| Si (silikon) | ≤ 1.0 wt% (deoksidator) | ≤ 1.0 wt% |
| P (fosfor) | ≤ 0.03–0.04 wt% | ≤ 0.03–0.04 wt% |
| S (sulfur) | ≤ 0.03–0.04 wt% | ≤ 0.03–0.04 wt% |
| Cr (kromium) | ~12.0–14.5 wt% | ~12.0–14.5 wt% |
| Ni (nikel) | ≤ 0.5 wt% (biasanya rendah) | ≤ 0.5 wt% |
| Mo (molybdenum) | biasanya tidak ada atau jejak | biasanya tidak ada atau jejak |
| V, Nb, Ti, B, N | biasanya jejak atau tidak ditentukan | biasanya jejak atau tidak ditentukan |
Penjelasan strategi - Kromium (Cr): Kedua kelas menggunakan kromium serupa untuk memberikan ketahanan korosi yang menjadi ciri baja tahan karat martensitik dan untuk memungkinkan pembentukan mikrostruktur martensitik saat pendinginan. - Karbon (C): Pembeda utama. Karbon yang lebih tinggi pada 3Cr13 meningkatkan hardsabilitas dan kekerasan yang dapat dicapai setelah pendinginan/pemanasan, meningkatkan ketahanan aus tetapi mengurangi duktilitas dan kemampuan pengelasan relatif terhadap 2Cr13 yang lebih rendah karbon. - Unsur minor (Mn, Si, P, S): Dikendalikan untuk deoksidasi, kemampuan kerja panas, dan kemampuan mesin. Sulfur dapat ditingkatkan dalam varian mesin bebas tetapi akan mengurangi ketahanan korosi dan ketangguhan. - Keseimbangan paduan: Karena kedua kelas ini terutama adalah baja Cr–C, mereka bergantung pada keseimbangan karbon dan kromium daripada penambahan signifikan Ni, Mo, atau V untuk menyetel sifat.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Mikrostruktur dasar: Sebagai produk dan diperlakukan larutan, kedua kelas biasanya austenitik atau sebagian austenitik tergantung pada sejarah produksi; setelah pendinginan yang tepat, mereka membentuk martensit.
- Efek karbon:
- 2Cr13 (karbon moderat): Menghasilkan mikrostruktur martensitik dengan tetragonality yang lebih rendah dan kekerasan awal yang lebih rendah setelah pendinginan dibandingkan dengan kelas karbon yang lebih tinggi. Pemanasan menghasilkan keseimbangan kekuatan dan ketangguhan dengan risiko kerapuhan yang berlebihan yang lebih sedikit.
- 3Cr13 (karbon lebih tinggi): Menghasilkan fraksi volume martensit keras yang lebih tinggi dan lebih banyak karbida yang tertahan setelah perlakuan panas, memungkinkan kekerasan yang lebih tinggi setelah pendinginan dan pemanasan tetapi meningkatkan kerentanan terhadap kerapuhan pemanasan jika tidak dipanaskan dengan benar.
- Rute perlakuan panas:
- Pemanasan lunak: Digunakan untuk mengurangi kekerasan untuk pemesinan; kedua kelas merespons dengan baik terhadap pemanasan lunak, tetapi 3Cr13 akan tetap lebih keras daripada 2Cr13 pada siklus pemanasan yang setara.
- Pemanasan dan pemanasan: Austenitisasi pada suhu spesifik kelas (umumnya rentang 950–1020 °C untuk baja tipe Cr13, konsultasikan dengan pemasok), pendinginan (minyak/udara tergantung pada ukuran bagian dan paduan), dan pemanasan untuk mencapai kekerasan target. 3Cr13 mencapai kekerasan yang lebih tinggi untuk suhu pemanasan tertentu karena karbonnya.
- Normalisasi dan thermo-mechanical: Normalisasi dapat memperhalus ukuran butir dan meningkatkan ketangguhan; paduan yang lebih berat atau karbon yang lebih tinggi membutuhkan kontrol yang lebih hati-hati untuk menghindari hardsabilitas yang berlebihan dan retak saat pendinginan.
4. Sifat Mekanis
Tabel: kecenderungan sifat mekanis komparatif (nilai tergantung pada perlakuan panas; rentang bersifat indikatif).
| Sifat | 2Cr13 (tipikal) | 3Cr13 (tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Moderat-tinggi (tergantung pada perlakuan panas) | Lebih tinggi (dapat mencapai UTS yang lebih tinggi setelah pengerasan) |
| Kekuatan luluh | Moderat | Lebih tinggi |
| Peregangan (duktilitas) | Duktilitas / peregangan yang lebih baik | Peregangan yang berkurang dibandingkan 2Cr13 |
| Ketangguhan impak | Umumnya lebih tinggi (ketangguhan yang lebih baik) | Ketangguhan impak yang lebih rendah saat dikeraskan |
| Kekerasan (HRC atau HB) | Kekerasan maksimum yang lebih rendah setelah pemanasan | Kekerasan yang lebih tinggi dapat dicapai setelah pemanasan |
Penjelasan - Kekuatan vs duktilitas: Karbon yang tinggi pada 3Cr13 meningkatkan kekuatan tarik dan kekuatan luluh setelah menjadi martensitik, tetapi dengan mengorbankan duktilitas dan ketangguhan impak. 2Cr13 menawarkan set sifat yang lebih seimbang untuk aplikasi yang memerlukan perilaku yang lebih tangguh. - Catatan: Nilai yang tepat adalah fungsi dari suhu austenitisasi, media pendinginan, ukuran bagian, dan jadwal pemanasan — selalu gunakan data sifat pemasok dan lakukan pengujian kualifikasi dalam aplikasi kritis.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan dipengaruhi terutama oleh kandungan karbon, paduan gabungan (Cr, Mn, Mo, V), dan ketebalan bagian. Karbon yang lebih tinggi meningkatkan risiko martensit keras dan rapuh di zona yang terpengaruh panas (HAZ) dan meningkatkan kebutuhan pemanasan sebelum/pasca.
Indeks kualitatif yang berguna: - Ekuivalen karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Rumus Pcm (praktis untuk baja tahan karat): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi - 3Cr13, dengan karbon yang lebih tinggi, akan menunjukkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang lebih tinggi dibandingkan 2Cr13, yang menunjukkan kecenderungan yang lebih besar untuk membentuk mikrostruktur yang keras dan rentan terhadap retak dingin di HAZ. Pemanasan, suhu antar yang terkontrol, dan pemanasan pasca-las (PWHT) lebih penting untuk 3Cr13. - 2Cr13 lebih mudah dilas dalam praktik standar dan lebih toleran terhadap logam pengisi dan proses pengelasan yang umum, tetapi kedua kelas mungkin memerlukan kontrol yang hati-hati dan bahan pengisi yang cocok untuk pengelasan struktural atau yang menahan tekanan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Perilaku korosi: Kedua kelas adalah baja tahan karat martensitik dengan kromium sekitar 12–14.5%. Mereka memberikan ketahanan korosi yang terbatas dibandingkan dengan kelas austenitik (misalnya, 304/316). Ketahanan terhadap korosi lokal (pitting, celah) terbatas, terutama di lingkungan klorida.
- Pertimbangan non-stainless: Jika suatu bagian tidak diharuskan untuk tahan karat atau akan digunakan di lingkungan korosif, menerapkan pelapis pelindung (galvanisasi biasanya tidak digunakan pada stainless; sebaliknya pertimbangkan pelapisan, pasivasi, atau pelapis polimer) atau menentukan kelas stainless dengan Cr yang lebih tinggi/Cr–Mo mungkin lebih tepat.
- PREN (untuk kelas austenitik/duplex; tidak sangat informatif untuk baja martensitik Cr13 tetapi disediakan untuk kelengkapan): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Klarifikasi: PREN terutama digunakan untuk peringkat ketahanan pitting pada baja tahan karat austenitik/duplex di mana Mo dan N bervariasi secara signifikan. Untuk 2Cr13/3Cr13, PREN memiliki utilitas terbatas karena Mo dan N biasanya minimal.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk
- Kemampuan mesin: Karbon yang lebih tinggi dan mikrostruktur yang lebih keras mengurangi kemampuan mesin. Dalam kondisi yang dikerjakan lunak, kedua kelas cukup dapat diproses; 2Cr13 umumnya akan lebih mudah diproses dibandingkan 3Cr13. Varian mesin bebas (dengan tambahan S atau Se) mungkin ada tetapi mengorbankan korosi/ketangguhan.
- Kemampuan bentuk: 2Cr13 yang lebih rendah karbon menawarkan kemampuan bentuk dingin dan kelenturan yang lebih baik. 3Cr13—terutama jika dikeraskan—akan kurang duktil dan kurang cocok untuk dibentuk tanpa pemanasan antara.
- Penggilingan dan penyelesaian: Kekerasan 3Cr13 yang lebih tinggi setelah perlakuan panas membuat penggilingan dan penyelesaian lebih intensif usaha tetapi menghasilkan umur pakai yang lebih baik untuk permukaan yang selesai. Kebutuhan penyelesaian permukaan dan toleransi mempengaruhi pilihan: untuk penyelesaian yang ketat ditambah keausan tinggi, 3Cr13 mungkin membenarkan biaya pemrosesan yang lebih tinggi.
8. Aplikasi Tipikal
Tabel: penggunaan tipikal berdasarkan kelas.
| 2Cr13 (penggunaan umum) | 3Cr13 (penggunaan umum) |
|---|---|
| Batang katup, poros pompa, pengikat di mana ketangguhan dan kemampuan pengelasan penting | Bagian yang mengalami keausan, tepi pemotong, poros kecil dan bantalan yang memerlukan kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi |
| Komponen martensitik serbaguna yang memerlukan ketahanan korosi moderat | Komponen yang akan dikeraskan untuk ketahanan abrasi (misalnya, bilah pemotong, alat kecil) |
| Bagian yang memerlukan pengelasan fillet atau fabrikasi di bengkel | Bagian yang diproduksi hingga kekerasan akhir di mana minimal operasi pasca-las diharapkan |
Alasan pemilihan - Pilih 2Cr13 ketika layanan membutuhkan kekuatan moderat, ketangguhan yang lebih baik, dan fabrikasi/pengelasan yang lebih mudah. - Pilih 3Cr13 ketika kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi setelah pendinginan dan pemanasan diprioritaskan, dan ketika fabrikasi dapat dikendalikan atau diminimalkan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: 3Cr13 mungkin memiliki biaya bahan baku yang sedikit lebih tinggi di beberapa pasar karena kontrol karbon yang lebih ketat dan pemrosesan tambahan (misalnya, pendinginan/pemanasan untuk kekerasan yang lebih tinggi). Namun, perbedaan harga biasanya moderat dibandingkan dengan kelas stainless paduan tinggi.
- Ketersediaan berdasarkan bentuk produk: Kedua kelas umumnya tersedia sebagai batang, kawat, forging, dan komponen yang dicetak dari pabrik regional, meskipun ketersediaan dapat bervariasi menurut negara dan program pabrik. Manajer pengadaan harus mengonfirmasi waktu pengiriman dan apakah pemasok dapat memberikan sertifikat perlakuan panas dan inspeksi yang diperlukan.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Atribut | 2Cr13 | 3Cr13 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik (karbon lebih rendah) | Lebih menantang (karbon lebih tinggi) |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Seimbang menuju ketangguhan dan duktilitas | Bias ke arah kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi |
| Biaya (tipikal) | Sedikit lebih rendah atau serupa | Biaya pemrosesan sedikit lebih tinggi mungkin |
Kesimpulan dan rekomendasi - Pilih 2Cr13 jika Anda memerlukan stainless martensitik yang menyeimbangkan ketangguhan, kemampuan pengelasan, dan ketahanan korosi yang wajar untuk komponen yang memerlukan fabrikasi, ketahanan aus moderat, dan pemesinan yang lebih mudah. - Pilih 3Cr13 jika persyaratan utamanya adalah kekerasan yang lebih tinggi yang dapat dicapai dan ketahanan aus setelah pendinginan dan pemanasan, dan jika pengelasan/fabrikasi dapat diminimalkan atau dikendalikan dengan pemanasan awal yang sesuai, pemilihan pengisi, dan PWHT.
Catatan akhir: Kedua kelas merespons dengan kuat terhadap perlakuan panas; kinerja dalam layanan ditentukan sebanyak oleh praktik austenitisasi dan pemanasan yang dipilih seperti oleh komposisi nominal. Selalu validasi kinerja mekanis, korosi, dan kemampuan pengelasan dengan sertifikat material pemasok dan, untuk aplikasi kritis, lakukan kualifikasi prosedur las dan pengujian tingkat komponen.