301 vs 304 – Komposisi, Perlakuan Panas, Properti, dan Aplikasi

Pengenalan

Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali dihadapkan pada pilihan antara dua jenis baja tahan karat austenitik yang sangat umum: 301 dan 304. Keputusan biasanya berkisar pada pertukaran antara biaya, ketahanan korosi, kemampuan dibentuk, dan kekuatan yang dapat dicapai setelah fabrikasi (misalnya, apakah pengerasan kerja yang tinggi diinginkan). Dalam banyak konteks produksi—pembentukan lembaran logam, komponen struktural, dan produk konsumen—pemilihan didorong oleh bagaimana material merespons pengerjaan dingin dibandingkan dengan bagaimana ia menahan lingkungan korosif.

Perbedaan mendasar antara kelas-kelas ini terletak pada keseimbangan paduan mereka dan respons mekanis yang dihasilkan terhadap deformasi: 301 dirumuskan untuk menunjukkan kapasitas pengerasan regangan yang lebih tinggi (dapat memperoleh kekuatan substansial melalui pengerjaan dingin), sedangkan 304 dioptimalkan untuk perilaku austenitik yang stabil, memaksimalkan ketahanan korosi dan keuletan dalam kondisi annealed. Karena keduanya tersedia secara luas dan merupakan baja tahan karat austenitik yang ekonomis, mereka sering dibandingkan saat merancang bagian yang memerlukan kombinasi pembentukan, pengelasan, ketahanan korosi, dan pengendalian biaya.

1. Standar dan Penunjukan

• ASTM/ASME:
• 301: AISI 301 (referensi ASTM A240/A666 untuk lembaran/tabung/plat)
• 304: AISI 304 (ASTM A240/A666)
• EN (Eropa):
• 301 umumnya sesuai dengan EN 1.4310 / 1.4311 terkadang; varian ada
• 304 sesuai dengan EN 1.4301 (304)
• JIS (Jepang): ada ekuivalen (misalnya, SUS301 / SUS304)
• GB (Cina): ada ekuivalen (misalnya, kelas 301, 304 dalam standar GB/T)

Klasifikasi: keduanya adalah baja tahan karat austenitik. Mereka bukan baja karbon, paduan, alat, atau HSLA — mereka termasuk dalam keluarga stainless (austenitik).

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Perbedaan komposisi adalah kecil tetapi disengaja: 304 lebih kaya akan nikel dan sedikit lebih tinggi dalam kromium, yang mendukung ketahanan korosi dan menstabilkan fase austenitik; 301 mengurangi nikel dan menjaga kromium tetap memadai, yang meningkatkan kecenderungan untuk martensit yang diinduksi deformasi dan pengerasan regangan yang lebih tinggi.

Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Kromium (Cr) menyediakan film oksida pasif yang memberikan ketahanan korosi; Cr yang lebih tinggi meningkatkan kinerja korosi di banyak lingkungan. - Nikel (Ni) menstabilkan fase austenitik, meningkatkan ketangguhan dan keuletan, serta mengurangi kecenderungan untuk membentuk martensit di bawah deformasi. - Karbon meningkatkan kekuatan tetapi dapat mengurangi ketahanan korosi (risiko sensitasi) dan sedikit meningkatkan kemampuan pengerasan. - Mangan dan silikon adalah deoksidator dan dapat mempengaruhi sifat tarik secara moderat; mangan juga membantu stabilitas austenit pada saat-saat tertentu. Karena 301 mengandung lebih sedikit Ni dan Cr yang serupa, ia lebih rentan terhadap transformasi martensitik yang diinduksi regangan dan pengerasan kerja yang lebih kuat dibandingkan dengan 304.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Kedua 301 dan 304 adalah austenitik pada suhu kamar dalam kondisi annealed (kubik pusat muka, FCC). Perilaku mikrostruktural kunci dan respons pemrosesannya:

• Kondisi annealed:
• 301: sepenuhnya austenitik (tetapi dengan komposisi yang membuatnya lebih metastabil). Struktur butir khas dari lembaran stainless yang digulung dingin dan di-anneal larutan.

• 304: austenit stabil dengan keuletan dan ketangguhan yang sangat baik.

• Pengerjaan dingin dan transformasi yang diinduksi regangan:

• 301: dirancang untuk menunjukkan transformasi yang signifikan yang diinduksi regangan menjadi martensit (α′) selama deformasi plastik (pembentukan, pembengkokan, pencetakan). Transformasi ini meningkatkan kekuatan dan kekerasan secara lokal dan keseluruhan (pengerasan kerja), tetapi mengurangi keuletan dan dapat mempengaruhi perilaku korosi di mana martensit terpapar.

• 304: kecenderungan yang jauh lebih sedikit untuk martensit yang diinduksi deformasi; mempertahankan struktur austenitik dan keuletan setelah pengerjaan dingin yang serupa, dengan laju pengerasan kerja yang lebih rendah dibandingkan 301.

• Perlakuan panas:

• Kedua kelas tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas quench-and-temper (mereka adalah austenitik, bukan baja tahan karat martensitik). Annealing larutan (misalnya, pemanasan hingga sekitar 1000–1100 °C diikuti dengan pendinginan cepat) digunakan untuk melarutkan karbida dan mengembalikan keuletan. Anneal pasca-fabrikasi mengembalikan kemampuan dibentuk dan mengurangi pengerasan kerja.
• Perlakuan termo-mekanis (penggulungan terkontrol, pengerjaan dingin ditambah anneal) digunakan secara industri untuk memproduksi lembaran atau strip dengan kombinasi kekuatan/keuletan yang disesuaikan; varian 301 dapat digulung dingin hingga kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan 304 sebelum anneal.

4. Sifat Mekanis

Tabel di bawah ini membandingkan perilaku mekanis tipikal secara kualitatif (seperti yang diproduksi, annealed, dan setelah pengerjaan dingin). Nilai pasti tergantung pada bentuk produk (lembaran, strip, batang), pemrosesan, dan spesifikasi; konsultasikan data pabrik untuk angka yang kritis untuk proyek.

Mengapa: kandungan Ni yang lebih rendah pada 301 membuat austenit kurang stabil di bawah regangan; deformasi mekanis mengubah beberapa austenit menjadi martensit, meningkatkan kekuatan dan kekerasan (menguntungkan pada bagian yang membutuhkan kekuatan lebih tinggi tanpa perlakuan panas). Ni yang lebih tinggi pada 304 menstabilkan austenit, mempertahankan keuletan dan ketangguhan dengan mengorbankan besarnya pengerasan regangan.

5. Dapat Dilas

Dapat dilas dari kedua kelas umumnya baik untuk baja tahan karat austenitik, tetapi ada pertimbangan:

• Kandungan karbon: karbon yang lebih tinggi meningkatkan risiko sensitasi (presipitasi karbida kromium) selama pendinginan lambat, terutama untuk 304 dengan varian C yang lebih tinggi (304H). Varian karbon lebih rendah (304L, 301L) ada untuk mengurangi risiko sensitasi.
• Kemampuan pengerasan dan transformasi: kecenderungan 301 yang lebih tinggi untuk martensit yang diinduksi deformasi tidak secara langsung mempengaruhi zona las fusi (yang merupakan austenit yang dipanaskan/kembali padat), tetapi daerah yang dikerjakan dingin di sekitarnya mungkin memiliki mikrostruktur campuran yang mempengaruhi stres residual dan distorsi.
• Kesesuaian pengisi dan kontrol suhu antar-lapisan adalah perhatian umum untuk kedua kelas.
• Penggunaan varian yang distabilkan atau rendah karbon (misalnya, 304L) adalah umum di mana pengelasan tanpa anneal pasca-las diperlukan.

Indeks dapat dilas umum (interpretasi kualitatif; tidak ada input numerik yang diberikan di sini): - Setara karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Formula Pcm Jerman: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi: - $CE_{IIW}$ atau $P_{cm}$ yang lebih tinggi menunjukkan peningkatan risiko pengerasan, retak, atau pengurangan dapat dilas pada baja di mana pembentukan martensit mungkin terjadi. Untuk 301 vs 304, perbedaan numerik dalam indeks ini kecil karena keduanya memiliki karbon rendah dan kandungan paduan yang serupa; 301 mungkin memiliki sedikit lebih banyak karbon atau lebih sedikit nikel di beberapa billet, yang sedikit mempengaruhi indeks. Secara keseluruhan, keduanya dianggap mudah dilas dengan praktik pengelasan stainless standar.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Perilaku stainless: Baik 301 maupun 304 membentuk film pasif kaya kromium. Karena 304 biasanya mengandung sedikit lebih banyak kromium dan nikel, ia menawarkan ketahanan korosi umum yang sedikit lebih baik dan merupakan pilihan yang lebih umum di mana kekhawatiran korosi menjadi prioritas (pengolahan makanan, peralatan dapur, aplikasi arsitektural).
• Korosi lokal (pitting/crevice): Tidak ada kelas yang mengandung Mo; untuk lingkungan kaya klorida, baik 301 maupun 304 tidak sekuat kelas yang mengandung Mo (misalnya, 316). Penggunaan desain pelindung dan penyelesaian permukaan sangat penting di lingkungan yang agresif.
• PREN (untuk menilai ketahanan pitting pada baja tahan karat dengan Mo dan N): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Interpretasi:
• PREN bukanlah pembeda yang berguna antara 301 dan 304 karena keduanya pada dasarnya tidak memiliki Mo dan N yang rendah; nilai PREN oleh karena itu rendah dan serupa.
• Perlindungan permukaan untuk baja non-stainless (tidak berlaku di sini) akan mencakup galvanisasi atau pelapisan; untuk 301/304, pasivasi, elektropolishing, dan pemolesan mekanis meningkatkan ketahanan korosi.

7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemampuan Dibentuk

• Pembentukan dan pencetakan:
• 301: Kemampuan dibentuk yang sangat baik dalam kondisi annealed; karena ia cepat mengeras, ia dapat digunakan untuk memproduksi bagian yang mendapatkan kekuatan selama pembentukan (perilaku pemulihan harus diperhitungkan).
• 304: Sangat dapat dibentuk dan lebih toleran terhadap operasi penarikan dalam; pengerasan kerja yang lebih sedikit menyederhanakan prediksi pembentukan.
• Kemudahan pemesinan:
• Keduanya berkinerja lebih buruk dibandingkan baja karbon; baja tahan karat austenitik menggumpal dan mengeras saat dipotong. 301 cenderung mengeras lebih cepat, menyulitkan pemesinan (memerlukan alat tajam, pengaturan kaku, pemecah chip, dan kecepatan pemotongan yang moderat). 304 sedikit lebih mudah untuk diproses dalam banyak kondisi tetapi masih membutuhkan alat dan pendingin yang dioptimalkan.
• Penyelesaian:
• Penyelesaian permukaan, pasivasi, dan pemolesan serupa untuk kedua kelas. Perlu dicatat bahwa 301 yang dikerjakan dingin mungkin memiliki area martensitik yang merespons berbeda terhadap etsa/pemolesan.

8. Aplikasi Tipikal

Alasan pemilihan: - Pilih 301 ketika bagian akan dikerjakan dingin secara berat dan desainer ingin memanfaatkan pengerasan regangan untuk mencapai kekuatan layanan yang lebih tinggi tanpa perlakuan panas. - Pilih 304 ketika ketahanan korosi, keuletan, dan dapat dilas dalam kondisi annealed menjadi prioritas yang lebih tinggi.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya: 304 biasanya sedikit lebih mahal daripada 301 karena kandungan nikel yang lebih tinggi. Harga pasar bervariasi dengan harga spot Ni dan pasokan regional; 301 sering dipilih sebagai alternatif yang hemat biaya ketika ketahanan korosi penuh 304 tidak diperlukan.
• Ketersediaan: 304 adalah paduan stainless austenitik yang paling umum di seluruh dunia dan tersedia dalam berbagai bentuk produk yang paling luas (lembaran, plat, batang, tabung, pengikat). 301 tersedia secara luas tetapi kurang umum; ia umum dalam bentuk strip, lembaran, dan beberapa bentuk struktural.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Rekomendasi: - Pilih 301 jika Anda membutuhkan bagian yang akan dibentuk dingin dan kemudian mengandalkan pengerasan regangan untuk meningkatkan kekuatan layanan (klip, pegas, bagian struktural yang dibentuk), atau ketika stainless dengan biaya lebih rendah dan ketahanan korosi yang wajar dapat diterima. - Pilih 304 jika prioritas Anda adalah ketahanan korosi yang konsisten, keuletan dan ketangguhan tinggi dalam kondisi annealed, ketersediaan yang luas, dan perilaku pembentukan/pengelasan yang lebih sederhana untuk lingkungan produksi di mana sifat austenitik yang dapat diprediksi dan stabil diperlukan.

Catatan penutup: Untuk spesifikasi kritis apa pun, minta sertifikat uji pabrik dan lembar data pemasok untuk bentuk produk yang tepat, dan pertimbangkan varian rendah karbon atau distabilkan (304L, 301L, 301LN) ketika pengelasan, jadwal annealing, atau kandungan nitrogen sangat penting untuk kinerja.