301 vs 304 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
301 dan 304 adalah dua jenis baja tahan karat austenitik yang paling umum ditentukan dalam fabrikasi, otomotif, peralatan, dan pekerjaan arsitektur. Insinyur dan tim pengadaan secara rutin mempertimbangkan trade-off antara ketahanan korosi, kemampuan dibentuk, kemampuan las, dan biaya saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum termasuk memilih grade untuk komponen yang dibentuk dingin di mana peningkatan kekuatan melalui pengerasan kerja penting, atau memilih material untuk paparan makanan, kimia, atau arsitektur di mana ketahanan korosi dan stabilitas jangka panjang sangat penting.
Perbedaan fungsional utama antara 301 dan 304 adalah bagaimana mereka merespons deformasi dingin: 301 lebih mudah mengeras dibandingkan 304, memungkinkan kekuatan yang jauh lebih tinggi setelah pengerjaan dingin tetapi dengan mengorbankan duktilitas dan kadang-kadang stabilitas dimensi. Perilaku ini—bersama dengan perbedaan dalam kandungan kromium dan nikel—mendorong kinerja komparatif mereka dalam aplikasi pembentukan, kelelahan, dan kritis terhadap korosi.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar internasional umum:
- ASTM/ASME: A240/A666 (lembaran/plat/kumparan), A276 (batang), sering dirujuk untuk 301 dan 304.
- EN: Seri EN 10088 untuk baja tahan karat (misalnya, nomor keluarga EN 1.4310/1.4301).
- JIS: JIS G4303 / G4305 dan standar produk terkait di Jepang.
- GB: Standar GB/T untuk baja tahan karat di China.
- Klasifikasi:
- Keduanya 301 dan 304 adalah baja tahan karat austenitik.
- Mereka bukan baja karbon, baja alat, atau grade HSLA; mereka termasuk dalam keluarga stainless yang ditandai dengan kandungan kromium tinggi dan nikel yang signifikan.
- Varian ada (misalnya, 301LN, 301Ti, 304L, 304H) yang memperkenalkan nitrogen, titanium, atau karbon lebih rendah untuk kontrol sifat tertentu.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | 301 (rentang tipikal / komentar) | 304 (rentang tipikal / komentar) |
|---|---|---|
| C | batas atas lebih tinggi daripada 304 (varian seperti 301L ada) | karbon rendah (misalnya, varian 304L memiliki C lebih rendah untuk kemampuan las) |
| Mn | rentang serupa; Mn adalah penguat solid-solution | rentang serupa |
| Si | penambahan rendah untuk deoksidasi | penambahan rendah untuk deoksidasi |
| P | batas kotoran jejak | batas kotoran jejak |
| S | batas kotoran jejak | batas kotoran jejak |
| Cr | kromium sedikit lebih rendah daripada 304 | kromium lebih tinggi (meningkatkan ketahanan korosi) |
| Ni | nikel lebih rendah daripada 304 | nikel lebih tinggi (menstabilkan austenit dan meningkatkan ketahanan/duktilitas) |
| Mo | umumnya tidak ditambahkan | umumnya tidak ditambahkan (304 vs 316 berbeda di sini) |
| V | tidak umum | tidak umum |
| Nb (Nb/Ti) | tersedia dalam varian yang distabilkan (misalnya, 301Ti) | varian yang distabilkan ada (misalnya, 304Ti) |
| Ti | ada dalam varian yang distabilkan | ada dalam varian yang distabilkan |
| B | tidak umum | tidak umum |
| N | jumlah kecil yang terkontrol (beberapa grade seperti 301LN termasuk N) | jumlah kecil mungkin ada; N dapat meningkatkan kekuatan dan ketahanan |
Catatan: - 301 menggunakan strategi nikel lebih rendah dan kromium sedikit lebih rendah dibandingkan dengan 304; ini mengurangi biaya dan meningkatkan kerentanan terhadap transformasi di bawah pengerjaan dingin, yang dimanfaatkan ketika kekuatan pasca-pembentukan yang lebih tinggi diinginkan. - Unsur paduan mempengaruhi tiga perilaku inti: ketahanan korosi (didominasi oleh Cr dan Ni), stabilitas austenit dan ketangguhan (Ni menstabilkan austenit), dan perilaku pengerasan kerja (komposisi dan energi kesalahan tumpukan mempengaruhi transformasi martensitik yang diinduksi regangan).
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Mikrostruktur saat diproduksi:
- Keduanya 301 dan 304 sebagian besar austenitik pada suhu kamar ketika dalam keadaan solusi-annealed.
- 301 memiliki stabilitas austenit yang lebih rendah daripada 304; di bawah pengerjaan dingin yang signifikan, 301 dapat sebagian berubah menjadi martensit yang diinduksi regangan atau menunjukkan kepadatan dislokasi yang lebih tinggi dan kembar deformasi tergantung pada varian paduan dan suhu.
- Respons terhadap pengerjaan dingin dan perlakuan panas:
- Pemanasan (perlakuan solusi) mengembalikan kedua grade ke struktur yang ductile dan sepenuhnya austenitik.
- Tidak ada pengerasan konvensional dengan pendinginan dan temper untuk baja tahan karat austenitik ini seperti pada baja ferritik/martensitik; perlakuan panas digunakan terutama untuk meredakan stres, pemanasan solusi, atau menstabilkan karbida (dengan penambahan Ti atau Nb).
- Proses termo-mekanis: 301 sering digulung dingin untuk mencapai kekuatan hasil dan tarik yang lebih tinggi melalui pengerasan kerja; 304 juga akan mengeras tetapi dalam tingkat yang lebih rendah dan mempertahankan duktilitas yang lebih tinggi dalam keadaan annealed.
- Implikasi praktis: Kecenderungan 301 untuk mengeras (dan membentuk martensit dalam beberapa kondisi) dimanfaatkan untuk strip pegas, rangka kursi, dan bagian yang dibentuk dengan kekuatan tinggi; 304 lebih disukai di mana stabilitas dimensi dan ketahanan korosi yang konsisten diperlukan.
4. Sifat Mekanis
| Sifat (kondisi tipikal, annealed) | 301 (relatif) | 304 (relatif) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Sedang dalam keadaan annealed; meningkat secara substansial setelah pengerjaan dingin | Sedang hingga sedikit lebih tinggi dalam keadaan annealed; peningkatan lebih sedikit dengan pengerjaan dingin |
| Kekuatan hasil | Lebih rendah dalam keadaan annealed; peningkatan besar setelah pembentukan dingin | Sedang dalam keadaan annealed; respons pengerasan kerja lebih kecil |
| Peregangan (duktilitas) | Baik dalam keadaan annealed tetapi menurun setelah pengerjaan dingin yang berat | Umumnya duktilitas lebih tinggi dalam kondisi annealed |
| Ketangguhan impak | Baik pada suhu ambien; tergantung pada komposisi dan riwayat kerja | Baik pada suhu ambien; biasanya stabil di seluruh kondisi |
| Kekerasan | Lebih rendah dalam keadaan annealed; dapat mencapai kekerasan yang jauh lebih tinggi setelah pengerjaan dingin | Lebih rendah dalam keadaan annealed; pengerasan terbatas oleh pengerjaan dingin dibandingkan dengan 301 |
Penjelasan: - 301 dapat mencapai kekuatan yang lebih tinggi daripada 304 melalui deformasi dingin karena keseimbangan paduannya (nikel lebih rendah, energi kesalahan tumpukan sedikit berbeda) mendorong akumulasi dislokasi yang lebih cepat dan, dalam beberapa kasus, martensit yang diinduksi deformasi. Ini menghasilkan kekuatan tarik dan kekuatan hasil yang lebih tinggi setelah pembentukan, yang menguntungkan untuk komponen pegas dan bagian yang dibentuk dengan kekuatan tinggi. - 304 mempertahankan duktilitas yang seragam lebih baik dan ketangguhan yang lebih konsisten dalam aplikasi di mana pengerjaan dingin minimal ada atau di mana regangan pembentukan harus dijaga rendah untuk mempertahankan ketahanan korosi atau penyelesaian permukaan.
5. Kemampuan Las
- Keduanya 301 dan 304 mudah dilas dengan proses pengelasan stainless umum (TIG, MIG, pengelasan resistensi). Pertimbangan utama dalam kemampuan las adalah kandungan karbon (risiko sensitisasi), keberadaan stabilisator (Ti/Nb), dan stres residual.
- Kandungan karbon dan kemampuan pengerasan: karbon yang lebih tinggi meningkatkan risiko sensitisasi (presipitasi karbida kromium) di zona yang terpengaruh panas pada pendinginan lambat, terutama untuk grade dengan C lebih tinggi. Varian karbon rendah (misalnya, 304L, 301L) mengurangi risiko ini.
- Penggunaan indeks kemampuan las:
- Setara karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Menginterpretasikan $CE_{IIW}$ secara kualitatif: nilai yang lebih tinggi menunjukkan risiko lebih besar dari retak terkait kemampuan pengerasan pada baja; untuk baja tahan karat austenitik indeks ini membantu membingkai kerentanan meskipun austenitik biasanya berperilaku berbeda dari baja ferritik.
- Formula Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Menginterpretasikan $P_{cm}$ secara kualitatif: nilai yang lebih tinggi menunjukkan lebih banyak perhatian terhadap retak dingin dan perilaku zona yang terpengaruh panas las; untuk 301 dan 304 nilai umumnya rendah dibandingkan dengan baja paduan tinggi, tetapi kontrol karbon dan pemilihan pengisi tetap penting.
- Panduan las praktis:
- Gunakan grade karbon rendah atau distabilkan untuk pengelasan layanan korosi kritis atau untuk bagian berat di mana pendinginan lambat terjadi.
- Gunakan pengisi nikel yang cocok atau sedikit lebih tinggi untuk sambungan yang kritis terhadap korosi; untuk 301, pilih pengisi yang mempertahankan duktilitas dan ketahanan korosi setelah pengerjaan dingin dan pengelasan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Perilaku tahan karat:
- Kromium menyediakan film pasif; nikel menstabilkan struktur austenitik dan meningkatkan ketahanan terhadap retak korosi stres klorida dalam beberapa konteks.
- Gunakan indeks PREN untuk menilai ketahanan pitting jika berlaku: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Catatan: PREN paling berlaku untuk menilai ketahanan pitting dari grade stainless yang lebih tinggi paduannya (misalnya, duplex, superaustenitik); 301 dan 304 biasanya mendapatkan skor rendah pada PREN karena keduanya tidak mengandung Mo.
- Ketahanan korosi komparatif:
- 304 umumnya menawarkan ketahanan korosi umum yang lebih baik daripada 301 karena kandungan kromium dan nikel yang lebih tinggi.
- Di mana pitting klorida yang parah atau korosi celah menjadi risiko, baik 301 maupun 304 tidak ideal; grade yang mengandung Mo (misalnya, 316) atau grade duplex lebih disukai.
- Alternatif non-stainless dan perlindungan permukaan:
- Untuk baja non-stainless, metode seperti galvanisasi, pengecatan, atau pelapisan dilapisi digunakan; ini di luar cakupan untuk 301/304 tetapi relevan ketika biaya memaksa substitusi.
- Penyelesaian permukaan, pengerjaan dingin, dan stres residual mempengaruhi kinerja korosi. Pengerjaan dingin yang berat pada 301 dapat menyebabkan perubahan lokal dalam perilaku elektrokimia; pasivasi atau annealing pasca-pembentukan dapat digunakan untuk mengembalikan ketahanan korosi.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemampuan Dibentuk
- Kemampuan dibentuk:
- 301 sering ditentukan untuk aplikasi yang memerlukan kontrol springback tinggi dan peningkatan kekuatan setelah pembentukan karena ia mengeras dengan kuat; namun, pembentukan berat dapat menyebabkan penurunan duktilitas dan risiko retak jika terlalu banyak dikerjakan.
- 304 menawarkan kemampuan dibentuk yang sangat baik dalam kondisi annealed, dengan karakteristik peregangan, penarikan dalam, dan pembengkokan yang sangat baik.
- Kemudahan pemesinan:
- Keduanya relatif sulit diproses dibandingkan dengan baja karbon; 301 mungkin lebih sulit untuk diproses dalam kondisi pengerjaan dingin karena kekerasan yang meningkat.
- Pemilihan alat, kecepatan pemotongan, dan strategi pendingin sangat penting.
- Penyelesaian permukaan dan penyelesaian:
- Pengerjaan dingin pada 301 dapat menyebabkan distorsi permukaan atau tanda regangan; perlakuan pemolesan dan pasivasi umum dilakukan untuk mengembalikan penampilan dan ketahanan korosi.
- 304 umumnya lebih mudah diselesaikan untuk permukaan kosmetik dalam kondisi annealed.
8. Aplikasi Tipikal
| 301 (penggunaan tipikal) | 304 (penggunaan tipikal) |
|---|---|
| Pegas, rangka kursi, trim otomotif, panel berlubang di mana kekuatan pasca-pembentukan tinggi diperlukan | Peralatan pengolahan makanan, peralatan dapur, panel arsitektur, komponen pabrik kimia di mana ketahanan korosi menjadi prioritas |
| Komponen struktural yang dibentuk dingin, strip kekuatan tinggi | Bagian yang ditarik dalam, pengikat, perlengkapan sanitasi |
| Trim dekoratif di mana kekuatan lebih tinggi setelah pembentukan diinginkan | Komponen stainless serbaguna dengan kemampuan las dan ketahanan korosi yang baik |
Rasional pemilihan: - Pilih 301 ketika kekuatan tinggi setelah pembentukan dingin dan sensitivitas biaya (nikel lebih rendah) menjadi prioritas, dan ketika aplikasi dapat mentolerir ketahanan korosi yang sedikit lebih rendah atau ketika bagian akan diperlakukan setelahnya. - Pilih 304 ketika kinerja korosi yang konsisten, kemampuan dibentuk, dan aplikasi luas dalam layanan higienis atau arsitektur mendominasi spesifikasi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya:
- 301 biasanya memiliki biaya paduan yang lebih rendah daripada 304 karena kandungan nikel yang lebih rendah; ini membuatnya menarik di mana sensitivitas harga nikel dan kekuatan melalui pembentukan menjadi prioritas.
- 304 lebih mahal daripada 301 berdasarkan kandungan paduan tetapi tetap menjadi salah satu grade stainless yang paling umum disimpan di seluruh dunia.
- Ketersediaan:
- Kedua grade tersedia secara luas dalam produk lembaran, kumparan, strip, batang, dan tabung las. 304 biasanya memiliki cakupan bentuk produk yang lebih luas dan kedalaman inventaris yang lebih besar karena statusnya sebagai produk serbaguna.
- Varian khusus atau produk toleransi ketat mungkin memiliki waktu tunggu; tentukan sertifikasi pabrik dan bentuk produk lebih awal dalam pengadaan.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 301 | 304 |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Baik; pertimbangkan varian rendah-C atau distabilkan untuk sambungan kritis | Sangat baik; varian rendah-C meningkatkan perilaku HAZ |
| Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan annealed lebih rendah tetapi potensi pengerasan kerja tinggi → kekuatan lebih tinggi setelah pengerjaan dingin; ketangguhan dapat menurun dengan pengerjaan dingin yang berat | Keseimbangan yang baik antara kekuatan dan duktilitas dalam kondisi annealed; peningkatan lebih sedikit dari pengerjaan dingin |
| Biaya | Umumnya biaya paduan lebih rendah (nikel lebih rendah) | Biaya paduan lebih tinggi tetapi banyak disimpan dan serbaguna |
Kesimpulan: - Pilih 301 jika Anda membutuhkan kekuatan lebih tinggi dari pembentukan dingin (misalnya, pegas, bagian yang dicetak dengan kekuatan tinggi), ingin mengurangi biaya material dengan menggunakan kandungan nikel yang lebih rendah, dan dapat mengelola perlakuan pasca-pembentukan yang diperlukan untuk mempertahankan kinerja korosi. - Pilih 304 jika ketahanan korosi, duktilitas yang konsisten, kemampuan las yang luas, dan aplikasi serbaguna adalah persyaratan utama—terutama untuk aplikasi makanan, farmasi, arsitektur, dan banyak aplikasi layanan kimia.
Jika persyaratan proyek mencakup paparan klorida yang parah, layanan suhu tinggi, atau ketahanan pitting yang ketat, pertimbangkan grade paduan tinggi (misalnya, 316, stainless duplex) daripada memilih antara 301 dan 304.