304 vs 204Cu – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Memilih antara 304 dan 204Cu adalah dilema pengadaan dan desain yang sering dihadapi oleh insinyur dan perencana manufaktur: apakah Anda harus membayar untuk kandungan nikel yang lebih tinggi dan rekam jejak panjang 304, atau menentukan alternatif yang mengandung tembaga dengan nikel lebih rendah yang dapat mengurangi biaya material sambil mempertahankan sifat-sifat kunci? Konteks keputusan yang umum termasuk trade-off antara korosi vs. biaya, kemampuan pengelasan dan kinerja pasca pengelasan, serta apakah persyaratan pengerjaan dingin atau pembentukan mengubah kekuatan efektif.
Perbedaan teknis utama adalah bahwa 204Cu adalah baja tahan karat austenitik yang ekonomis dan mengandung tembaga yang dirancang untuk mengurangi kandungan nikel sambil menggunakan tembaga (dan kadang-kadang nitrogen/mangan) untuk penguatan solid-solution dan presipitasi. 304 adalah baja tahan karat austenitik konvensional dengan kandungan nikel lebih tinggi untuk austenit yang stabil dan ketahanan lingkungan yang luas. Dua grade ini dibandingkan karena keduanya berada dalam kelas baja tahan karat austenitik yang sama tetapi mengejar strategi paduan yang berbeda (nikel vs. tembaga/mangan/nitrogen) untuk memenuhi tujuan desain.
1. Standar dan Penunjukan
- 304:
- Penunjukan umum: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
- Klasifikasi: Baja tahan karat austenitik (baja tahan karat tujuan umum).
- Dicakup oleh standar seperti ASTM A240/A480 (plat/lembar/bar), ASME SA240, keluarga EN 10088.
- 204Cu:
- Penunjukan umum: UNS S20430, sering disebut sebagai Tipe 204Cu dalam literatur komersial; periksa ekuivalen standar lokal.
- Klasifikasi: Baja tahan karat austenitik, nikel rendah, paduan tembaga, sering ditentukan sebagai alternatif ekonomis untuk 304.
- Dicakup oleh berbagai spesifikasi komersial dan beberapa bentuk ASTM; ketersediaan dan cakupan standar dapat kurang umum dibandingkan 304—verifikasi standar produk spesifik untuk setiap bentuk.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel di bawah ini merangkum rentang komposisi tipikal yang digunakan secara komersial. Ini adalah rentang representatif yang diambil dari spesifikasi umum; selalu konfirmasi komposisi yang tepat dalam spesifikasi pembelian.
| Elemen | 304 (rentang tipikal, wt%) | 204Cu (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ~1.5–3.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0–20.0 | ~18.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | ~3.5–5.0 |
| Mo | 0 | 0 |
| V | jejak | jejak |
| Nb (Cb) | tidak ada | tidak ada |
| Ti | tidak ada | tidak ada |
| B | jejak | jejak |
| N | ≤ 0.10 | ~0.03–0.20 |
| Cu | ~0 | ~1.0–3.0 |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat - Nikel (Ni) menstabilkan fase austenitik, meningkatkan ketangguhan dan ketahanan korosi—terutama di lingkungan klorida—dan meningkatkan kemampuan pembentukan. Kandungan Ni yang lebih tinggi pada 304 memberikannya austenit yang stabil tanpa bergantung pada Mn/N yang tinggi. - Tembaga (Cu) dalam 204Cu memberikan penguatan solid-solution dan meningkatkan ketahanan di lingkungan asam tertentu (misalnya, asam sulfat) dan dapat meningkatkan ketahanan terhadap beberapa bentuk korosi lokal atau biofouling dalam kondisi tertentu. - Nitrogen (N) dan mangan (Mn) digunakan dalam paduan rendah-Ni untuk menstabilkan austenit dan memberikan kekuatan melalui efek larutan interstitial dan penuaan regangan. - Kromium (Cr) memberikan ketahanan oksidasi dan korosi umum melalui pembentukan film pasif; kedua grade memiliki Cr yang sebanding.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Mikrostruktur tipikal:
- Kedua 304 dan 204Cu sepenuhnya austenitik dalam kondisi annealed ketika batas kimia yang ditentukan terpenuhi. Mikrostruktur umumnya adalah austenit equiaxed dengan kemungkinan jumlah ferrit kecil tergantung pada komposisi dan pendinginan.
- Respons terhadap pemrosesan:
- Pemanasan (solusi anneal) pada suhu austenitisasi nominal diikuti dengan pendinginan cepat menghasilkan austenit yang ulet dan tahan korosi untuk kedua grade.
- Pengerjaan dingin meningkatkan kerapatan dislokasi dan meningkatkan kekuatan sambil mengurangi ketangguhan. 204Cu sering mencapai tingkat pengerasan kerja yang lebih tinggi karena efek gabungan dari Cu dan N, sehingga tingkat pengerjaan dingin yang sebanding dapat menghasilkan kekuatan tarik/hasil yang lebih tinggi dibandingkan 304.
- Normalisasi biasanya tidak digunakan untuk baja tahan karat austenitik; siklus pendinginan dan temper konvensional yang digunakan dalam paduan ferritik/HSLA tidak berlaku. Kedua baja tidak dapat dikeraskan dengan pendinginan termal konvensional; penguatan dicapai melalui pengerjaan dingin dan fenomena presipitasi minor.
- Pengolahan termo-mekanis (penggulungan, pendinginan terkontrol) mempengaruhi ukuran butir dan tekstur; kedua grade mendapatkan manfaat dari pemrosesan terkontrol untuk menyesuaikan kemampuan pembentukan dan kualitas permukaan.
4. Sifat Mekanik
Tabel berikut memberikan karakteristik kinerja komparatif dalam kondisi yang umum disuplai (annealed/diperlakukan larutan). Nilai tepat bervariasi dengan bentuk produk, pengerjaan dingin, dan pemasok.
| Sifat | 304 (annealed) | 204Cu (annealed/perilaku tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Baik, kekuatan tarik ulet yang seimbang | Sebanding dengan sedikit lebih rendah atau serupa; dapat meningkat secara signifikan dengan pengerjaan dingin |
| Kekuatan hasil | Sedang, ketangguhan yang baik | Hasil sedikit lebih tinggi dalam beberapa kondisi karena penguatan solid-solution Cu/N |
| Peregangan (ketangguhan) | Ketangguhan tinggi (kemampuan pembentukan yang sangat baik) | Umumnya tinggi tetapi sedikit lebih rendah dibandingkan 304 pada tingkat pengerjaan dingin yang sebanding |
| Ketangguhan impak | Sangat baik pada suhu kamar | Sangat baik pada suhu kamar; sebanding dengan 304 |
| Kekerasan | Sedang (lunak dalam kondisi annealed) | Potensi kekerasan sedikit lebih tinggi setelah pengerasan kerja |
Penjelasan - 304 menunjukkan keseimbangan antara kekuatan dan ketangguhan dengan ketangguhan yang sangat baik berkat kandungan nikel yang lebih tinggi dan austenit yang stabil. - 204Cu menggunakan tembaga dan nitrogen/mangan untuk penguatan; ini membuatnya mampu mencapai tingkat tarik yang serupa ketika dikerjakan dingin dan dalam beberapa kondisi annealed mungkin menunjukkan hasil yang sedikit lebih tinggi. Ketangguhan tetap baik tetapi mungkin sedikit berkurang relatif terhadap 304 pada tingkat kerja yang serupa.
5. Kemampuan Pengelasan
- Poin umum:
- Kedua grade umumnya dilas dengan proses standar (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Pemanasan awal umumnya tidak diperlukan untuk bagian tipis.
- Batas karbon yang lebih rendah membantu menghindari presipitasi karbida dan sensitasi selama pendinginan lambat, tetapi kontrol prosedur pengelasan tetap penting untuk komponen yang kritis terhadap korosi.
- Pengaruh komposisi:
- Kandungan Ni yang lebih tinggi pada 304 membuatnya lebih toleran terhadap mikrostruktur las dan mengurangi risiko retak pembekuan dalam banyak kondisi.
- 204Cu memiliki Ni yang lebih rendah dan Mn/Cu/N yang lebih tinggi dapat mengubah mode pembekuan dan kerentanan terhadap retak panas; beberapa logam pengisi dan parameter pengelasan mungkin perlu disesuaikan. Gunakan logam pengisi yang cocok atau logam pengisi tipe 308/309L tergantung pada aplikasi dan ketahanan korosi yang diperlukan.
- Indeks kekerasan dan ekuivalen karbon:
- Untuk interpretasi kualitatif dari kemampuan pengelasan, gunakan indeks seperti: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
- Interpretasi: nilai $CE_{IIW}$ atau $P_{cm}$ yang lebih tinggi menunjukkan kecenderungan yang meningkat untuk pengerasan dan retak selama pengelasan dan mungkin memerlukan perlakuan panas pra/pasca pengelasan atau pendinginan terkontrol. Ni yang lebih rendah pada 204Cu tetapi Cu dan Mn yang lebih tinggi akan mengubah indeks relatif terhadap 304; secara kualitatif, 204Cu dapat dilas dengan sukses tetapi memerlukan prosedur yang memenuhi syarat dan perhatian terhadap pemilihan pengisi dan pembersihan pasca pengelasan.
- Catatan praktis: saat mengelas 204Cu dalam aplikasi yang kritis terhadap korosi, kualifikasikan prosedur las dan uji kinerja korosi sambungan; pemilihan pengisi sering memilih pengisi yang mengandung Ni untuk mempertahankan kinerja korosi.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Perilaku tahan karat:
- Kedua paduan bergantung pada film pasif kaya kromium untuk ketahanan korosi di lingkungan atmosfer dan banyak lingkungan akuatik.
- 304 adalah baja tahan karat tujuan umum yang terbukti baik dengan ketahanan yang baik terhadap lingkungan pengoksidasi, pengolahan makanan, dan banyak bahan kimia. Ini tidak sekuat grade yang mengandung Mo (misalnya, 316) di lingkungan klorida/pitting.
- Peran tembaga:
- Tembaga dalam 204Cu dapat meningkatkan ketahanan terhadap asam reduksi tertentu (terutama asam sulfat) dan dapat membantu dengan ketahanan biofouling dalam kondisi layanan tertentu. Namun, tembaga tidak menggantikan molibdenum terkait ketahanan pitting di lingkungan klorida.
- Angka Ekuivalen Ketahanan Pitting (PREN):
- Untuk peringkat pitting, PREN umumnya digunakan: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Interpretasi: karena baik 304 maupun 204Cu tidak mengandung Mo, nilai PREN adalah moderat; nitrogen dalam 204Cu dapat sedikit meningkatkan PREN, tetapi PREN tetap jauh lebih rendah dibandingkan baja tahan karat yang dipaduan Mo. PREN paling berguna untuk membandingkan paduan dengan Mo yang ada; untuk grade yang mengandung Cu, PREN memberikan wawasan terbatas tentang perilaku asam.
- Perlindungan permukaan untuk komponen non-tahan karat:
- Jika komponen tidak tahan karat (tidak berlaku di sini), perlindungan tipikal termasuk galvanisasi, pengecatan, atau pelapisan konversi. Untuk 304/204Cu, penyelesaian permukaan, pasivasi, dan pembersihan yang tepat adalah strategi perlindungan yang biasa.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemampuan Pembentukan
- Pembentukan dan pembengkokan:
- 304 memiliki kemampuan pembentukan yang sangat baik dan karakteristik penarikan dalam kondisi annealed.
- 204Cu juga dapat dibentuk, tetapi karena mudah mengeras, pemulihan dan gaya yang diperlukan dapat lebih tinggi untuk deformasi yang setara.
- Kemudahan pemesinan:
- Baja tahan karat austenitik umumnya lebih sulit untuk diproses dibandingkan baja karbon karena pengerasan kerja dan konduktivitas termal yang rendah. 204Cu mungkin diproses serupa atau sedikit lebih baik dibandingkan 304 dalam kondisi tertentu karena perbedaan paduan, tetapi alat dan umpan harus dipilih untuk praktik baja tahan karat austenitik.
- Penyelesaian:
- Keduanya mencapai penyelesaian permukaan yang baik dengan praktik penyelesaian standar (penggilingan, pemolesan). Kandungan tembaga dapat sedikit mempengaruhi pewarnaan dalam beberapa penyelesaian tetapi biasanya bukan masalah praktis.
- Fabrikasi pengelasan:
- Pemilihan logam pengisi, suhu antar proses, dan desain sambungan yang hati-hati diperlukan untuk kedua grade untuk menghindari distorsi dan mempertahankan ketahanan korosi.
8. Aplikasi Tipikal
| 304 (penggunaan umum) | 204Cu (penggunaan umum) |
|---|---|
| Peralatan pengolahan makanan, peralatan dapur, wastafel, peralatan rumah tangga | Komponen peralatan yang sensitif terhadap biaya, trim dekoratif, trim interior/eksterior otomotif |
| Cladding arsitektur dan struktural, pegangan tangan | Komponen tahan korosi umum di mana 304 digunakan tetapi pengurangan biaya menarik |
| Penukar panas, tangki, pipa dalam layanan non-klorida tinggi | Penukar panas dan fitting dalam layanan asam tertentu (sulfat) di mana Cu memberikan manfaat |
| Pengikat, pegas (varian tertentu) | Komponen yang memerlukan kekuatan lebih tinggi setelah pengerjaan dingin dan ketahanan korosi yang moderat |
Rasional pemilihan - Pilih 304 ketika paduan yang terbukti, terstandarisasi secara luas dengan perilaku korosi yang terdokumentasi dengan baik dan ketersediaan yang luas diperlukan—terutama untuk makanan, sanitasi, dan banyak aplikasi arsitektur.
- Pilih 204Cu ketika biaya pengadaan menjadi pendorong yang signifikan, ketika pengurangan nikel diinginkan, dan ketika lingkungan layanan yang diharapkan moderat (tidak ada pitting/ekspos klorida yang parah) atau secara khusus kompatibel dengan manfaat Cu.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya:
- 204Cu dirancang untuk mengurangi kandungan nikel dan oleh karena itu dapat lebih murah dibandingkan 304 ketika harga nikel tinggi. Keuntungan biaya terkait dengan harga pasar Ni dan Cu.
- 304 memiliki harga yang stabil dan rantai pasokan yang mapan; sering kali lebih dapat diprediksi dalam pengadaan jangka panjang.
- Ketersediaan:
- 304 adalah salah satu baja tahan karat yang paling banyak tersedia di seluruh dunia dan ditawarkan dalam banyak bentuk produk (lembar, gulungan, plat, batang, pipa, kawat).
- 204Cu semakin ditawarkan dalam bentuk lembar, gulungan, dan beberapa bentuk batang/pipa tetapi mungkin tidak tersedia secara universal di semua wilayah atau bentuk produk; waktu pengiriman dan jumlah pesanan minimum harus diperiksa dengan pemasok.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif)
| Metrik | 304 | 204Cu |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Sangat baik, dipahami dengan baik; toleran | Baik dengan prosedur yang memenuhi syarat; pemilihan pengisi penting |
| Kekuatan – Ketangguhan | Kekuatan seimbang dan ketangguhan tinggi; ketangguhan yang sangat baik | Kekuatan tarik sebanding, hasil sedikit lebih tinggi dengan pengerjaan dingin; ketangguhan yang sangat baik |
| Biaya | Sedang, harga yang baik dan pasokan stabil | Potensi biaya material umumnya lebih rendah ketika Ni mahal; pasokan bervariasi |
Rekomendasi - Pilih 304 jika: - Anda membutuhkan paduan yang mapan, terstandarisasi secara luas dengan kinerja korosi yang terbukti dalam layanan umum, terutama untuk makanan, sanitasi, atau paparan arsitektur luar ruangan jangka panjang. - Ketersediaan global yang konsisten dan pelacakan material adalah prioritas. - Anda lebih memilih jendela pengelasan dan fabrikasi yang toleran dengan berbagai pilihan logam pengisi dan prosedur.
- Pilih 204Cu jika:
- Pengurangan kandungan nikel dan biaya material penting, dan lingkungan layanan moderat (tidak ada pitting klorida yang parah) atau mendapatkan manfaat dari perilaku elektrokimia tembaga (misalnya, layanan asam tertentu).
- Anda mengharapkan pengerjaan dingin yang substansial atau di mana hasil yang sedikit lebih tinggi diinginkan.
- Anda siap untuk mengkualifikasikan prosedur pengelasan dan mengonfirmasi ketersediaan pasokan untuk bentuk produk yang diperlukan.
Catatan akhir: kedua paduan adalah baja tahan karat austenitik dengan kemampuan yang tumpang tindih. Pilihan optimal tergantung pada lingkungan korosi spesifik, rencana pembentukan/pengelasan, target biaya, dan pertimbangan rantai pasokan. Untuk spesifikasi atau komponen kritis, minta sertifikasi pemasok tentang komposisi dan pengujian mekanis dan lakukan uji korosi atau las yang spesifik untuk aplikasi sesuai kebutuhan.