304 vs 204Cu – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering menghadapi trade-off saat memilih antara stainless steel austenitik yang sudah mapan seperti 304 dan alternatif nikel rendah seperti 204Cu. Konteks keputusan yang umum termasuk menyeimbangkan ketahanan korosi terhadap biaya material, memilih kemampuan las dan pembentukan yang optimum untuk fabrikasi, dan memilih tingkat kekuatan yang tepat untuk struktur penahan beban atau ketebalan tipis.
Perbedaan utama antara dua grade ini adalah strategi paduan: 304 mengandalkan kandungan nikel yang lebih tinggi untuk menstabilkan austenit dan memberikan ketahanan korosi dan kemampuan pembentukan yang luas, sementara 204Cu mengurangi kandungan nikel dan menggunakan paduan alternatif — terutama mangan yang lebih tinggi dan tembaga tambahan — untuk mempertahankan austenit dan meningkatkan kekuatan. Perbedaan itu mendorong perilaku yang berbeda dalam kinerja korosi, sifat mekanik, kemampuan las, dan biaya.
1. Standar dan Penunjukan
- 304: Penunjukan umum termasuk UNS S30400 / S30403 (304L), EN 1.4301 (304), ASTM A240 / A276 / A312 (bervariasi menurut bentuk produk), JIS SUS304.
- Kategori: Stainless steel austenitik (tujuan umum).
- 204Cu: Penunjukan umum termasuk UNS S20430 (kadang-kadang terdaftar sebagai AISI 204Cu dalam literatur vendor); penunjukan EN/JIS yang setara mungkin tidak distandarisasi di semua pemasok.
- Kategori: Stainless steel austenitik, varian nikel rendah yang mengandung tembaga (dirancang sebagai alternatif yang mengurangi biaya untuk seri 300).
Catatan: Nomor standar yang tepat dan bentuk produk yang tersedia (lembaran, gulungan, batang, tabung) tergantung pada wilayah dan pemasok; verifikasi standar yang berlaku untuk pengadaan kritis.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Rentang komposisi tipikal ditunjukkan di bawah ini. Batas yang tepat tergantung pada standar atau vendor; tabel memberikan rentang nominal representatif yang digunakan dalam praktik komersial.
| Elemen | 304 (rentang tipikal, wt%) | 204Cu (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ~5.5 – 7.5 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0 – 20.0 | 18.5 – 20.0 |
| Ni | 8.0 – 10.5 | ~3.5 – 5.0 |
| Mo | ≤ 0.25 (jejak) | ≤ 0.25 (biasanya tidak ada) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| Cu | ≤ 0.50 (jejak) | ~1.0 – 2.0 |
| N | ≤ 0.10 | hingga ~0.20 (bervariasi menurut produk) |
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Nikel adalah penstabil austenit klasik dan memberikan 304 ketangguhan, ketahanan, dan ketahanan korosi yang sangat baik di banyak lingkungan. - Dalam 204Cu, pengurangan nikel dikompensasi oleh mangan yang lebih tinggi dan nitrogen yang terkontrol; tembaga ditambahkan untuk membantu stabilitas austenit dan meningkatkan kekuatan melalui efek solid-solution/kerja dingin dan untuk mengurangi beberapa mode retak tertentu. - Kandungan kromium di kedua grade memberikan pasivitas dasar dan ketahanan terhadap pitting; tidak adanya Mo membatasi kesesuaian di lingkungan yang mengandung klorida tinggi atau celah dibandingkan dengan grade yang mengandung Mo. - Mangan dan N yang lebih tinggi mengubah pengerasan kerja dan kekuatan mekanik; tembaga memodifikasi perilaku mekanik dan dapat meningkatkan ketahanan terhadap beberapa mode retak korosi stres klorida tetapi tidak menggantikan kinerja korosi yang luas dari paduan nikel yang lebih tinggi dalam kondisi agresif.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- 304: Mikrostruktur tipikal adalah sepenuhnya austenitik (fase γ) setelah perlakuan panas larutan standar (sekitar 1000–1100 °C, pendinginan cepat). Ini tidak dapat dikeraskan dengan metode quench/temper termal (tidak ada transformasi martensitik saat pendinginan), tetapi penguatan yang signifikan dicapai melalui pengerjaan dingin yang meningkatkan kepadatan dislokasi dan meningkatkan kekuatan luluh/tarik.
- 204Cu: Juga dirancang untuk menjadi austenitik dalam kondisi yang dilunakkan. Mangan dan tembaga yang tinggi ditambah kemungkinan penambahan N membantu menstabilkan austenit tanpa nikel tinggi. Mikrostruktur di bawah pemrosesan standar adalah austenitik tetapi dengan kecenderungan yang lebih tinggi untuk pengerasan kerja. Tembaga tetap dalam larutan padat dan dapat sedikit memodifikasi energi kesalahan tumpukan dan interaksi dislokasi.
- Rute perlakuan panas:
- Pemanasan larutan dan pendinginan: Mengembalikan ketangguhan dan ketahanan korosi untuk kedua grade; diperlukan setelah pengerjaan dingin atau pengelasan untuk mengurangi pengerasan kerja dan melarutkan produk sensitisasi (sensitisasi terutama menjadi masalah dengan karbon dan paparan termal).
- Pengolahan termo-mekanis: Penggulungan dingin atau siklus pelunakan terkontrol akan meningkatkan kekuatan melalui pengerasan regangan; 204Cu biasanya mencapai peningkatan kekuatan yang lebih tinggi dari pengerjaan dingin dibandingkan 304 karena keseimbangan paduannya.
- Kedua grade tidak dapat dikeraskan dengan rute baja quench-and-temper konvensional karena keduanya adalah stainless steel austenitik; pengerasan presipitasi tidak berlaku.
4. Sifat Mekanik
Nilai bervariasi menurut bentuk produk (dilakukan dingin vs dilunakkan, lembaran vs batang) dan produsen. Berikut adalah rentang tipikal yang indikatif untuk lembaran/gulungan stainless komersial; verifikasi lembar data pemasok untuk persyaratan pengadaan yang tepat.
| Sifat (dilunakkan, indikatif) | 304 | 204Cu |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~500 – 700 | ~550 – 750 |
| Kekuatan luluh (offset 0.2%, MPa) | ~200 – 300 | ~250 – 350 |
| Peregangan (% dalam 50 mm) | ~40 – 60 | ~30 – 50 |
| Kekerasan dampak (Charpy V, suhu ruang) | Tinggi, biasanya ketangguhan yang baik | Umumnya baik; mungkin sedikit lebih rendah jika dibandingkan pada ketebalan yang sama karena kekuatan yang lebih tinggi |
| Kekerasan (HRB / HB) | ~70 – 100 HRB (≈150 – 220 HB) | Sedikit lebih tinggi rata-rata karena paduan / pengerasan kerja |
Interpretasi: - 204Cu biasanya sedikit lebih kuat dalam kekuatan luluh dan tarik dalam keadaan dilunakkan dan terutama setelah pengerjaan dingin, karena kimia Mn/N/Cu dan laju pengerasan kerja yang lebih tinggi. - 304 biasanya menunjukkan ketangguhan yang lebih tinggi dan sedikit lebih baik dalam ketangguhan untuk ketebalan dan riwayat pemrosesan yang setara, menjadikannya lebih disukai di mana penarikan dalam atau pembentukan yang parah diperlukan. - Kedua grade mempertahankan ketangguhan yang baik pada suhu ambien; ketangguhan suhu rendah dan nilai dampak spesifik tergantung pada kandungan nitrogen dan pemrosesan.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las tergantung pada komposisi (karbon, Mn, Ni, Cu, N), siklus termal, dan desain sambungan.
Indeks penting: - Setara karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Setara kromium (Pcm) untuk kerentanan retak dingin: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - 304: Mn yang lebih rendah dan Ni yang lebih tinggi biasanya memberikan kemampuan las yang sangat baik, kecenderungan retak panas yang rendah, dan ketahanan yang baik terhadap korosi intergranular jika grade karbon rendah (304L) atau praktik pelunakan pasca-las yang tepat digunakan. - 204Cu: Mn dan Cu yang lebih tinggi meningkatkan istilah dalam ekspresi CE/Pcm dan dapat meningkatkan kemampuan pengerasan dan risiko retak dalam kondisi tertentu; namun, 204Cu biasanya diproduksi dan memenuhi syarat untuk dapat dilas dengan prosedur standar (TIG, MIG, pengelasan resistensi) ketika logam pengisi dan desain sambungan yang tepat digunakan. Pemanasan awal dan suhu antar biasanya tidak diperlukan untuk bagian tipis, tetapi bahan habis pakai untuk pengelasan dan perlakuan pasca-las harus dipilih dengan hati-hati. - Catatan praktis: Karena 204Cu memiliki Ni yang lebih rendah, pemilihan pengisi yang cocok dan pengendalian pencampuran sangat penting untuk mempertahankan kinerja korosi dan mikrostruktur austenitik di las. Di mana layanan kaya klorida, penggunaan logam las paduan 316 atau lebih tinggi mungkin diperlukan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- 304: Ketahanan korosi umum yang baik di lingkungan atmosfer, kimia ringan, dan makanan. Rentan terhadap pitting klorida dan korosi celah di media klorida agresif; tidak disarankan untuk lingkungan air laut atau klorida asam tinggi tanpa langkah perlindungan.
- 204Cu: Dirancang untuk memberikan ketahanan korosi yang sebanding dengan 304 di banyak lingkungan ringan hingga sedang. Karena Ni dikurangi, ketahanan terhadap pitting dan celah mungkin serupa tetapi tergantung pada tingkat Cr/N yang tepat dan keberadaan Mo (biasanya tidak ada). Tembaga dapat memberikan peningkatan moderat terhadap ketahanan terhadap konsentrasi asam sulfat tertentu dan dapat mempengaruhi ketahanan terhadap retak korosi stres dalam beberapa kondisi, tetapi tidak secara luas menggantikan manfaat dari grade nikel yang lebih tinggi dalam aplikasi klorida yang parah atau suhu tinggi.
Penggunaan indeks: - Angka Setara Ketahanan Pitting (PREN) berguna ketika Mo dan N bervariasi: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Untuk 304 dan 204Cu (Mo ≈ 0), PREN didorong oleh Cr dan N; keduanya biasanya memiliki nilai PREN moderat dan tidak dianggap sebagai paduan dengan ketahanan pitting tinggi.
Perlindungan permukaan untuk finishing non-stainless: - Jika opsi non-stainless atau paduan rendah dipertimbangkan, galvanisasi, pengecatan, atau pelapisan polimer adalah standar. Baik 304 maupun 204Cu adalah jenis stainless; jika perlindungan tambahan diperlukan (misalnya, di atmosfer laut), pelapisan atau penggunaan grade yang lebih tahan korosi disarankan.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemampuan Pembentukan
- Pembentukan: 304 umumnya lebih unggul untuk penarikan dalam dan pembentukan parah karena ketangguhan yang lebih tinggi dan laju pengerasan kerja yang lebih rendah dalam banyak kondisi temper. 204Cu, meskipun dapat dibentuk, menunjukkan pengerasan kerja yang lebih tinggi, sehingga lebih banyak gaya pembentukan dan pelunakan sementara mungkin diperlukan untuk jari-jari yang ketat atau bentuk yang kompleks.
- Kemudahan pemesinan: Stainless steel austenitik cepat mengeras; kekuatan yang lebih tinggi dan kecenderungan pengerasan kerja 204Cu dapat mengurangi kemudahan pemesinan dibandingkan 304. Alat yang tepat, pengaturan yang kaku, dan pengendalian chip sangat penting untuk keduanya; 204Cu mungkin memerlukan parameter pemotongan yang lebih agresif atau alat karbida untuk pemesinan yang efisien.
- Penyelesaian permukaan: Keduanya menerima penyelesaian standar (polish, disikat). Kehadiran tembaga dalam 204Cu dapat sedikit mempengaruhi warna/penampilan dan dapat mempengaruhi siklus etsa/pengikisan; ikuti panduan pemasok untuk perlakuan kimia.
- Rekomendasi pembentukan/fabrikasi: Untuk stamping volume tinggi atau bagian penarikan dalam, lebih baik memilih 304 kecuali trade-off biaya/kekuatan atau lingkungan korosi membenarkan 204Cu. Untuk pembentukan struktural ketebalan berat di mana kekuatan menjadi prioritas, kekuatan luluh 204Cu yang lebih tinggi dapat menguntungkan.
8. Aplikasi Tipikal
| 304 (penggunaan tipikal) | 204Cu (penggunaan tipikal) |
|---|---|
| Peralatan pengolahan makanan, peralatan dapur, wastafel, perangkat medis, trim arsitektural | P panel peralatan, komponen HVAC, trim dekoratif, barang konsumen di mana biaya lebih rendah dan ketahanan korosi yang wajar sudah cukup |
| Penukar panas, peralatan proses kimia di lingkungan ringan | Penukar panas dan tabung di lingkungan non-agresif, furnitur dan perlengkapan |
| Pengikat, tangki, dan pipa dalam layanan non-klorida | Aplikasi di mana kandungan nikel yang lebih rendah diinginkan karena alasan biaya atau pasokan, komponen struktural ringan |
Rasional pemilihan: - Pilih 304 di mana ketahanan korosi yang terbukti, kemampuan pembentukan, dan riwayat aplikasi yang luas diperlukan—terutama di mana kontak dengan makanan, agen pembersih, atau paparan klorida sedang terjadi. - Pilih 204Cu di mana kandungan nikel yang lebih rendah mengurangi biaya dan di mana lingkungan tidak mengandung klorida secara agresif, dan di mana kekuatan yang sedikit lebih tinggi dan penampilan permukaan yang baik diperlukan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- 304 adalah salah satu grade stainless yang paling banyak diproduksi dan disimpan di seluruh dunia; ketersediaan dalam lembaran, gulungan, pelat, batang, dan tabung sangat baik. Biaya sangat terkait dengan harga pasar nikel; ketika Ni tinggi, 304 menjadi lebih mahal.
- 204Cu adalah alternatif nikel rendah dan biasanya dihargai lebih rendah daripada 304 ketika premi nikel signifikan. Ketersediaan semakin meningkat tetapi mungkin lebih terbatas dalam beberapa bentuk atau ukuran; waktu pengiriman dan jumlah pesanan minimum dapat bervariasi menurut pemasok dan wilayah.
- Untuk pengadaan volume tinggi, evaluasi tren pasar nikel jangka panjang dan inventaris pemasok lokal; bentuk batch kecil atau khusus mungkin lebih menguntungkan untuk 304 karena dukungan vendor yang lebih luas.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Metrik | 304 | 204Cu |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Sangat baik (terkarakterisasi dengan baik) | Baik dengan bahan habis pakai dan kontrol yang tepat |
| Seimbang Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan moderat, ketangguhan & ketangguhan tinggi | Kekuatan lebih tinggi, ketangguhan baik; kurang ulet dalam keadaan yang sama |
| Biaya | Lebih tinggi (sensitif terhadap harga Ni) | Lebih rendah (Ni berkurang; tembaga mengkompensasi) |
Kesimpulan dengan panduan pemilihan: - Pilih 304 jika Anda membutuhkan ketahanan korosi yang terbukti dan luas (terutama di lingkungan makanan, medis, atau terpapar klorida), kemampuan pembentukan maksimum untuk penarikan dalam, dan ketersediaan bentuk produk dan bahan habis pakai las yang paling luas. - Pilih 204Cu jika pengadaan sensitif terhadap biaya atau ketersediaan nikel menjadi masalah, dan lingkungan layanan adalah ringan hingga sedang (kondisi klorida non-agresif). 204Cu menawarkan kekuatan yang lebih tinggi saat diproduksi dan dapat menjadi pengganti yang baik untuk lembaran, panel, dan bagian struktural ringan di mana tuntutan kemampuan pembentukan moderat dan lingkungan korosi tidak parah.
Catatan akhir: Kedua grade memiliki peran yang sah dalam manufaktur modern. Untuk layanan yang kritis terhadap keselamatan, terpapar klorida, atau sangat korosif, pertimbangkan grade stainless yang mengandung paduan lebih tinggi atau molibdenum (misalnya, 316 atau superaustenitik). Selalu konfirmasi batas kimia dan mekanik yang tepat dengan lembar data pemasok dan lakukan kualifikasi spesifik aplikasi (uji las, pengujian korosi, uji pembentukan) sebelum pemilihan material akhir.