304 vs 2205 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur umumnya menghadapi trade-off antara ketahanan korosi, kinerja mekanis, dan biaya saat memilih baja tahan karat untuk peralatan proses, pipa, dan komponen struktural. Kelas 304 banyak digunakan di mana kemampuan pembentukan, kemampuan pengelasan, dan ketahanan korosi sedang adalah persyaratan utama; kelas 2205 (baja tahan karat duplex) dipilih ketika kekuatan yang lebih tinggi dan ketahanan korosi lokal yang lebih baik diperlukan.
Perbedaan metalurgi yang mendasar adalah bahwa satu kelas adalah paduan austenitik sepenuhnya sementara yang lainnya adalah paduan fase ganda (ferit + austenit). Perbedaan itu menyebabkan perbedaan dalam kekuatan, ketangguhan, perilaku pengelasan, dan kerentanan terhadap pembentukan fase intermetallic, yang merupakan alasan mengapa kedua kelas ini sering dibandingkan dalam keputusan desain dan fabrikasi.
1. Standar dan Penunjukan
- 304
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (varian 304, 304L)
- EN: EN 1.4301 (304), EN 1.4306 (304L)
- JIS: SUS304
- GB: 0Cr18Ni9 (penunjukan perkiraan)
- Klasifikasi: Tahan karat — austenitik
- 2205
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32205 / S31803 secara historis)
- EN: EN 1.4462
- Lainnya: UNS S32205, terkadang diberi merek sebagai Duplex 2205
- Klasifikasi: Tahan karat — duplex (ferit + austenit)
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Rentang komposisi tipikal (nilai representatif untuk kelas komersial standar). Batasan yang tepat tergantung pada standar spesifik dan bentuk produk.
| Elemen | 304 (tipikal) | 2205 (tipikal) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 0.8 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.02 wt% |
| Cr | 17.0–19.0 wt% | 21.0–23.0 wt% |
| Ni | 8.0–10.5 wt% | 3.0–5.5 wt% |
| Mo | ~0 wt% | 2.5–3.5 wt% |
| V | jejak / tidak ditentukan | jejak / tidak ditentukan |
| Nb | — | biasanya sangat rendah / tidak ada |
| Ti | — | biasanya sangat rendah / tidak ada |
| B | — | jejak jika ada |
| N | ~0.03–0.10 wt% | 0.14–0.20 wt% (signifikan) |
Strategi paduan dan efek: - 304: Ni adalah stabilisator austenit utama; Cr memberikan pasivitas untuk ketahanan korosi. C rendah membatasi presipitasi karbida dan meningkatkan kemampuan pengelasan (varian 304L menurunkan C lebih lanjut). - 2205: Cr, Mo, dan N yang tinggi meningkatkan ketahanan terhadap korosi pitting dan celah serta mendorong kekuatan yang lebih tinggi. Ni yang lebih rendah mengurangi biaya dan menstabilkan keseimbangan fase duplex (ferit + austenit). Mo dan N adalah kunci untuk ketahanan korosi lokal dan kekuatan hasil yang lebih tinggi.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- 304 (austenitik):
- Mikrostruktur: Sepenuhnya austenitik (FCC) dalam kondisi solusi-annealed.
- Perlakuan panas: Solusi anneal (~1010–1100°C) diikuti dengan pendinginan cepat mempertahankan austenit fase tunggal; tidak ada pengerasan dengan quench/tempering. Presipitasi karbida (sensitisasi) dapat terjadi dalam rentang 450–850°C jika ditahan, yang mengarah pada korosi intergranular; kelas karbon rendah (304L) atau kelas yang distabilkan (304H, 321/347) mengatasi ini.
- Proses termo-mekanis: Pekerjaan dingin meningkatkan kekuatan melalui pengerasan regangan dan mengurangi duktilitas; rekristalisasi terjadi selama annealing.
- 2205 (duplex):
- Mikrostruktur: Campuran ferit (α, BCC) dan austenit (γ, FCC) sekitar 40–60% ferit dalam kondisi seimbang. Ferit memberikan kekuatan dan ketahanan terhadap retak korosi stres; austenit memberikan ketangguhan dan duktilitas.
- Perlakuan panas: Solusi anneal (~1020–1100°C) diikuti dengan pendinginan cepat mengembalikan keseimbangan fase dan melarutkan intermetallic yang berbahaya. Paparan berkepanjangan dalam rentang 600–1000°C mendorong fase sigma dan intermetallic lainnya yang membuat material menjadi rapuh dan mengurangi ketahanan korosi; oleh karena itu siklus termal yang terkontrol dan pendinginan cepat sangat penting.
- Rute termo-mekanis: Pekerjaan panas dan pendinginan terkontrol mempengaruhi keseimbangan fase; pekerjaan dingin yang berlebihan meningkatkan stres dan mungkin memerlukan annealing untuk mengembalikan ketangguhan.
Normalisasi, quenching & tempering: Ini adalah istilah standar untuk baja karbon dan paduan. Untuk 304 dan 2205, "quench & temper" tidak berlaku sebagai rute penguatan; solusi annealing dan pendinginan terkontrol adalah proses termal yang relevan.
4. Sifat Mekanis
Sifat mekanis tipikal dalam kondisi annealed/solusi-perlakuan umum. Nilai bervariasi dengan bentuk produk (lembaran, pelat, pipa) dan standar.
| Sifat | 304 (annealed) | 2205 (solusi annealed) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~490–750 | ~630–900 |
| Kekuatan hasil 0.2% (MPa) | ~200–300 | ~450–550 |
| Peregangan (% dalam 50 mm) | ~40–60 | ~20–35 |
| Ketangguhan impak (Charpy, J) | Tinggi, mempertahankan ketangguhan pada T rendah | Baik, tetapi lebih rendah dari 304 dalam beberapa orientasi; sangat baik pada suhu ambien |
| Kekerasan (HRB/HRc kira-kira) | ~70–100 HRB | Biasanya lebih tinggi, ~100–150 HRB |
Interpretasi: - 2205 memiliki kekuatan hasil yang jauh lebih tinggi dan seringkali kekuatan tarik yang lebih tinggi dibandingkan 304 karena fase feritik dan paduan nitrogen/Mo. - 304 menawarkan duktilitas yang lebih tinggi dan umumnya ketangguhan yang lebih baik dalam bagian yang diproses dingin berat; 2205 mempertahankan ketangguhan yang baik untuk kekuatannya tetapi memiliki peregangan yang lebih rendah. - Pemilihan harus mempertimbangkan kebutuhan kekuatan terhadap kemampuan pembentukan dan kebutuhan ketangguhan.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan tergantung pada ekuivalen karbon, keseimbangan fase, dan kerentanan terhadap retak atau pembentukan intermetallic.
Indeks kemampuan pengelasan umum: - CE IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - 304: Kemampuan pengelasan yang sangat baik dalam sebagian besar kondisi; karbon rendah (terutama 304L) meminimalkan risiko sensitisasi. Struktur austenitik tahan terhadap retak dingin; pemanasan awal biasanya tidak diperlukan, dan annealing pasca pengelasan jarang diperlukan. - 2205: Dapat dilas tetapi lebih menuntut. Kontrol input panas dan suhu antar-lapis diperlukan untuk mempertahankan rasio ferit/austenit yang seimbang di zona las. Panas yang berlebihan atau pendinginan lambat dapat menghasilkan intermetallic (sigma) atau las yang terlalu feritik yang rapuh atau memiliki ketahanan korosi yang buruk. Penggunaan logam pengisi duplex yang cocok dan prosedur yang tepat menghasilkan hasil yang baik; solusi annealing pasca pengelasan kadang-kadang digunakan untuk aplikasi kritis, meskipun tidak selalu praktis untuk perakitan besar.
Catatan praktis: - Untuk 2205, pengisi yang cocok dan kontrol panas yang ketat membantu mencapai keseimbangan fase yang diinginkan (biasanya 40–60% ferit). Hindari input panas yang tinggi dan waktu tahan yang lama dalam jendela pembentukan fase sigma. - Untuk 304, pemilihan pengisi cukup sederhana (misalnya, ER308/ER308L); perhatikan sensitisasi jika layanan suhu tinggi diharapkan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Perilaku tahan karat:
- Gunakan Angka Ekuivalen Ketahanan Pitting (PREN) untuk membandingkan ketahanan terhadap korosi pitting di lingkungan klorida: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Contoh perkiraan (komposisi rentang menengah): 304 (Cr ≈ 18, Mo ≈ 0, N kecil) menghasilkan PREN ≈ 18; 2205 (Cr ≈ 22, Mo ≈ 3.0, N ≈ 0.17) menghasilkan PREN ≈ 34–35. Ini menggambarkan mengapa duplex 2205 jauh lebih tahan terhadap korosi pitting dan celah di lingkungan yang mengandung klorida.
- Baja non-tahan karat: Untuk baja karbon atau paduan rendah (bukan kasus di sini), galvanisasi, pengecatan, dan perlindungan katodik adalah hal yang umum; untuk 304/2205, perlindungan permukaan biasanya tidak diperlukan ketika pemilihan kelas sesuai dengan lingkungan.
- Limitasi:
- 304 rentan terhadap serangan lokal (pitting, celah) di lingkungan kaya klorida dan terhadap retak korosi stres pada suhu dan kimia klorida tertentu.
- 2205 lebih baik dalam menahan retak korosi stres yang disebabkan oleh klorida karena kandungan ferit yang lebih tinggi dan PREN yang lebih tinggi, tetapi sensitif terhadap kerapuhan oleh fase intermetallic jika diproses secara tidak benar.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin:
- 304: Kemampuan mesin yang cukup; baja tahan karat austenitik mengeras saat bekerja dan memerlukan pengaturan yang kaku, alat tajam, dan kecepatan pemotongan yang memadai. Insert dan umpan yang terkontrol membantu.
- 2205: Lebih sulit untuk diproses dibandingkan 304 karena kekuatan yang lebih tinggi dan pengerasan kerja; harapkan gaya pemotongan yang lebih tinggi dan keausan alat yang lebih cepat. Alat karbida dan strategi kedalaman potong yang dikurangi adalah hal yang umum.
- Kemampuan pembentukan:
- 304: Kemampuan pembentukan dingin yang sangat baik dan kemampuan penarikan dalam; duktilitas tinggi mendukung operasi pembentukan yang kompleks.
- 2205: Kemampuan pembentukan dingin terbatas dibandingkan 304; pembentukan mungkin memerlukan tingkat regangan yang lebih rendah atau annealing sementara. Jari-jari pembengkokan harus lebih besar dan pemulihan lebih tinggi.
- Penyelesaian permukaan:
- Kedua kelas dapat dipoles dan dipasivasi; 2205 memerlukan perhatian untuk menghindari pewarnaan panas dan presipitat intermetallic selama pengelasan; pengasaman dan pasivasi mengembalikan oksida permukaan.
8. Aplikasi Tipikal
| 304 — Penggunaan Tipikal | 2205 — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Peralatan pengolahan makanan, peralatan dapur, komponen HVAC, trim arsitektur dalam ruangan, pipa proses kimia dengan layanan ringan | Penukar panas kimia dan petrokimia, pipa air laut, peralatan minyak & gas di atas permukaan, desalinasi, flens dan fitting yang terpapar klorida |
| Trim otomotif, pengikat, tangki kelas makanan | Struktur lepas pantai, komponen bawah tanah, lingkungan klorida yang agresif, bejana tekan yang memerlukan kekuatan lebih tinggi |
| Pipa tujuan umum, peralatan sanitasi | Tangki kriogenik dan aplikasi struktural di mana kekuatan terhadap berat lebih diinginkan |
Alasan pemilihan: - Pilih 304 ketika pembentukan, kemudahan pengelasan, dan ketahanan korosi di lingkungan yang tidak agresif adalah prioritas dan ketika sensitivitas biaya signifikan. - Pilih 2205 ketika kekuatan, ketahanan terhadap korosi pitting/celah di media klorida, dan kerentanan yang lebih rendah terhadap retak korosi stres diperlukan, dan ketika biaya material yang lebih tinggi dapat dibenarkan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya:
- 304 umumnya lebih rendah biaya karena kandungan Ni yang lebih tinggi dibandingkan beberapa kelas feritik tetapi lebih rendah Mo dan N dibandingkan duplex; diproduksi dalam volume yang sangat tinggi, yang menjaga harga tetap kompetitif.
- 2205 lebih mahal per kg dibandingkan 304 karena kandungan Mo dan N yang terkontrol serta persyaratan pemrosesan yang lebih kompleks.
- Ketersediaan:
- 304 sangat umum dalam bentuk lembaran, pelat, batang, tabung, dan pengikat dan tersedia di seluruh dunia.
- 2205 tersedia secara luas tetapi kurang umum; umum dalam pipa, fitting, pelat, dan batang untuk pasar industri. Waktu tunggu yang lama dan sumber pabrik yang terbatas mungkin terjadi untuk bentuk produk yang sangat besar atau eksotis.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Sifat | 304 | 2205 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Sangat baik, toleran | Baik dengan kontrol; memerlukan pengisi yang cocok dan kontrol panas |
| Kekuatan – Ketangguhan | Kekuatan sedang, duktilitas tinggi | Kekuatan tinggi, ketangguhan baik untuk kekuatan |
| Biaya | Lebih rendah (lebih ekonomis) | Lebih tinggi (paduan premium, pemrosesan) |
Panduan penutup: - Pilih 304 jika Anda memerlukan kemampuan pembentukan dan pengelasan yang sangat baik, biaya lebih rendah, dan layanan di lingkungan yang sedikit korosif (makanan, arsitektur, jalur proses umum). - Pilih 2205 jika desain memerlukan kekuatan hasil dan kekuatan tarik yang lebih tinggi, ketahanan superior terhadap korosi pitting/celah dan retak korosi stres klorida, atau penghematan berat/ruang melalui bagian yang lebih tipis — dan Anda dapat menerima biaya material dan fabrikasi yang lebih tinggi.
Jika lingkungan korosi, kekuatan, atau kerentanan SCC adalah pendorong desain yang kritis, lakukan studi pemilihan material yang terfokus (termasuk perhitungan PREN, kualifikasi prosedur pengelasan, dan pengujian korosi) untuk mengonfirmasi pilihan terbaik untuk layanan spesifik.