304 vs 2205 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

Insinyur dan profesional pengadaan secara rutin menghadapi dilema pemilihan material yang umum: memprioritaskan ketahanan korosi dan kemampuan las dengan biaya ekonomis, atau berinvestasi dalam paduan kekuatan tinggi yang tahan terhadap korosi lokal di lingkungan klorida yang agresif. Tipe 304 (stainless steel austenitik yang banyak digunakan) dan 2205 (stainless steel duplex, fase campuran) sering muncul sebagai alternatif untuk peralatan proses, pipa, penukar panas, dan komponen struktural di mana kinerja stainless diperlukan.

Perbedaan metalurgi mendasar antara kelas-kelas ini adalah konstitusi fase mereka: satu pada dasarnya adalah baja austenitik fase tunggal yang distabilkan nikel; yang lainnya adalah paduan dua fase dengan keseimbangan sengaja antara ferit dan austenit. Perbedaan itu mendorong perbedaan dalam kekuatan, ketahanan korosi terhadap klorida, perilaku termal, dan karakteristik fabrikasi—sehingga sering dibandingkan secara langsung selama perancangan, pengadaan, dan perencanaan manufaktur.

1. Standar dan Penunjukan

• Tipe 304
• Standar umum: ASTM A240 / ASME SA-240 (plat/lembar), ASTM A276 (batang), ASTM A312 (pipa), EN 1.4301 / X5CrNi18-10, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
• Klasifikasi: Stainless steel — austenitik (non-magnetik dalam kondisi solusi-annealed).
• Tipe 2205
• Standar umum: ASTM A240 (kelas duplex di bawah ASTM sering terdaftar sebagai varian UNS S32205 atau S31803), ASTM A790 / A815 untuk pipa duplex, EN 1.4462 / X2CrNiMoN22-5-3, JIS sering merujuk pada ekuivalen duplex, GB untuk stainless steel duplex.
• Klasifikasi: Stainless steel — duplex (campuran ferit + austenit).

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel berikut memberikan rentang komposisi tipikal untuk grade komersial 304 dan 2205. Nilai-nilai tersebut adalah rentang representatif yang digunakan dalam standar dan praktik pabrik umum; konsultasikan sertifikat material untuk nilai lot yang tepat.

Elemen	304 (rentang tipikal, wt%)	2205 (rentang tipikal, wt%)
C	≤ 0.08	≤ 0.03
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 0.75	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.03
S	≤ 0.03	≤ 0.02
Cr	18.0–20.0	21.0–23.0
Ni	8.0–10.5	4.5–6.5
Mo	— (jejak)	2.5–3.5
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0.10 (biasanya ≤0.1)	0.12–0.20 (ditambahkan untuk keseimbangan duplex)

Ringkasan strategi paduan: - 304 mengandalkan nikel yang signifikan untuk menstabilkan austenit kubik berpusat muka dan memberikan duktilitas, ketangguhan, dan ketahanan korosi umum yang baik. - 2205 menggabungkan kromium yang tinggi, molibdenum yang ditambahkan, dan nitrogen dengan nikel yang dikurangi untuk mendapatkan mikrostruktur ferit+austenit dua fase yang meningkatkan kekuatan dan memperbaiki ketahanan terhadap korosi pitting dan celah di klorida. Nitrogen juga berkontribusi pada kekuatan dan ketahanan pitting.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur: - 304: Biasanya austenit fase tunggal (FCC). Dalam kondisi solusi-annealed, ia sepenuhnya austenitik dan non-magnetik (kecuali sedikit magnetisme setelah pengerjaan dingin). Presipitasi karbida (misalnya, M23C6) dapat terjadi di batas butir jika terpapar suhu sensitisasi (sekitar 450–850°C), mengurangi ketahanan korosi intergranular kecuali distabilkan atau solusi-annealed. - 2205: Mikrostruktur duplex yang ditargetkan dengan sekitar 40–60% ferit (kubik berpusat tubuh) dan 40–60% austenit. Fase yang seimbang memberikan kekuatan lebih tinggi dan ketahanan yang lebih baik terhadap retak korosi tegangan di banyak lingkungan klorida dibandingkan dengan austenitik.

Respons perlakuan panas: - 304: Tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas konvensional (tidak ada transformasi martensitik saat pendinginan). Kekuatan dapat ditingkatkan dengan pengerjaan dingin (penguatan regangan). Untuk ketahanan korosi setelah pengelasan atau paparan suhu tinggi, solusi annealing (misalnya, 1010–1150°C diikuti dengan pendinginan cepat) mengembalikan mikrostruktur dan melarutkan presipitat. - 2205: Juga tidak diperkuat dengan pengerasan konvensional; ia diperlakukan panas dengan solusi annealing (umumnya sekitar 1020°C) diikuti dengan pendinginan cepat untuk mempertahankan keseimbangan duplex. Paparan berkepanjangan antara ~300°C dan 1000°C mempromosikan fase intermetallic yang tidak diinginkan (sigma, chi) dan nitrida yang membuat material menjadi rapuh dan mengurangi ketahanan korosi; oleh karena itu, siklus termal harus dikendalikan. Normalisasi atau siklus quench-and-temper yang digunakan untuk baja karbon/paduan tidak berlaku.

4. Sifat Mekanik

Tabel di bawah ini mencantumkan sifat mekanik representatif untuk kondisi solusi-annealed. Nilai-nilai tersebut adalah perkiraan dan bervariasi dengan bentuk produk, pemrosesan, dan standar pengujian.

Sifat	304 (annealed, tipikal)	2205 (duplex solusi-annealed, tipikal)
Kekuatan tarik (MPa)	~500–700	~600–900
Kekuatan luluh (0.2% offset, MPa)	~200–300	~450–550
Panjang regangan (persen)	~40–60%	~25–35%
Ketangguhan impak Charpy (suhu ruang)	Tinggi, ketangguhan suhu rendah yang baik	Baik, tetapi lebih rendah dari 304 berdasarkan persentase panjang regangan
Kekerasan (HB atau HRC perkiraan)	~120–200 HB	~200–300 HB

Interpretasi: - 2205 menunjukkan kekuatan luluh dan tarik yang jauh lebih tinggi dibandingkan 304 karena mikrostruktur duplex dan kandungan nitrogen; kekuatan luluh tipikal dapat kira-kira dua kali lipat dari 304. Kekuatan yang lebih tinggi ini mengurangi ketebalan bagian yang diperlukan dalam banyak aplikasi struktural atau tekanan. - 304 lebih duktil dan umumnya menunjukkan panjang regangan yang lebih tinggi dan ketangguhan yang sangat baik, terutama pada suhu rendah. 2205 mempertahankan ketangguhan yang baik tetapi kurang duktil dan lebih banyak kembali saat dibentuk.

5. Kemampuan Las

Kemampuan las tergantung pada kandungan karbon, paduan yang mempromosikan kemampuan pengerasan, dan kerentanan terhadap fase yang merugikan.

Indeks kemampuan las yang berguna (untuk interpretasi kualitatif): - IIW setara karbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (untuk penilaian stainless yang lebih kompleks): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - 304: Kemampuan las yang sangat baik dengan proses peleburan umum (GMAW, GTAW, SMAW). Kandungan karbon yang rendah dan kandungan nikel yang tinggi mengurangi kecenderungan retak panas dan mempromosikan logam las yang duktil. Solusi annealing pasca-las jarang diperlukan kecuali layanan sensitif terhadap klorida dan sensitisasi mungkin terjadi. - 2205: Dapat dilas, tetapi lebih menuntut. Keseimbangan duplex dapat terganggu oleh input panas; pengendalian suhu antar-lapis, pencocokan logam pengisi (misalnya, 2209 atau kawat las duplex yang diformulasikan khusus), dan kadang-kadang solusi annealing pasca-las diperlukan untuk mengembalikan keseimbangan fase yang diinginkan dan meminimalkan pembentukan fase sigma. 2205 kurang toleran terhadap rentang pengenceran yang luas dan pendinginan lambat yang mempromosikan fase intermetallic; pra-kualifikasi prosedur disarankan untuk layanan kritis.

Ringkasan kemampuan las: 304 lebih mudah dilas dalam kondisi toko rutin; 2205 memerlukan pengendalian prosedur yang lebih ketat untuk menghindari kehilangan sifat duplex dan mempertahankan ketahanan korosi.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Untuk grade stainless, ketahanan korosi lokal sering diukur dengan angka setara ketahanan pitting (PREN): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini menunjukkan bahwa paduan dengan Mo dan N yang lebih tinggi serta Cr yang memadai akan lebih baik menahan pitting di klorida.
• 304 mengandung sedikit atau tidak ada molibdenum dan umumnya nitrogen yang rendah, sehingga PREN-nya rendah dibandingkan dengan paduan duplex; ia berkinerja baik terhadap korosi umum tetapi rentan terhadap pitting dan korosi celah di lingkungan kaya klorida (misalnya, air laut, garam).
• 2205 memiliki kromium yang tinggi, molibdenum yang signifikan, dan nitrogen yang ditambahkan, menghasilkan PREN yang jauh lebih tinggi dan ketahanan pitting serta korosi celah yang jauh lebih baik di media yang mengandung klorida. Ia juga lebih tahan terhadap retak korosi tegangan dibandingkan 304 dalam banyak situasi.
• Baja non-stainless: tidak berlaku di sini, tetapi paduan non-stainless biasanya memerlukan perlindungan permukaan (galvanisasi, pengecatan, pelapisan) untuk menghindari korosi.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk

• Kemampuan mesin:
• 304: Kemampuan mesin sedang; ia mengeras dengan cepat, sehingga alat tajam, laju umpan yang terkontrol, dan pengendalian chip yang memadai sangat penting. Peringkat kemampuan mesin tipikal ~40–50% dari baja pemotong bebas.
• 2205: Lebih sulit untuk diproses karena kekuatan yang lebih tinggi dan pengerasan kerja; kecepatan pemotongan yang lebih rendah dan alat yang kokoh diperlukan. Umur alat biasanya lebih pendek dibandingkan dengan 304.
• Kemampuan bentuk:
• 304: Kemampuan bentuk dingin yang sangat baik dan kemampuan tarik yang dalam; banyak digunakan untuk komponen yang dibentuk dan pekerjaan tekan.
• 2205: Pembentukan terbatas dibandingkan dengan 304 karena kekuatan luluh yang lebih tinggi dan panjang regangan yang lebih rendah; pembentukan dingin yang parah berisiko retak dan harus dilakukan dengan hati-hati. Pembentukan hangat atau proses khusus dapat digunakan.
• Penyelesaian permukaan: Keduanya menerima penyelesaian standar (polishing, electropolishing). Duplex harus menghindari paparan berkepanjangan pada suhu yang memicu presipitasi intermetallic selama pemrosesan pasca.

8. Aplikasi Tipikal

Tipe 304 (penggunaan tipikal)	Tipe 2205 (penggunaan tipikal)
Peralatan pengolahan makanan, peralatan dapur, penukar panas untuk layanan non-klorida, panel arsitektur, tangki kimia untuk lingkungan ringan	Pipa dan wadah proses kimia dalam media yang mengandung klorida, sistem air laut dan desalinasi, komponen atas dan bawah minyak & gas, tangki cairan pulp & kertas
Pengikat, trim, ducting HVAC, fitting sanitasi	Wadah tekanan dan pipa di mana kekuatan yang lebih tinggi memungkinkan pengurangan ketebalan dinding, penukar panas di air payau atau air laut, fitting dan flens untuk lingkungan agresif
Komponen tahan korosi serbaguna di mana efisiensi biaya dan kemampuan bentuk adalah prioritas	Aplikasi yang memerlukan ketahanan pitting yang superior, ketahanan retak korosi tegangan yang lebih baik, dan kekuatan mekanik yang lebih tinggi

Alasan pemilihan: Pilih 304 ketika kemampuan bentuk yang sangat baik, kemampuan las, dan ekonomi adalah prioritas dan paparan klorida terbatas. Pilih 2205 ketika korosi pitting/celah yang disebabkan klorida atau kebutuhan untuk mengurangi ketebalan bagian dengan memanfaatkan kekuatan yang lebih tinggi mendorong keputusan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya: 2205 umumnya lebih mahal daripada 304 karena kandungan paduan yang lebih tinggi (Mo dan N), kontrol proses yang lebih ketat, dan volume produksi yang lebih kecil. Selisih harga bervariasi dengan kondisi pasar dan bentuk produk.
• Ketersediaan: 304 adalah salah satu grade stainless yang paling banyak tersedia di seluruh dunia dalam bentuk lembaran, plat, pipa, batang, dan pengikat. 2205 tersedia secara luas untuk plat, pipa, dan fitting dalam ukuran industri tetapi mungkin memiliki waktu tunggu yang lebih lama atau variasi terbatas untuk penyelesaian khusus atau pengikat diameter kecil.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel ringkasan (kualitatif):

Kriteria	304	2205
Kemampuan las	Sangat baik; toleran	Baik tetapi sensitif terhadap prosedur
Kekuatan–Ketangguhan	Kekuatan sedang, duktilitas & ketangguhan tinggi	Kekuatan tinggi, ketangguhan baik, kurang duktil
Ketahanan korosi (pitting/celah)	Terbatas di klorida	Superior di klorida
Biaya	Lebih rendah	Lebih tinggi
Kemampuan bentuk	Sangat baik	Terbatas

Rekomendasi: - Pilih 304 jika: - Anda memerlukan ketahanan korosi umum yang baik, kemampuan bentuk yang sangat baik, dan pengelasan yang sederhana dengan biaya terendah yang wajar. - Layanan melibatkan lingkungan makanan, sanitasi, atau kimia ringan tanpa paparan klorida yang berkepanjangan. - Kemudahan fabrikasi, ketersediaan, dan duktilitas adalah pendorong utama.

• Pilih 2205 jika:
• Komponen akan beroperasi di lingkungan yang mengandung klorida atau lingkungan agresif lainnya di mana pitting, korosi celah, atau retak korosi tegangan menjadi perhatian.
• Kekuatan mekanik yang lebih tinggi (memungkinkan ketebalan bagian yang lebih tipis atau peringkat tekanan yang lebih tinggi) diperlukan.
• Kinerja siklus hidup jangka panjang dalam media agresif membenarkan biaya material dan pemrosesan yang lebih tinggi; dan proyek dapat mengakomodasi prosedur pengelasan dan fabrikasi yang lebih terkontrol.

Catatan penutup: Pilihan yang tepat tergantung pada keseimbangan antara lingkungan korosi, persyaratan mekanik, kemampuan fabrikasi, dan biaya siklus hidup. Untuk sistem kritis, evaluasi menggunakan pengujian korosi lokal, kualifikasi prosedur las, dan model biaya siklus hidup daripada hanya menggunakan heuristik tingkat komposisi.