304 vs 304H – Komposisi, Perlakuan Panas, Properti, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Jenis 304 dan jenis 304H stainless steel adalah dua grade stainless austenitik yang banyak digunakan di industri proses, bejana tekan, dan fabrikasi umum. Insinyur dan profesional pengadaan biasanya mempertimbangkan ketahanan korosi, kemampuan pengelasan, kemampuan pembentukan, kinerja suhu tinggi, dan biaya saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum termasuk menentukan material untuk bejana tekan yang dilas, memilih pipa untuk penukar panas, atau memilih lembaran untuk fabrikasi umum.
Fitur pembeda utama antara kedua grade adalah kandungan karbon: 304H memiliki komposisi karbon yang lebih tinggi dibandingkan dengan 304 standar. Perubahan tunggal itu menggeser kinerja dengan cara yang dapat diprediksi—yang paling penting meningkatkan kekuatan dan ketahanan creep pada suhu tinggi sambil meningkatkan risiko presipitasi karbida dan sensitisasi terkait selama siklus termal tertentu. Karena 304 dan 304H sangat mirip (matriks austenitik yang sama distabilkan oleh kromium dan nikel), mereka dibandingkan ketika desain memerlukan keseimbangan antara kinerja mekanis suhu tinggi versus ketahanan korosi, kemampuan pengelasan, dan kemampuan pembentukan.
1. Standar dan Penunjukan
Standar spesifikasi utama yang mencakup 304 dan 304H meliputi: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (pelat, lembaran), ASTM A312 (pipa tanpa sambungan dan dilas), ASTM A269 (pipa yang ditempa), dll. - EN: Seri EN 10088 untuk stainless steel (EN 1.4301 sesuai dengan 304). - JIS: JIS G4303 / JIS G4305 (stainless steel; ekuivalen). - GB: GB/T 1220 dan standar Cina terkait untuk stainless steel.
Klasifikasi: - Baik 304 maupun 304H adalah stainless steel (austenitik). Mereka bukan baja karbon, baja alat, atau grade HSLA. - Mereka ditentukan dan digunakan sebagai paduan stainless (tahan korosi) daripada baja karbon struktural.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut merangkum rentang komposisi tipikal dari standar umum (nilai diberikan dalam persen berat, dan dimaksudkan sebagai rentang standar yang tipikal daripada sertifikat pabrik tertentu).
| Elemen | 304 (rentang tipikal) | 304H (rentang tipikal) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | 0.04 – 0.10 wt% |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.045 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Cr | ~18.0 – 20.0 wt% | ~18.0 – 20.0 wt% |
| Ni | ~8.0 – 10.5 wt% | ~8.0 – 11.0 wt% |
| Mo | Tidak ditentukan (biasanya ≈ 0) | Tidak ditentukan (biasanya ≈ 0) |
| V, Nb, Ti, B | Tidak ditentukan / hanya jejak | Tidak ditentukan / hanya jejak |
| N | Jejak (biasanya ≤ 0.11) | Jejak (biasanya ≤ 0.11) |
Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Kromium (Cr) menyediakan ketahanan korosi dengan membentuk film oksida pelindung dan merupakan elemen paduan utama untuk perilaku stainless. - Nikel (Ni) menstabilkan fase austenitik dan meningkatkan ketangguhan serta kemampuan pembentukan. - Karbon (C) memperkuat austenit melalui penguatan larutan padat dan dapat membentuk karbida kromium (Cr23C6) selama paparan suhu yang memicu sensitisasi; peningkatan C di 304H meningkatkan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep tetapi meningkatkan risiko sensitisasi. - Mangan (Mn) dan silikon (Si) adalah stabilisator austenit minor dan deoksidator; sulfur dan fosfor adalah elemen pengotor yang dikendalikan pada tingkat rendah untuk menjaga ketangguhan dan ketahanan korosi.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Baik 304 maupun 304H sepenuhnya austenitik (kubus berpusat muka) dalam kondisi annealed larutan pada suhu ambien. Di bawah pemrosesan standar (penggulungan panas, annealing larutan, pendinginan udara), mikrostruktur adalah austenit homogen dengan kemungkinan batas kembar dan beberapa kembar annealing.
Perbedaan mikrostruktural kunci dan respons perlakuan panas: - 304 (C lebih rendah) kurang rentan terhadap pembentukan karbida kromium selama pendinginan lambat atau paparan suhu menengah; annealing larutan di atas ~1.040–1.100 °C diikuti dengan pendinginan cepat mengembalikan matriks austenitik bebas karbida. - 304H (C lebih tinggi) memiliki gaya pendorong yang lebih besar untuk presipitasi karbida kromium ketika terpapar dalam rentang sensitisasi (~450–850 °C). Presipitasi karbida terjadi di batas butir dan dapat mengurangi kromium secara lokal, mengurangi ketahanan korosi intergranular. - Tidak ada grade yang mengeras dengan quench-and-temper seperti baja martensitik; mereka tidak dapat diperlakukan panas untuk kekuatan melalui transformasi konvensional. Penyesuaian kekuatan dicapai melalui pengerjaan dingin atau dengan menentukan karbon yang lebih tinggi (304H) untuk kekuatan suhu tinggi. - Pemrosesan termo-mekanis (pekerjaan dingin, jadwal annealing) mempengaruhi kepadatan dislokasi, ukuran butir, dan tekstur dengan cara yang sama untuk kedua grade. Annealing pada suhu pelarutan akan melarutkan karbida jika ditahan dan dikuenching dengan tepat; pendinginan lambat setelah pengelasan atau layanan berkepanjangan pada suhu menengah mendorong presipitasi karbida di 304H lebih mudah dibandingkan di 304.
4. Sifat Mekanis
Kedua baja memberikan duktilitas dan ketangguhan yang baik dalam kondisi annealed; 304H umumnya menawarkan kekuatan yang sedikit lebih tinggi, terutama pada suhu tinggi, yang disebabkan oleh karbonnya yang lebih tinggi.
| Sifat | 304 | 304H |
|---|---|---|
| Kekuatan Tarik (relatif) | Tingkat austenitik standar | Agak lebih tinggi (terutama pada suhu tinggi) |
| Kekuatan Luluh (relatif) | Dasar untuk austenitik seri 300 | Agak lebih tinggi dari 304 |
| Panjang / Duktibilitas | Duktibilitas tinggi; kemampuan pembentukan yang baik | Duktibilitas sedikit berkurang dibandingkan 304 |
| Ketangguhan Impak | Bagus pada suhu ambien | Sebanding pada suhu ambien jika tidak tersensitisasi; berkurang jika presipitasi karbida terjadi |
| Kekerasan | Kekerasan austenitik annealed yang tipikal | Agak lebih tinggi dalam kondisi annealed karena C |
Penjelasan: - Pada suhu kamar, perbedaan relatif kecil—kedua grade menunjukkan kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang serupa dengan perpanjangan tinggi. 304H biasanya menghasilkan nilai tarik dan luluh yang sedikit lebih tinggi karena karbon adalah penguat larutan padat. - Pada suhu tinggi atau dalam kondisi creep, 304H mempertahankan kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan 304 dan oleh karena itu ditentukan untuk layanan bejana tekan pada suhu yang lebih tinggi yang diizinkan. - Jika 304H terpapar pada siklus termal yang memicu sensitisasi (misalnya, pengelasan tanpa perlakuan panas pasca pengelasan yang tepat atau layanan berkepanjangan dalam rentang 450–850 °C), korosi intergranular dan ketangguhan yang berkurang dapat terjadi akibat presipitasi karbida kromium.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan 304 dan 304H umumnya baik; keduanya mudah dilas dengan proses umum (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Namun, tingkat karbon mempengaruhi risiko sensitisasi dan sifat HAZ.
Indeks karbon-ekivalen/keseluruhan yang relevan: - Diinterpretasikan secara kualitatif menggunakan IIW karbon ekuivalen: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Untuk stainless steel, pengaruh komposisi yang lebih kompleks dapat dinyatakan dengan $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - 304 (C lebih rendah) memiliki kontribusi $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ dari karbon yang lebih rendah dibandingkan 304H, yang berarti 304 kurang mungkin membentuk mikrostruktur keras dan rapuh di HAZ dan kurang sensitif terhadap korosi intergranular dari pengelasan jika pengisi dan prosedur yang tepat digunakan. - Karbon yang lebih tinggi pada 304H meningkatkan potensi pengerasan selama siklus termal yang cepat dan meningkatkan risiko sensitisasi di dalam dan dekat zona yang terpengaruh panas (HAZ) jika karbida batas butir austenit terbentuk. Untuk pekerjaan pengelasan bejana tekan pada suhu tinggi, 304H sering ditentukan untuk memenuhi persyaratan stres yang diizinkan; pemilihan pengisi dan praktik pengelasan (misalnya, penggunaan grade yang distabilkan atau annealing larutan pasca pengelasan jika memungkinkan) mengurangi risiko. - Pemanasan awal umumnya tidak diperlukan untuk stainless steel austenitik ini, tetapi kontrol input panas dan pemilihan logam pengisi yang sesuai (misalnya, grade yang cocok atau karbon rendah/distabilkan) adalah pertimbangan penting untuk 304H untuk menghindari kerapuhan atau korosi intergranular.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Kedua 304 dan 304H tahan korosi dalam berbagai lingkungan karena pasivasi kromium. Keduanya tidak mengandung molibdenum, sehingga mereka kurang tahan terhadap pitting klorida dibandingkan grade yang mengandung Mo (misalnya, 316).
- Peningkatan karbon di 304H membuat sensitisasi dan korosi intergranular menjadi perhatian praktis jika material terpapar pada suhu yang memicu sensitisasi tanpa kontrol yang memadai. Untuk aplikasi di mana ketahanan korosi intergranular sangat penting setelah pengelasan, 304L karbon rendah atau grade yang distabilkan (321, 347) mungkin lebih disukai.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) adalah metrik yang berguna untuk ketahanan pitting di mana Mo dan N hadir: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Untuk 304/304H, Mo ≈ 0 dan N rendah, sehingga PREN relatif rendah; PREN lebih berarti untuk austenitik duplex atau yang mengandung Mo.
- Perlindungan permukaan untuk substrat non-stainless (tidak berlaku di sini) akan mencakup galvanisasi atau pelapisan; untuk stainless, penyelesaian permukaan dan perlakuan pasivasi sering digunakan untuk memaksimalkan umur layanan.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan pembentukan: 304 (karbon lebih rendah) sedikit lebih baik untuk penarikan dalam dan pembentukan karena duktibilitas yang sedikit lebih besar dan sensitivitas pengerasan kerja yang lebih rendah terkait dengan sensitisasi setelah pemanasan selanjutnya. Keduanya baik untuk operasi pembentukan jika alat yang sesuai dan praktik pembentukan bertahap digunakan.
- Kemudahan pemesinan: Stainless steel austenitik umumnya lebih sulit untuk diproses dibandingkan baja karbon karena pengerasan kerja dan konduktivitas termal yang rendah. 304H dapat sedikit lebih menantang untuk diproses dibandingkan 304 karena karbonnya yang lebih tinggi dan kekuatan yang dihasilkan yang lebih tinggi menyebabkan peningkatan gaya pemotongan dan keausan alat. Menggunakan alat yang tajam, pengaturan yang kaku, dan pelumas yang sesuai mengurangi masalah.
- Penyelesaian permukaan: Keduanya dipoles dan elektropolished dengan cara yang serupa; namun 304H mungkin memerlukan kontrol yang lebih hati-hati terhadap paparan termal selama penyelesaian untuk menghindari presipitasi karbida jika material dipanaskan.
8. Aplikasi Tipikal
| 304 (penggunaan umum) | 304H (penggunaan umum) |
|---|---|
| Peralatan pengolahan makanan, wastafel, peralatan dapur, trim arsitektur | Bejana tekan dan boiler di mana stres yang diizinkan lebih tinggi pada suhu tinggi diperlukan |
| Pipa dan tangki proses kimia di lingkungan ringan | Pipa superheater dan reheater dalam aplikasi boiler (di mana kekuatan creep yang lebih tinggi dibutuhkan) |
| Penukar panas, pipa sanitasi, pengikat | Komponen yang diproduksi di furnace dan suhu tinggi di mana suhu operasional lebih tinggi |
| Fabrikasi umum, komponen bangunan dekoratif | Aplikasi yang memerlukan sifat mekanis austenitik karbon lebih tinggi pada suhu tinggi |
Rasional pemilihan: - Pilih 304 ketika ketahanan korosi umum, kemampuan pembentukan, dan kemampuan pengelasan pada suhu layanan normal adalah persyaratan dominan dan ketika meminimalkan risiko sensitisasi setelah pengelasan penting. - Pilih 304H ketika desain memerlukan stres yang diizinkan lebih tinggi atau kekuatan yang lebih baik pada suhu tinggi (misalnya, bejana tekan yang beroperasi di atas ambang batas 300 °C yang tipikal), dan ketika proyek menentukan kontrol fabrikasi yang sesuai untuk mengelola risiko sensitisasi dan korosi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- 304 adalah salah satu grade stainless yang paling umum di seluruh dunia dan tersedia secara luas dalam bentuk pelat, lembaran, gulungan, pipa, dan batang. Biayanya biasanya kompetitif dalam keluarga seri 300.
- 304H adalah varian yang diakui dan tersedia dalam bentuk produk yang umum digunakan untuk layanan suhu tinggi (pelat, pipa untuk boiler, dan komponen tekanan). Ini kurang umum disimpan di pasar komoditas generik dibandingkan 304 dan dapat membawa premium yang moderat tergantung pada praktik penyimpanan regional dan kebutuhan untuk sertifikasi pabrik tertentu dari kandungan karbon.
- Waktu pengiriman dan ketersediaan tergantung pada bentuk produk (lembaran/pelat versus pipa tanpa sambungan) dan sertifikasi yang diperlukan untuk layanan bejana tekan atau suhu tinggi.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Aspek | 304 | 304H |
|---|---|---|
| Kemampuan Pengelasan | Luar biasa; risiko sensitisasi lebih rendah | Baik, tetapi risiko sensitisasi lebih tinggi; memerlukan kontrol prosedural |
| Kekuatan–Ketangguhan | Keseimbangan yang baik; duktibilitas yang luar biasa | Kekuatan lebih tinggi pada suhu tinggi; duktibilitas sedikit lebih rendah jika dibandingkan langsung |
| Biaya & Ketersediaan | Tersedia luas; umumnya biaya lebih rendah | Tersedia untuk aplikasi tekanan-suhu; mungkin membawa premium |
Kesimpulan: - Pilih 304 jika Anda membutuhkan ketahanan korosi umum yang sangat baik, kemampuan fabrikasi dan pembentukan yang unggul, dan risiko sensitisasi minimal dari proses pengelasan normal. 304 adalah default praktis untuk peralatan sanitasi, aplikasi arsitektur, dan banyak kasus layanan kimia pada suhu ambien hingga sedang. - Pilih 304H jika desain memerlukan stres yang diizinkan lebih tinggi atau ketahanan yang lebih baik terhadap deformasi pada suhu layanan yang tinggi (misalnya, bejana tekan, boiler, penukar panas yang beroperasi pada suhu lebih tinggi), dan Anda dapat menerima dan mengelola risiko presipitasi karbida yang lebih besar melalui prosedur pengelasan yang sesuai, perlakuan pasca pengelasan jika memungkinkan, atau dengan memilih logam pengisi yang kompatibel dan praktik fabrikasi.
Jika ketahanan creep suhu tinggi dan tabel stres yang diizinkan mengatur pemilihan material (kode ASME, spesifikasi bejana tekan), konsultasikan kode yang berlaku untuk grade dan suhu yang diperlukan; dalam banyak kasus 304H akan muncul di mana batas stres yang diizinkan 304 tidak mencukupi untuk suhu layanan yang dimaksud.