304 vs 304L – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Baja tahan karat 304 dan 304L adalah salah satu jenis austenitik yang paling banyak ditentukan dalam rekayasa, manufaktur, dan pengadaan. Insinyur dan manajer pengadaan biasanya mempertimbangkan ketahanan korosi, kemampuan pengelasan, kekuatan mekanik, dan biaya saat memilih di antara keduanya. Perencana manufaktur juga harus mempertimbangkan fabrikasi hilir: pengelasan berat, perlakuan pasca pengelasan, pembentukan, dan persyaratan penyelesaian permukaan.
Perbedaan praktis utama adalah kandungan karbon: 304L adalah varian karbon rendah dari 304, dirancang untuk mengurangi risiko presipitasi karbida kromium (sensitisasi) selama pengelasan dan paparan suhu tinggi. Perbedaan itulah yang membuat 304 dan 304L sering dibandingkan — keduanya memberikan kinerja korosi dan mikrostruktur yang hampir sama, tetapi karbon yang lebih rendah pada 304L meningkatkan kinerja dalam rakitan dan komponen yang tidak dapat diannealing larutan setelah fabrikasi.
1. Standar dan Penunjukan
Standar utama dan penunjukan umum: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA240 (plat, lembaran, strip untuk bejana tekan dan penggunaan umum). - EN: Seri EN 10088 (baja tahan karat — berbagai standar produk). - JIS: SUS304 dan SUS304L. - GB: 0Cr18Ni9 (304) dan 0Cr18Ni9L (304L) setara dalam standar Tiongkok.
Klasifikasi material: - Baik 304 maupun 304L adalah baja tahan karat austenitik (tahan karat, non-ferromagnetik saat sepenuhnya austenitik). - Mereka bukan baja karbon, baja alat, atau HSLA; mereka adalah paduan stainless yang tahan korosi.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Rentang komposisi tipikal (wt%) yang digunakan dalam spesifikasi; maksimum/minimum yang diizinkan sebenarnya bervariasi sedikit menurut standar:
| Elemen | 304 (tipikal/rentang spesifikasi) | 304L (tipikal/rentang spesifikasi) |
|---|---|---|
| Karbon (C) | ≤ 0.08% | ≤ 0.03% |
| Mangan (Mn) | ≤ 2.0% | ≤ 2.0% |
| Silikon (Si) | ≤ 1.0% | ≤ 1.0% |
| Fosfor (P) | ≤ 0.045% | ≤ 0.045% |
| Belerang (S) | ≤ 0.03% | ≤ 0.03% |
| Kromium (Cr) | 18.0–20.0% | 18.0–20.0% |
| Nikel (Ni) | 8.0–10.5% | 8.0–12.0% |
| Molybdenum (Mo) | ≤ 0.10% (umumnya tidak ada) | ≤ 0.10% |
| Nitrogen (N) | ≤ 0.10% (jejak) | ≤ 0.10% |
| Nb, Ti, V, B | jejak / umumnya tidak ditambahkan | jejak / umumnya tidak ditambahkan |
Strategi paduan dan efek: - Kromium memberikan film oksida pasif yang memberikan ketahanan korosi pada baja tahan karat. Kandungan Cr yang tipikal (≈18–20%) mendefinisikan baja tahan karat “18-8”. - Nikel menstabilkan struktur austenitik (FCC), meningkatkan ketangguhan dan duktilitas, serta memperbaiki kemampuan pembentukan. - Karbon sedikit meningkatkan kekuatan dan kekerasan tetapi dengan risiko sensitisasi di rentang 425–850°C; karbon bereaksi dengan kromium untuk membentuk karbida kromium di batas butir, secara lokal menghabiskan Cr dan mengurangi ketahanan korosi. - 304L mengurangi karbon untuk mengontrol presipitasi karbida selama pengelasan; rentang nikel dapat disesuaikan sedikit untuk menjaga stabilitas austenit. - Mangan dan silikon adalah deoksidator dan kontributor kekuatan minor; nitrogen, jika ada, dapat secara bertahap meningkatkan kekuatan dan ketahanan terhadap pitting.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur: - Kedua jenis pada dasarnya sepenuhnya austenitik (kubus berpusat wajah) dalam kondisi annealed. Austenit memberikan duktilitas dan ketangguhan yang sangat baik pada suhu kriogenik hingga suhu tinggi. - Baik 304 maupun 304L tidak merespons pengerasan quench-and-temper konvensional karena mereka austenitik dan tidak berubah menjadi martensit dengan perlakuan panas. Penguatan dicapai terutama melalui kerja dingin (penguatan regangan).
Perlakuan panas dan evolusi mikrostruktur: - Annealing larutan (rentang tipikal: $1010^\circ\text{C}$–$1150^\circ\text{C}$) melarutkan presipitat, mengembalikan duktilitas, dan mengembalikan ketahanan korosi; pendinginan cepat (quenching ke air atau udara) diperlukan untuk menghindari presipitasi karbida. - Sensitisasi: paparan dalam rentang sekitar $425^\circ\text{C}$–$850^\circ\text{C}$ dapat mempresipitasi karbida kromium di batas butir. 304 lebih rentan dibandingkan 304L karena kandungan karbon yang lebih tinggi; 304L ditentukan ketika annealing larutan pasca pengelasan tidak praktis. - Paparan lama di atas ~600°C juga dapat mempromosikan fase sigma atau intermetalik lainnya dalam varian yang sangat dikerjakan dingin atau dipaduan; ini tidak umum dalam layanan standar 304/304L tetapi harus dipertimbangkan untuk layanan suhu tinggi.
Rute pemrosesan: - Normalisasi bukanlah operasi penguatan yang berarti untuk jenis austenitik ini. - Rute termo-mekanis (penggulungan dingin, annealing) mengontrol ukuran butir dan tekstur untuk produk lembaran atau strip; anneal akhir memperbaiki mikrostruktur austenitik.
4. Sifat Mekanik
Minimum sifat mekanik tipikal (kondisi annealed), biasanya ditentukan dalam standar produk:
| Sifat | 304 (annealed, tipikal) | 304L (annealed, tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (Rm) | ≈ 515 MPa (min) | ≈ 485 MPa (min) |
| Kekuatan luluh 0.2% (Rp0.2) | ≈ 205 MPa (min) | ≈ 170 MPa (min) |
| Panjang regangan (A) | ≥ 40% (dalam 50 mm) | ≥ 40% (dalam 50 mm) |
| Ketangguhan impak (suhu ruang) | Ketangguhan duktil tinggi | Ketangguhan duktil tinggi |
| Kekerasan (HB / HRB) | Perilaku penguatan regangan sedang | Kekerasan awal sedikit lebih rendah |
Interpretasi: - 304 biasanya menunjukkan kekuatan luluh dan tarik minimum yang sedikit lebih tinggi dibandingkan 304L karena kandungan karbon yang lebih tinggi. Dalam praktiknya, perbedaannya moderat dan keduanya bersifat duktil dan tangguh. - Kedua jenis mempertahankan ketangguhan yang sangat baik hingga suhu kriogenik; keduanya tidak rapuh pada suhu layanan yang biasanya ditemui dalam industri. - Perbedaan kekuatan paling relevan di mana desain mendekati batas tegangan yang diizinkan atau di mana pengurangan kekuatan pasca pengelasan menjadi faktor.
5. Kemampuan Pengelasan
Faktor kemampuan pengelasan: - Karbon rendah mengurangi kecenderungan untuk membentuk karbida kromium di batas butir selama pendinginan melalui rentang sensitisasi. Oleh karena itu, karbon yang lebih rendah mengurangi kerentanan terhadap korosi intergranular setelah pengelasan. - Kemampuan pengerasan pada baja tahan karat austenitik rendah; mereka tidak membentuk struktur martensitik yang keras saat pendinginan, sehingga retak dari fase keras bukanlah perhatian utama. Namun, kerja dingin dan siklus termal dapat menciptakan martensit yang diinduksi regangan pada 304 dalam kondisi tertentu; 304L, dengan komposisi yang sedikit berbeda, mungkin sedikit kurang rentan terhadap martensit yang diinduksi regangan.
Indeks kemampuan pengelasan yang berguna (interpretasi kualitatif): - Setara karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Setara korosi pitting (Pcm) untuk penilaian kemampuan pengelasan: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi: - Karbon yang lebih rendah $C$ mengurangi baik $CE_{IIW}$ maupun $P_{cm}$, menunjukkan sensitivitas retak panas yang berkurang dan risiko segregasi/sensitisasi yang lebih rendah selama pengelasan. - Dalam praktiknya, 304L biasanya lebih mudah dilas dalam sambungan las besar yang intensif panas karena kandungan karbon yang lebih rendah mengurangi risiko korosi intergranular tanpa memerlukan annealing larutan pasca pengelasan. - Saat mengelas 304 (karbon lebih tinggi), desainer sering mengontrol input panas, menggunakan logam pengisi dengan stabilisator (misalnya, Ti atau Nb dalam beberapa pengisi), atau melakukan annealing larutan pasca pengelasan ketika ketahanan korosi zona las harus sama dengan logam dasar.
Catatan praktik pengelasan: - Gunakan logam pengisi yang sesuai atau rendah karbon tergantung pada layanan dan persyaratan korosi. - Minimalkan waktu tunda di rentang sensitisasi dan gunakan pendinginan cepat atau kontrol pemanasan lokal. - Untuk lingkungan korosif yang kritis, 304L atau jenis yang distabilkan (misalnya, 321, 347) lebih disukai ketika annealing larutan pasca pengelasan tidak praktis.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
Perilaku korosi: - Baik 304 maupun 304L bergantung pada film pasif kaya kromium untuk ketahanan korosi umum di lingkungan atmosfer, sedikit asam, dan alkali. - Ketahanan terhadap pitting dan korosi celah terbatas karena keduanya tidak memiliki molybdenum; oleh karena itu, dalam klorida atau lingkungan laut yang agresif, jenis paduan yang lebih tinggi (316, duplex, dll.) lebih disukai.
Relevansi PREN: - PREN digunakan untuk menilai ketahanan terhadap pitting klorida; untuk jenis ini: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Untuk 304/304L, Mo pada dasarnya nol atau sangat rendah dan N rendah; nilai PREN moderat, sehingga tidak ada jenis yang direkomendasikan untuk lingkungan klorida yang parah.
Sensitisasi dan korosi intergranular: - Kekhawatiran korosi utama di mana 304 dapat dirugikan adalah korosi intergranular setelah pengelasan atau paparan berkepanjangan dalam rentang suhu kritis di mana karbida kromium mempresipitasi. - Karbon rendah 304L mengurangi pembentukan karbida dan dengan demikian menurunkan risiko korosi intergranular di zona las.
Perlindungan permukaan untuk baja non-tahan karat: - Tidak berlaku di sini; untuk baja karbon non-tahan karat, galvanisasi atau pelapisan adalah umum. Untuk 304/304L, pasivasi permukaan (pasivasi asam nitrat atau asam sitrat) dan pengasaman adalah umum untuk mengembalikan atau meningkatkan film pasif setelah fabrikasi.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemampuan Pembentukan
Pembentukan dan pembengkokan: - Kedua jenis menunjukkan kemampuan pembentukan dingin yang sangat baik; 304L mungkin sedikit lebih mudah dibentuk karena kekuatan luluh yang sedikit lebih rendah. - Semua baja tahan karat austenitik mengeras dengan cepat; operasi pembentukan sering memerlukan anneal perantara untuk deformasi yang parah.
Kemudahan pemesinan: - Baja tahan karat austenitik lebih sulit untuk diproses dibandingkan baja karbon karena duktilitas tinggi dan pengerasan kerja. 304 dan 304L memiliki kemudahan pemesinan yang serupa; kontrol proses (alat kaku, insert tajam, kontrol chip yang memadai, dan pelumas/pendingin) sangat penting. - Kekuatan 304L yang sedikit lebih rendah dapat sedikit mengurangi gaya pemotongan pada beberapa operasi.
Penyelesaian permukaan: - Kedua jenis dapat dipoles, dipasivasi, diperlakukan secara elektrokimia, dan dibersihkan dengan pasir untuk mencapai penyelesaian permukaan yang diperlukan. 304L sering digunakan untuk rakitan las di mana penyelesaian yang konsisten di seluruh las diperlukan tanpa annealing larutan.
8. Aplikasi Tipikal
| 304 — Penggunaan Tipikal | 304L — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Peralatan dapur, pengolahan makanan, pabrik minuman | Bejana dan pipa las berat di pabrik kimia |
| Trim arsitektur, panel dekoratif | Tangki penyimpanan dan bejana las di mana annealing pasca las tidak praktis |
| Penukar panas (lingkungan ringan) | Pipa dan tangki limbah dan air kotor dengan pengelasan yang luas |
| Pengikat, pegas (di mana ketahanan korosi dan kekuatan diperlukan) | Sistem las farmasi dan biotek yang memerlukan ketahanan korosi di las |
| Trim otomotif, barang konsumen | Bejana tekan dan pipa dengan volume las besar di mana risiko sensitisasi menjadi perhatian |
Alasan pemilihan: - Pilih 304 di mana kekuatan minimum yang lebih tinggi dan biaya material yang sedikit lebih rendah dapat diterima dan di mana pengelasan terbatas atau annealing pasca pengelasan mungkin dilakukan. - Pilih 304L di mana pengelasan berat, ketidakmampuan untuk annealing larutan setelah fabrikasi, atau layanan dalam kondisi pasca las yang sedikit lebih korosif diharapkan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Kedua jenis tersedia secara luas di seluruh dunia dalam bentuk plat, lembaran, strip, tabung, dan batang.
- 304 biasanya adalah yang paling umum dan, di banyak pasar, sedikit lebih murah karena volume produksi yang lebih luas dan kontrol karbon yang kurang ketat.
- 304L dapat memiliki sedikit premium karena kontrol karbon yang lebih ketat selama peleburan dan pemrosesan, tetapi premium sering kali kecil dibandingkan dengan total biaya fabrikasi ketika menghilangkan perlakuan panas pasca las yang mahal.
- Waktu tunggu dan ketersediaan umumnya sangat baik untuk keduanya dalam bentuk produk standar; untuk item fabrikasi yang sangat besar atau sertifikasi pabrik khusus, dampak jadwal harus diverifikasi dengan pemasok.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | 304 | 304L |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan (ketahanan terhadap sensitisasi) | Baik; memerlukan perhatian untuk las berat | Lebih baik untuk sambungan las berat dan di mana PWHT tidak dilakukan |
| Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan minimum sedikit lebih tinggi; ketangguhan sama tinggi | Kekuatan minimum sedikit lebih rendah; ketangguhan sama tinggi |
| Biaya | Biasanya sedikit lebih rendah | Biasanya sedikit lebih tinggi tetapi sering kali efektif biaya untuk sistem las |
Rekomendasi: - Pilih 304 jika: desain Anda mendapatkan manfaat dari kekuatan minimum yang sedikit lebih tinggi dan Anda dapat mengontrol praktik pengelasan (input panas rendah, penggunaan logam pengisi yang sesuai) atau melakukan annealing larutan setelah pengelasan untuk mengembalikan ketahanan korosi. - Pilih 304L jika: komponen atau pipa akan memiliki pengelasan yang luas, annealing larutan pasca pengelasan tidak praktis, atau ada kekhawatiran tentang korosi intergranular di sambungan las. 304L sering kali merupakan pilihan yang lebih aman dan berisiko lebih rendah untuk bejana tekan las, tangki penyimpanan, dan pipa berat di mana menjaga ketahanan korosi di dan dekat zona yang terpengaruh panas las sangat penting.
Catatan penutup: Baik 304 maupun 304L adalah baja tahan karat austenitik yang kuat dan banyak ditentukan. Keputusan desain biasanya bergantung pada praktik pengelasan dan penerimaan trade-off kecil dalam kekuatan minimum untuk meningkatkan ketahanan korosi setelah pengelasan. Untuk layanan kritis atau yang terpapar klorida, pertimbangkan jenis stainless yang lebih tinggi (mengandung Mo) atau alternatif duplex.