304 vs 309S – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

Memilih antara baja tahan karat austenitik 304 dan 309S adalah kompromi rekayasa yang sering terjadi yang menyeimbangkan ketahanan korosi, kinerja suhu tinggi, kemampuan pengelasan, dan biaya. Tim pengadaan dan manufaktur umumnya memilih 304 untuk ketahanan korosi dan kemampuan bentuk yang umum, sementara 309S dipilih di mana oksidasi suhu tinggi dan ketahanan skala menjadi perhatian utama.

Perbedaan mendasar adalah bahwa 309S dipadu untuk meningkatkan stabilitas suhu tinggi dan ketahanan oksidasi (kromium dan nikel yang lebih tinggi dengan karbon rendah), sedangkan 304 dioptimalkan untuk ketahanan korosi spektrum luas, kemampuan bentuk, dan efisiensi biaya. Karena keduanya adalah baja tahan karat austenitik, mereka sering dibandingkan ketika desain menghadapi tuntutan korosi dan suhu.

1. Standar dan Penunjukan

• ASTM/ASME:
• 304 — AISI/UNS S30400; ASTM A240 (pelat/lembar), A276 (batang), A312 (pipa) rentang.
• 309S — AISI/UNS S30908; ASTM A240 (grade 309S) untuk pelat/lembar, A312 untuk pipa.
• EN (Eropa): 304 sesuai dengan EN 1.4301/1.4306 (304L); 309S kira-kira sesuai dengan varian keluarga EN 1.4828 untuk grade suhu tinggi (catatan: pemetaan nama EN langsung bervariasi).
• JIS/GB: Standar lokal memberikan penunjukan yang setara (misalnya, SUS304 untuk 304).
• Klasifikasi: Keduanya adalah baja tahan karat austenitik (paduan tahan karat, tahan korosi). Mereka bukan baja karbon, baja alat, atau HSLA.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel di bawah ini mencantumkan batas/rentang komposisi tipikal menurut spesifikasi yang umum digunakan. Nilai-nilai adalah maksimum tipikal atau rentang nominal untuk grade komersial; konsultasikan lembar standar yang berlaku untuk batas material kontraktual.

Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Kromium (Cr): elemen utama untuk pasivasi dan ketahanan oksidasi. Kromium yang lebih tinggi di 309S meningkatkan ketahanan skala suhu tinggi dan ketahanan pitting di lingkungan suhu tinggi tertentu. - Nikel (Ni): menstabilkan struktur austenitik dan meningkatkan ketangguhan serta ketahanan korosi; nikel yang lebih tinggi di 309S menstabilkan austenit pada suhu tinggi dan meningkatkan kekuatan panas. - Karbon (C): karbon yang lebih rendah di 309S (“grade S”) mengurangi presipitasi karbida selama pengelasan dan meningkatkan ketahanan korosi intergranular; maksimum 304 lebih tinggi tetapi tetap terkontrol. - Silikon (Si) dapat meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi; mangan (Mn) berkontribusi pada deoksidasi dan perilaku pemrosesan dingin. - Ketidakhadiran molibdenum berarti tidak ada grade yang dioptimalkan untuk ketahanan pitting yang disebabkan oleh klorida dibandingkan dengan grade yang mengandung Mo (misalnya, 316).

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

• Mikrostruktur tipikal: Baik 304 maupun 309S pada dasarnya sepenuhnya austenitik (kubus berpusat muka) dalam kondisi annealed larutan. Mereka tidak berubah menjadi martensit pada suhu kamar di bawah kondisi annealing standar.
• Respons terhadap perlakuan panas:
• Anneal larutan (umum): panaskan hingga ~1010–1120°C diikuti dengan pendinginan cepat (air atau udara tergantung pada ukuran bagian) untuk mengembalikan struktur austenitik yang ulet dan rekristalisasi.
• Tidak ada grade yang diperkeras dengan pendinginan cepat dan tempering (tidak ada pengerasan martensitik); penguatan dicapai melalui kerja dingin (pengerasan regangan) atau dengan paduan.
• Pada suhu layanan yang tinggi, 309S mempertahankan stabilitas struktural dan lebih baik menahan skala dibandingkan 304 karena Cr dan Ni yang lebih tinggi. Paparan berkepanjangan dalam rentang sensitisasi (~450–850°C) dapat menyebabkan presipitasi karbida pada varian karbon yang lebih tinggi; karbon rendah 309S membantu menghindari sensitisasi intergranular.
• Proses termo-mekanis (penggulungan dingin + anneal) menghasilkan austenit yang halus dan ulet pada kedua grade; suhu rekristalisasi serupa tetapi komposisi 309S sedikit menggeser perilaku rekristalisasi.

4. Sifat Mekanis

Di bawah ini adalah rentang sifat mekanis yang representatif dalam kondisi annealed untuk produk lembaran/pelat. Ini adalah nilai tipikal; nilai aktual tergantung pada bentuk produk, penyelesaian, dan standar.

Interpretasi: - 309S umumnya menunjukkan kekuatan tarik dan kekuatan hasil yang sedikit lebih tinggi dalam kondisi annealed karena kandungan paduan yang lebih tinggi (penguatan larutan padat). - 304 biasanya sedikit lebih ulet dan lebih mudah dibentuk, dengan ketangguhan yang sangat baik pada suhu ambien dan rendah. - Perbedaan bersifat moderat; keputusan desain harus menggunakan data uji bersertifikat dari pemasok untuk analisis deterministik.

5. Kemampuan Pengelasan

• Baik 304 maupun 309S mudah dilas dengan logam pengisi austenitik standar; 309S sering digunakan sebagai pengisi atau overlay untuk menyambung baja yang berbeda atau untuk layanan suhu tinggi karena keseimbangan Cr/Ni yang lebih tinggi.
• Kerentanan terhadap retak las dan retak panas umumnya rendah untuk kedua grade, tetapi pilihan pengisi, desain sambungan, dan input panas sangat penting.
• Penggunaan kontrol karbon (309S rendah C) mengurangi risiko sensitisasi dan korosi intergranular setelah pengelasan.
• Indeks kemampuan pengelasan umum:
• Untuk ekuivalen karbon (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Untuk prediksi kemampuan pengelasan yang lebih luas:
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Interpretasi kualitatif: kedua grade memiliki ekuivalen karbon yang rendah dibandingkan dengan baja martensitik atau baja paduan kuat tinggi, sehingga pemanasan awal dan tindakan pencegahan pengelasan khusus jarang diperlukan. Untuk las kritis, bagian tebal, atau las yang mengalami stres siklik, konsultasikan spesifikasi prosedur pengelasan dan pertimbangkan logam pengisi yang cocok (misalnya, ER309L untuk menyambung 304 ke baja paduan tinggi).

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Perilaku tahan karat: Keduanya tahan karat (membentuk oksida kaya Cr yang melindungi), tetapi lingkungan dan rejim suhu menentukan kinerja relatif.
• PREN (untuk ketahanan pitting) terutama berlaku di mana Mo dan N berkontribusi secara signifikan. Sebagai referensi:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Karena Mo biasanya tidak ada dan N rendah, nilai PREN untuk 304 dan 309S adalah sedang; tidak ada yang dioptimalkan untuk pitting klorida yang parah dibandingkan dengan grade yang mengandung Mo.
• Perilaku korosi relatif:
• 304: Ketahanan korosi umum yang sangat baik di banyak lingkungan akuatik pada suhu ambien (pengolahan makanan, paparan bahan kimia umum).
• 309S: Ketahanan yang lebih baik terhadap oksidasi dan skala pada suhu tinggi (komponen tungku, tumpukan suhu tinggi). Dalam beberapa lingkungan korosif gas suhu tinggi, 309S mengungguli 304.
• Perlindungan permukaan non-tahan karat: Tidak berlaku untuk grade ini kecuali ketika pelapisan atau cat tambahan diinginkan untuk alasan keausan atau estetika. Untuk baja yang tidak tahan karat, galvanisasi atau pengecatan akan menjadi pilihan, tetapi untuk 304/309S fokusnya adalah pada pemeliharaan film pasif dan menghindari kontaminan (misalnya, klorida).

7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemampuan Bentuk

• Kemampuan bentuk: 304 lebih mudah dibentuk (penarikan dalam, pembengkokan) dibandingkan 309S karena sedikit lebih ulet dan laju pengerasan kerja yang lebih rendah. 309S mungkin memerlukan jari-jari bengkok yang lebih ketat dan lebih banyak tenaga; annealing sebelum pembentukan adalah praktik umum untuk 309S dalam aplikasi bentuk ketat.
• Kemudahan pemesinan: Keduanya lebih menantang untuk diproses dibandingkan dengan baja pemotongan bebas. 304 sedikit lebih mudah diproses dibandingkan 309S; alat, kecepatan, dan umpan harus disesuaikan; penggunaan cairan pemotong berat dan alat karbida dianjurkan.
• Penyelesaian: Keduanya menerima berbagai penyelesaian permukaan (diannealing cerah, direndam, dipasivasi). Rangkaian yang dilas biasanya memerlukan perendaman dan pasivasi untuk mengembalikan ketahanan korosi.

8. Aplikasi Tipikal

Alasan pemilihan: - Pilih 304 di mana ketahanan korosi umum, pembentukan, penyelesaian permukaan, dan biaya yang lebih rendah adalah syarat utama. - Pilih 309S di mana ketahanan oksidasi suhu tinggi yang berkelanjutan, ketahanan skala, atau pengelasan ke sistem paduan yang lebih tinggi diperlukan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya: 309S umumnya lebih mahal daripada 304 karena kandungan kromium dan nikel yang lebih tinggi. Harga pasar bervariasi dengan biaya nikel.
• Ketersediaan: 304 sangat umum dan tersedia dalam berbagai bentuk produk (lembar, pelat, gulungan, tabung, batang, kawat). 309S tersedia secara luas tetapi mungkin disimpan dalam kombinasi penyelesaian/grade yang lebih sedikit dan kadang-kadang dalam ukuran atau bentuk khusus yang lebih sedikit.
• Waktu tunggu: 304 sering memiliki waktu tunggu yang lebih pendek karena volume produksi yang lebih tinggi; untuk pesanan besar atau khusus dari 309S, konsultasikan pemasok lebih awal.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Rekomendasi: - Pilih 304 jika Anda memerlukan baja tahan karat yang ekonomis, sangat dapat dibentuk, dan tahan korosi secara luas untuk layanan suhu ambien hingga sedang (misalnya, pengolahan makanan, tangki penyimpanan, aplikasi arsitektur). - Pilih 309S jika aplikasi melibatkan suhu tinggi yang berkelanjutan, lingkungan oksidasi yang agresif, atau memerlukan pengisi/overlay untuk menyambung ke bahan paduan yang lebih tinggi — terutama di mana ketahanan skala dan kekuatan suhu tinggi diprioritaskan dibandingkan dengan kemudahan pembentukan dan biaya.

Catatan penutup: kedua grade adalah baja tahan karat austenitik dengan kemampuan yang tumpang tindih; spesifikasi harus diselesaikan berdasarkan suhu layanan aktual, spesies korosif, metode fabrikasi, dan laporan uji material bersertifikat dari pemasok.