304 vs 309S – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali menghadapi pilihan antara baja tahan karat AISI 304 dan 309S saat menentukan komponen untuk layanan yang korosif atau suhu tinggi. Keputusan ini sering kali memperdagangkan ketahanan korosi dan biaya (304 ekonomis dan sangat tahan korosi pada suhu ambien) melawan stabilitas suhu tinggi dan ketahanan oksidasi (309S dipilih untuk aplikasi suhu tinggi). Konteks keputusan yang khas termasuk pemilihan bahan untuk pipa proses, komponen tungku, sistem knalpot, atau rakitan las yang mengalami suhu tinggi secara intermiten atau berkelanjutan.
Perbedaan teknis utama antara dua jenis stainless austenitik ini adalah strategi paduannya: 309S mengandung kromium dan nikel yang jauh lebih tinggi dibandingkan 304, dan spesifikasi karbon yang lebih rendah (akhiran “S” menunjukkan karbon rendah). Keseimbangan paduan tersebut memberikan 309S kekuatan oksidasi dan suhu tinggi yang lebih baik, sementara 304 tetap menjadi pilihan default untuk ketahanan korosi umum, kemampuan dibentuk, dan aplikasi yang sensitif terhadap biaya.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar umum:
- ASTM/ASME: A240 / ASME SA240 (plat, lembaran) — Tipe 304 dan 309S terdaftar.
- EN/ISO: Seri EN 10088 (berbagai penunjukan tergantung pada bentuk produk).
- JIS/GB: Standar Jepang dan Cina memiliki grade yang sesuai (SUS304; setara SUS309S).
- Klasifikasi:
- 304: Baja tahan karat austenitik (tahan karat).
- 309S: Baja tahan karat austenitik (tahan karat), varian paduan tinggi, karbon rendah yang ditujukan untuk layanan suhu tinggi.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut menunjukkan batas dan rentang komposisi yang khas yang dirujuk oleh spesifikasi umum (nilai adalah maksimum atau rentang nominal yang digunakan dalam standar industri):
| Elemen | 304 (batas tipikal) | 309S (batas tipikal) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | ≤ 0.03 wt% (karbon rendah “S”) |
| 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% | 22.0–24.0 wt% |
| Ni | 8.0–10.5 wt% | 12.0–15.0 wt% |
| Mo | biasanya tidak ada | biasanya tidak ada |
| V, Nb, Ti, B | jejak/tidak ada | jejak/tidak ada |
| N | ≤ ~0.10 wt% | ≤ ~0.10 wt% |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Kromium: elemen utama untuk ketahanan oksidasi dan stabilitas film pasif. Kromium yang lebih tinggi di 309S meningkatkan daya rekat skala oksida suhu tinggi dan ketahanan terhadap atmosfer pengoksidasi yang agresif. - Nikel: menstabilkan fase austenitik, meningkatkan duktilitas dan ketangguhan suhu tinggi; nikel yang lebih tinggi di 309S meningkatkan stabilitas termal dan ketahanan creep pada suhu tinggi. - Karbon: karbon yang lebih rendah di 309S (“S” grade) meminimalkan presipitasi karbida dan meningkatkan ketahanan terhadap sensitisasi selama pengelasan dan paparan suhu tinggi. - Silikon dan elemen minor mempengaruhi perilaku skala oksidasi; silikon dalam jumlah kecil dapat meningkatkan daya rekat skala pada suhu tinggi.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Baik 304 maupun 309S sepenuhnya austenitik (kubus berpusat muka) dalam kondisi annealed. Mereka tidak berubah menjadi ferit atau martensit di bawah siklus termal normal pada suhu ruangan.
- Mikrostruktur di bawah pemrosesan standar:
- Annealed: austenit equiaxed dengan kembar annealing. Ukuran butir tergantung pada suhu anneal akhir dan sejarah termomekanik.
- Dikeraskan dingin: peningkatan kerapatan dislokasi dan potensi martensit yang diinduksi regangan di 304 di bawah pengerjaan dingin yang parah; 309S, dengan nikel yang lebih tinggi, kurang rentan terhadap martensit yang diinduksi regangan.
- Respons perlakuan panas:
- Baja tahan karat austenitik tidak dapat dikeraskan dengan quench-and-temper. Annealing larutan (misalnya, 1010–1150 °C diikuti dengan pendinginan cepat) mengembalikan ketahanan korosi dan duktilitas dengan melarutkan karbida.
- Sensitisasi (presipitasi karbida kromium pada 450–850 °C) dapat diminimalkan oleh komposisi karbon rendah 309S dan oleh annealing larutan; 304 dapat sensitisasi jika dilas dengan tidak benar atau ditahan dalam rentang sensitisasi.
- Pemrosesan termomekanik:
- Kandungan paduan yang lebih tinggi pada 309S menghasilkan retensi kekuatan mekanik yang lebih baik pada suhu tinggi dan ketahanan creep yang lebih baik; kedua grade bergantung pada penguatan pengerjaan dingin pada suhu ambien.
4. Sifat Mekanik
Karena sifat bervariasi dengan bentuk produk dan temper, tabel di bawah ini memberikan penilaian kualitatif komparatif daripada jaminan numerik absolut.
| Sifat | 304 | 309S | Komentar |
|---|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Rentang austenitik tipikal | Sedikit lebih tinggi (dikuatkan larutan oleh Ni/Cr) | 309S sering memiliki kekuatan tarik yang sedikit lebih tinggi dalam kondisi annealed karena paduan |
| Kekuatan luluh | Sebanding | Sebanding hingga sedikit lebih tinggi | Perilaku luluh mirip; perbedaan tergantung pada pengerjaan dingin |
| Panjang regangan (duktilitas) | Tinggi (kemampuan dibentuk yang sangat baik) | Baik, tetapi biasanya sedikit lebih rendah daripada 304 | Kandungan paduan yang lebih rendah pada 304 umumnya memungkinkan pembentukan yang lebih mudah dan regangan yang lebih tinggi |
| Ketangguhan impak | Sangat baik pada suhu ambien | Sangat baik; mempertahankan ketangguhan pada suhu tinggi lebih baik | Keduanya mempertahankan ketangguhan pada suhu rendah; 309S menunjukkan retensi ketangguhan suhu tinggi yang lebih baik |
| Kekerasan | Rendah (mengeras saat bekerja) | Sedikit lebih tinggi saat annealed | Kekerasan meningkat dengan pengerjaan dingin untuk kedua grade |
Interpretasi: 309S biasanya menawarkan kekuatan sedikit lebih tinggi dan kinerja superior pada suhu tinggi, sementara 304 memberikan duktilitas dan kemampuan dibentuk yang sangat baik untuk aplikasi suhu ruangan.
5. Kemampuan Las
- Kedua grade sangat dapat dilas dengan logam pengisi baja tahan karat austenitik standar. Karena keduanya austenitik, kemampuan las umumnya sangat baik (tidak memerlukan pemanasan awal untuk mengurangi risiko retak hidrogen dalam banyak kasus).
- Tingkat karbon dan paduan:
- 309S memiliki batas karbon yang lebih rendah untuk mengurangi sensitisasi; kandungan nikel yang lebih tinggi mengurangi kecenderungan untuk fase sigma dan mempromosikan struktur logam las yang duktil.
- 304 dapat lebih rentan terhadap sensitisasi di zona yang terpengaruh panas (HAZ) jika pendinginan lambat; 304L karbon rendah atau annealing larutan pasca las dapat digunakan untuk mengurangi sensitisasi.
- Kekerasan dan retak HAZ biasanya tidak menjadi pembatas untuk grade austenitik ini.
- Penggunaan indeks kemampuan las prediktif:
- Setara karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Setara kromium (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: Kromium dan nikel yang lebih tinggi pada 309S meningkatkan istilah paduan, tetapi karbon rendahnya mengurangi kontribusi $C$. Secara praktis, para pengelas sering menggunakan pengisi yang cocok atau sedikit lebih banyak paduan (misalnya, pengisi 309L) saat menyambungkan baja yang berbeda atau saat las dengan ketahanan oksidasi suhu tinggi diperlukan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Tahan karat (baik 304 maupun 309S): ketahanan korosi didominasi oleh kandungan kromium dan integritas film pasif.
- Untuk korosi akuatik pada suhu ambien, 304 memberikan kinerja yang sangat baik di banyak lingkungan (pengolahan makanan, paparan bahan kimia ringan). 309S biasanya tidak meningkatkan korosi akuatik secara signifikan dibandingkan 304; keuntungannya ada pada suhu tinggi.
- Untuk oksidasi suhu tinggi dan pemanasan siklik, 309S membentuk skala oksida yang lebih pelindung dan melekat karena kandungan Cr dan Ni yang lebih tinggi, menjadikannya lebih disukai untuk bagian tungku, pembakar, dan penukar panas.
- Penggunaan PREN (untuk membandingkan ketahanan pitting di mana Mo dan N signifikan): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN tidak terlalu informatif untuk 304 atau 309S karena tidak ada grade yang mengandung Mo yang signifikan; kontribusi nitrogen kecil, sehingga angka PREN tidak akan mencerminkan perbedaan kinerja oksidasi utama mereka.
- Baja non-tahan karat: sebagai referensi, baja karbon atau baja paduan rendah memerlukan pelapisan (galvanisasi, pengecatan, pelapisan penghalang termal) untuk perlindungan korosi; langkah-langkah tersebut biasanya tidak diterapkan pada grade tahan karat dengan cara yang sama.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemampuan Dibentuk
- Kemudahan pemesinan:
- Baja tahan karat austenitik umumnya lebih sulit untuk diproses dibandingkan baja ringan karena pengerasan saat bekerja dan konduktivitas termal yang rendah.
- 309S dapat sedikit lebih sulit untuk diproses dibandingkan 304 karena kandungan paduan yang lebih tinggi dan kecenderungan pengerasan saat bekerja; umur alat mungkin lebih pendek dan umpan/kecepatan perlu disesuaikan.
- Kemampuan dibentuk dan penarikan dalam:
- 304 memiliki kemampuan dibentuk yang sangat baik dan banyak digunakan untuk penarikan dalam, stamping, dan bentuk kompleks.
- 309S dapat dibentuk tetapi kurang cocok untuk penarikan dalam yang luas karena duktilitas yang sedikit berkurang dan kekuatan/luluh yang lebih tinggi.
- Penyelesaian permukaan:
- Kedua praktik pemolesan dan pengasaman adalah standar; 309S kadang-kadang memerlukan perhatian terhadap pewarnaan permukaan termal setelah layanan suhu tinggi, dan skala oksida mungkin memerlukan penghilangan mekanis atau kimia.
8. Aplikasi Tipikal
| 304 — Penggunaan Tipikal | 309S — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Peralatan pengolahan makanan, peralatan dapur, wastafel, trim arsitektural, pipa proses kimia pada suhu ambien/ringan | Pelapis tungku, perangkat keras tungku, tabung radian, saluran udara suhu tinggi, pembakar, perlengkapan perlakuan panas |
| Penukar panas, tangki, dan wadah untuk air minum dan banyak bahan kimia | Logam pengisi las untuk menyambungkan baja karbon ke baja tahan karat; las overlay yang memerlukan ketahanan oksidasi |
| Trim otomotif, pengikat, dan bagian fabrikasi umum | Manifold knalpot dan saluran flue suhu tinggi (layanan intermiten) |
Alasan pemilihan: pilih 304 untuk ketahanan korosi suhu ambien yang ekonomis dan kemampuan dibentuk; pilih 309S ketika layanan melibatkan suhu tinggi yang berkelanjutan atau siklik atau ketika las overlay/pengisi harus tahan terhadap oksidasi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya:
- 304 adalah salah satu grade stainless yang paling banyak digunakan dan umumnya merupakan stainless austenitik dengan biaya terendah karena kandungan nikel yang moderat.
- 309S mengandung nikel (dan kromium) yang jauh lebih banyak, sehingga biaya bahan baku dan oleh karena itu biaya produk jadi lebih tinggi.
- Ketersediaan:
- 304 sangat umum di berbagai bentuk produk: lembaran, plat, gulungan, tabung, batang, kawat.
- 309S tersedia dengan mudah dalam bentuk lembaran, plat, batang, dan pengisi las tetapi mungkin kurang umum dalam beberapa bentuk produk khusus atau pasar yang lebih kecil. Waktu pengiriman dan jumlah pesanan minimum bisa lebih besar untuk 309S dalam ukuran tertentu.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | 304 | 309S |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Sangat baik; risiko sensitisasi kecuali dikendalikan | Sangat baik; karbon rendah mengurangi sensitisasi |
| Kekuatan–Ketangguhan | Ketangguhan sangat baik, duktilitas yang sangat baik | Kekuatan suhu tinggi sedikit lebih tinggi; ketangguhan baik |
| Biaya | Lebih rendah (ekonomis, tersedia luas) | Lebih tinggi (lebih banyak paduan, biaya lebih tinggi) |
Rekomendasi: - Pilih 304 jika Anda memerlukan baja tahan karat austenitik yang ekonomis dan sangat dapat dibentuk untuk kondisi layanan yang korosif ringan hingga sedang di mana ketahanan oksidasi suhu tinggi bukanlah persyaratan utama (misalnya, peralatan makanan, elemen arsitektural, pipa proses umum). - Pilih 309S jika bagian tersebut akan beroperasi di lingkungan suhu tinggi (tungku, knalpot, tabung radian), memerlukan ketahanan oksidasi yang lebih baik atau kekuatan suhu tinggi, atau jika aplikasi melibatkan las overlay untuk layanan suhu tinggi. Juga pilih 309S di mana karbon rendah diperlukan untuk menghindari sensitisasi dan untuk meningkatkan perilaku HAZ las dalam siklus suhu tinggi.
Catatan penutup: pemilihan material akhir harus mempertimbangkan profil suhu layanan, atmosfer paparan (pengoksidasi vs. reduksi), beban mekanis dan persyaratan creep, proses fabrikasi, dan biaya siklus hidup. Untuk aplikasi kritis, konfirmasi sertifikat material spesifik dan lakukan pengujian korosi dan suhu tinggi yang spesifik untuk aplikasi atau konsultasikan dengan pemasok material dan sumber daya teknik metalurgi.