304 vs 310S – Komposisi, Perlakuan Panas, Properti, dan Aplikasi

Pengenalan

304 dan 310S adalah dua jenis baja tahan karat austenitik yang paling sering ditentukan dalam industri. Insinyur dan profesional pengadaan biasanya mempertimbangkan trade-off antara kinerja korosi, stabilitas suhu tinggi, kemampuan pengelasan, dan biaya material saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum termasuk peralatan makanan dan farmasi (di mana 304 sering ditentukan untuk keseimbangan biaya dan korosi) versus perangkat keras furnace dan peralatan proses suhu tinggi (di mana 310S lebih disukai untuk ketahanan oksidasi dan creep).

Perbedaan utama yang mendorong perbandingan adalah kimia paduan: 310S mengandung kromium dan nikel yang jauh lebih tinggi dibandingkan 304, yang memberikan 310S ketahanan oksidasi suhu tinggi dan retensi kekuatan yang jauh lebih baik tetapi juga biaya pembelian yang lebih tinggi dan karakteristik fabrikasi yang berbeda. Karena kedua grade adalah baja tahan karat austenitik dengan metalurgi dasar yang serupa, mereka sering dianggap sebagai alternatif dalam desain, dengan pilihan akhir dipengaruhi oleh suhu operasi, lingkungan korosi, kebutuhan fabrikasi, dan anggaran.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar dan penunjukan umum:
• ASTM / ASME: 304 (UNS S30400), 310S (UNS S31008)
• EN: 1.4301 (sekitar 304), 1.4845 (sekitar 310S)
• JIS: SUS304, SUS310S
• GB (Cina): 06Cr19Ni10 (setara 304), 25Cr20Ni (setara 310/310S)
• Klasifikasi:
• Kedua 304 dan 310S adalah baja tahan karat austenitik (keluarga stainless).
• Mereka bukan baja karbon, baja paduan, baja alat, atau kelas HSLA.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: rentang komposisi tipikal (wt.%). Batas aktual tergantung pada spesifikasi dan pabrik; nilai yang terdaftar mencerminkan rentang ASTM/EN yang umum digunakan untuk panduan umum.

Catatan: - “—” menunjukkan tidak ditambahkan secara sengaja; hanya ada jumlah residu jejak yang ada. - 310S adalah varian karbon rendah dari paduan 310; karbon rendah mengurangi presipitasi karbida selama paparan suhu tinggi. - Kromium dan nikel yang lebih tinggi di 310S disengaja untuk menstabilkan austenit pada suhu tinggi dan membentuk lapisan oksida yang lebih pelindung selama oksidasi.

Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Kromium berkontribusi pada ketahanan korosi (pembentukan film pasif) dan ketahanan oksidasi suhu tinggi. Kromium yang lebih tinggi di 310S meningkatkan ketahanan pengelupasan pada suhu tinggi. - Nikel menstabilkan mikrostruktur austenitik dan meningkatkan ketangguhan serta kekuatan suhu tinggi; Ni yang signifikan di 310S meningkatkan retensi duktilitas dan perilaku creep pada suhu. - Karbon meningkatkan kekuatan melalui pembentukan larutan padat dan karbida tetapi meningkatkan risiko sensitisasi; mengontrol karbon (seperti pada 310S) menurunkan presipitasi karbida dalam layanan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

• Mikrostruktur tipikal:
• Kedua grade sepenuhnya austenitik (kubus berpusat muka) dalam kondisi annealed pada suhu kamar karena kandungan Ni.
• Tidak ada grade yang dapat diperlakukan panas dengan metode quench-and-temper yang digunakan untuk baja ferritik atau martensitik. Sifat mekanik dimodifikasi oleh pengerjaan dingin dan oleh annealing larutan.
• Respons perlakuan panas:
• Annealing larutan yang direkomendasikan: biasanya dalam rentang 1010–1150 °C diikuti dengan pendinginan cepat (pendinginan air atau udara sesuai spesifikasi) untuk memulihkan ketahanan korosi dan duktilitas.
• 304: annealing larutan melarutkan karbida dan memulihkan duktilitas; paparan berkepanjangan dalam rentang 425–850 °C dapat menyebabkan sensitisasi dan korosi intergranular akibat presipitasi karbida kromium jika karbon tidak dikontrol.
• 310S: karbon rendah dan Ni tinggi mengurangi presipitasi karbida dan risiko sensitisasi; namun, paparan lama dalam rentang presipitasi fase sigma (sekitar 600–1000 °C) masih dapat mempromosikan intermetalik (fase sigma) dalam paduan Cr tinggi di bawah beberapa kondisi. Annealing larutan yang tepat dan paparan layanan yang terkontrol meminimalkan ini.
• Proses termo-mekanis:
• Pengerjaan dingin meningkatkan kekuatan melalui pengerasan regangan tetapi mengurangi kemampuan bentuk dan dapat meningkatkan kerentanan terhadap retak korosi stres di lingkungan tertentu.
• Untuk aplikasi kritis creep suhu tinggi, 310S lebih disukai karena paduan memberikan ketahanan creep yang lebih baik; baik 304 maupun 310S tidak dapat diperkeras presipitasi.

4. Sifat Mekanik

Tabel: nilai tipikal pada suhu kamar yang telah di-anneal (rentang indikatif; nilai aktual tergantung pada bentuk produk dan spesifikasi).

Interpretasi: - Pada suhu kamar, sifat mekanik 304 dan 310S secara umum mirip; keduanya adalah duktil dan tangguh. - Pada suhu tinggi, 310S menunjukkan retensi kekuatan yang lebih baik dan ketahanan creep karena kandungan Ni dan Cr yang lebih tinggi. - Tidak ada grade yang harus diandalkan untuk aplikasi struktural kekuatan tinggi tanpa perhitungan desain yang mempertimbangkan creep dan relaksasi yang bergantung pada suhu.

5. Kemampuan Pengelasan

• Kedua 304 dan 310S umumnya sangat dapat dilas menggunakan proses peleburan standar (TIG, MIG, SMAW). Baja tahan karat austenitik tidak rentan terhadap retak dingin yang dibantu hidrogen yang dapat mempengaruhi baja karbon kekuatan tinggi.
• Kandungan karbon dan kemampuan pengerasan:
• Karbon yang lebih rendah mengurangi presipitasi karbida dan korosi intergranular setelah pengelasan. 310S (karbon rendah) mengurangi risiko sensitisasi dibandingkan dengan varian karbon yang lebih tinggi.
• Kemampuan pengerasan dan risiko retak rendah; namun, pengerasan kerja dan siklus termal dapat menyebabkan distorsi, dan desain sambungan yang tepat serta fixture sangat penting.
• Indeks metalurgi pengelasan umum (untuk interpretasi kualitatif):
• Tampilkan rumus setara karbon: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
• Rumus Pcm Parisian: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Interpretasi kualitatif untuk grade ini:
• Kedua grade memiliki karbon rendah (terutama 310S) sehingga $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ rendah dibandingkan dengan baja yang dapat diperkeras; ini memprediksi kemampuan pengerasan yang rendah dan risiko retak yang diinduksi martensit yang rendah.
• Ni yang lebih tinggi di 310S sedikit meningkatkan CE numerik melalui istilah rumus, tetapi nikel juga meningkatkan duktilitas dan mengurangi kerentanan terhadap retak dingin dalam praktiknya.
• Praktik pengelasan:
• Gunakan logam pengisi yang cocok atau sesuai yang dipilih untuk suhu layanan yang dimaksudkan.
• Untuk 304, hindari waktu antar-lapis yang berkepanjangan dalam rentang sensitisasi tanpa annealing larutan pasca pengelasan jika aplikasi rentan terhadap serangan intergranular.
• Las 310S memerlukan perhatian terhadap ekspansi termal dan distorsi karena kandungan paduan yang lebih tinggi dan mungkin kurang toleran terhadap stres pendinginan cepat di bagian tebal.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Korosi umum (lingkungan akuatik suhu kamar):
• 304 memberikan ketahanan korosi umum yang baik untuk banyak lingkungan layanan termasuk udara, asam ringan, dan pengolahan makanan.
• 310S menawarkan ketahanan korosi umum yang serupa atau sedikit lebih baik, tetapi keunggulan utamanya adalah kinerja suhu tinggi daripada peningkatan ketahanan pitting atau celah di lingkungan akuatik yang mengandung klorida.
• Ketahanan pitting:
• Angka Setara Ketahanan Pitting (PREN) berguna ketika Mo dan N signifikan: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Baik 304 maupun 310S tidak mengandung Mo; keduanya memiliki N rendah—jadi PREN bukanlah pembeda yang kuat. Untuk ketahanan pitting klorida, paduan dengan Mo (misalnya, 316) berkinerja lebih baik.
• Korosi/oksidasi suhu tinggi:
• 310S memiliki ketahanan yang jauh lebih baik terhadap oksidasi dan pengelupasan pada suhu tinggi (misalnya, atmosfer furnace) karena Cr dan Ni yang lebih tinggi yang menstabilkan lapisan oksida pelindung.
• Jika grade stainless tidak cocok, perlindungan permukaan yang umum untuk baja non-stainless (galvanisasi, pelapisan, pelapisan, pengecatan) berlaku; untuk kedua grade ini, pertimbangan perlindungan berfokus pada pemeliharaan pasifitas dan menghindari sensitisasi.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk

• Kemampuan bentuk:
• Keduanya sangat dapat dibentuk dalam kondisi annealed. 304 umumnya digunakan untuk penarikan dalam dan operasi pembentukan kompleks.
• 310S kurang umum digunakan untuk pembentukan yang luas karena kandungan paduan yang lebih tinggi dapat meningkatkan laju pengerasan kerja dan pemulihan; namun, tetap dapat dikerjakan dengan alat dan siklus anneal yang sesuai.
• Kemampuan mesin:
• Baja tahan karat austenitik mengeras dan lebih sulit untuk diproses dibandingkan dengan baja karbon rendah.
• 304 sedang dalam kemampuan mesin untuk grade stainless; kontrol chip, pengaturan kaku, alat rake positif, dan insert karbida membantu.
• 310S, karena kandungan Ni yang lebih tinggi dan paduan yang lebih tangguh, dapat lebih keras pada alat dan mungkin memerlukan kecepatan pemotongan yang lebih lambat dan alat yang lebih kuat.
• Finishing permukaan dan penghalusan:
• Keduanya dapat dipoles dengan baik; 304 banyak digunakan di mana finishing cerah diperlukan. 310S juga dapat diselesaikan dengan standar tinggi tetapi mungkin sedikit lebih sulit karena ketangguhan material.

8. Aplikasi Tipikal

Alasan pemilihan: - Pilih 304 ketika ketahanan korosi pada suhu ambien, efisiensi biaya, dan ketersediaan yang luas adalah pendorong utama. - Pilih 310S ketika kekuatan suhu tinggi yang berkelanjutan, ketahanan oksidasi, dan rendahnya presipitasi karbida pada suhu tinggi sangat penting.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya relatif:
• 310S lebih mahal daripada 304 karena kandungan Ni dan Cr yang jauh lebih tinggi.
• Perbedaan harga berfluktuasi dengan pasar nikel dan kromium global; kandungan nikel adalah pendorong biaya utama.
• Ketersediaan:
• 304 adalah salah satu baja tahan karat yang paling umum disimpan di seluruh dunia dalam bentuk lembaran, pelat, batang, pipa, dan tabung.
• 310S tersedia secara luas tetapi beberapa bentuk produk (misalnya, pelat sangat besar atau bagian dingin khusus) dapat memiliki waktu tunggu yang lebih lama atau pemasok yang terbatas dibandingkan dengan 304.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel yang merangkum trade-off kunci:

Rekomendasi: - Pilih 304 jika: - Aplikasi terutama untuk layanan suhu ambien hingga suhu tinggi sedang. - Anda membutuhkan ketersediaan yang luas, biaya lebih rendah, dan ketahanan korosi yang baik secara keseluruhan (makanan, arsitektur, pabrik proses umum). - Operasi pembentukan yang luas atau penarikan dalam diperlukan. - Pilih 310S jika: - Persyaratan utama adalah kinerja suhu tinggi yang berkelanjutan, ketahanan oksidasi, atau kekuatan creep yang lebih baik (furnace, perangkat keras proses suhu tinggi). - Risiko sensitisasi harus diminimalkan dalam lingkungan siklik suhu tinggi. - Biaya material yang lebih tinggi dapat diterima untuk meningkatkan umur layanan dan mengurangi pengelupasan.

Catatan akhir: pemilihan material harus selalu mempertimbangkan seluruh envelope layanan (suhu, atmosfer, beban mekanis, desain sambungan, rute fabrikasi, dan total biaya siklus hidup). Ketika ragu untuk layanan suhu tinggi atau korosif yang kritis, konfirmasikan pemilihan dengan pengujian korosi, konsultasikan data creep dan oksidasi jangka panjang, dan libatkan pemasok material atau konsultan metalurgi untuk memverifikasi kesesuaian.