304 vs 321 – Komposisi, Perlakuan Panas, Properti, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Baja tahan karat 304 dan 321 adalah dua dari jenis austenitik yang paling banyak ditentukan di industri. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur biasanya mempertimbangkan ketahanan korosi, stabilitas suhu tinggi, kemampuan las, dan biaya saat memilih di antara keduanya. Dilema pemilihan biasanya berfokus pada apakah akan memprioritaskan ketahanan korosi umum dan efisiensi biaya (304) atau untuk menahan presipitasi karbida dan serangan intergranular pada suhu tinggi (321).
Perbedaan metalurgi utama adalah bahwa 321 distabilkan oleh penambahan titanium yang mengikat karbon sebagai karbonitrida, secara signifikan meningkatkan ketahanan terhadap korosi intergranular setelah terpapar pada rentang suhu yang memicu sensitasi. Karena keduanya adalah austenitik, mereka sering dibandingkan untuk pipa, wadah, penukar panas, dan komponen yang dibuat yang digunakan dalam layanan yang mungkin mengalami suhu tinggi dan pengelasan.
1. Standar dan Penunjukan
- 304
- Penunjukan umum: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10
- Jenis: Baja tahan karat austenitik (tahan karat)
- Standar yang relevan: ASTM A240 (pelat), ASTM A276 (batang), ASTM A312 (pipa), ASME SA-240, EN 10088
- 321
- Penunjukan umum: AISI 321, UNS S32100, EN 1.4541 (atau varian 1.4541/1.4878), JIS SUS321, GB 06Cr19Ni10Ti
- Jenis: Baja tahan karat austenitik (tahan karat yang distabilkan titanium)
- Standar yang relevan: ASTM A240, ASTM A312, ASME SA-240, EN 10088
Keduanya diklasifikasikan sebagai baja austenitik tahan karat; mereka bukan baja karbon, alat, atau HSLA.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel di bawah ini menunjukkan rentang komposisi tipikal (persentase berat) menurut standar yang banyak digunakan. Batasan yang tepat tergantung pada standar dan bentuk produk tertentu; nilai yang terdaftar adalah representatif.
| Elemen | 304 (rentang tipikal, wt%) | 321 (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | — (0) | — (0) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | — | min(5 × C, 0.70) (sering 0.20–0.70) |
| B | — | — |
| N | biasanya ≤ 0.10 | biasanya ≤ 0.10 |
Ringkasan strategi paduan: - Kromium dan nikel menghasilkan matriks austenitik yang stabil dan memberikan ketahanan korosi umum. Nikel juga meningkatkan ketangguhan dan kemampuan pembentukan. - Titanium dalam 321 secara preferensial membentuk karbida/nitrida titanium (TiC, TiN) yang mencegah presipitasi karbida kromium di batas butir ketika baja terpapar pada suhu yang memicu sensitasi (sekitar 450–850 °C). Stabilisasi ini mengurangi kerentanan terhadap korosi intergranular setelah pengelasan atau layanan suhu tinggi yang berkepanjangan. - Batasan karbon rendah mengurangi gaya pendorong untuk presipitasi karbida; dalam 304L (304 karbon rendah) varian “L” menawarkan rute lain untuk mengurangi sensitasi tanpa stabilisasi.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Mikrostruktur tipikal: Baik 304 maupun 321 sepenuhnya austenitik (kubus berpusat muka) dalam kondisi annealed. Mereka mengandung ferrit delta sesekali tergantung pada peleburan dan pemrosesan, tetapi sebagian besar adalah austenit.
- Respons terhadap siklus termal:
- Annealing: Annealing larutan (misalnya, 1010–1150 °C tergantung pada produk) melarutkan karbida dan menghomogenkan. Pendinginan cepat digunakan untuk menghindari sensitasi, tetapi 321 kurang sensitif karena Ti membentuk karbida yang stabil.
- Pengelasan: Pemanasan lokal dalam rentang 450–850 °C dapat memungkinkan presipitasi karbida kromium di batas butir pada grade yang tidak distabilkan. Titanium 321 mengikat karbon dan nitrogen, membatasi pembentukan karbida kromium dan mempertahankan ketahanan korosi intergranular.
- Proses termo-mekanis: Pekerjaan dingin meningkatkan kerapatan dislokasi dan dapat menyebabkan martensit yang diinduksi regangan pada beberapa baja tahan karat austenitik (kurang umum pada grade yang sepenuhnya distabilkan). Kedua grade dapat diperkeras; pemulihan terjadi saat dipanaskan.
- Rute perlakuan panas seperti normalisasi, pendinginan & tempering biasanya tidak diterapkan pada baja tahan karat austenitik untuk penguatan — mereka diperkuat melalui pengerasan kerja dan larutan padat; pengerasan presipitasi tidak berlaku untuk 304/321.
4. Sifat Mekanis
Sifat-sifat di bawah ini adalah tipikal untuk kondisi annealed; bentuk produk (lembaran, pelat, batang), ketebalan, dan standar mempengaruhi nilai.
| Sifat (annealed) | 304 (tipikal) | 321 (tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (UTS) | 500–750 MPa | 500–750 MPa |
| Kekuatan luluh 0.2% | 205–310 MPa | 205–310 MPa |
| Peregangan (dalam 50 mm) | ≥ 40% | ≥ 40% |
| Dampak Charpy (suhu ruang) | Baik; patahan daktile, energi yang diserap tinggi | Mirip dengan 304; mempertahankan ketangguhan pada suhu tinggi |
| Kekerasan (HB) | ~150–220 HB tergantung pada pekerjaan dingin | ~150–220 HB tergantung pada pekerjaan dingin |
Interpretasi: - Dalam kondisi annealed, 304 dan 321 memiliki karakteristik tarik, luluh, dan daktilitas yang sangat mirip karena kimia matriks mereka secara luas dapat dibandingkan. Perbedaan dalam kinerja mekanis biasanya kecil dan terhalang oleh sejarah pemrosesan (pekerjaan dingin) atau bentuk produk. - Ketangguhan tinggi untuk keduanya pada suhu ambien; keduanya mempertahankan ketahanan dampak yang wajar pada suhu yang sedikit lebih tinggi. Kekuatan meningkat dengan pekerjaan dingin untuk kedua grade.
5. Kemampuan Las
Keduanya 304 dan 321 dianggap mudah dilas dengan praktik pengelasan stainless austenitik standar. Pertimbangan pengelasan: - Kandungan karbon dan stabilisasi: Kandungan karbon yang lebih tinggi meningkatkan risiko presipitasi karbida kromium di zona yang terpengaruh panas (HAZ). Titanium 321 mengurangi risiko ini dengan membentuk TiC/TiN, yang sangat berharga ketika paparan panas pasca-las atau layanan lama pada suhu yang memicu sensitasi diharapkan. - Kemampuan pengerasan rendah; baja tahan karat austenitik tidak dapat dikeraskan dengan pendinginan; kekhawatiran tentang hidrogen dan retak pembekuan harus dikelola melalui logam pengisi dan teknik yang sesuai.
Penggunaan indeks kemampuan las (panduan kualitatif): - Contoh setara karbon untuk pengelasan: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Rumus ini membantu memprediksi kerentanan terhadap retak dingin dan kebutuhan untuk perlakuan panas pra/pasca las pada baja. Untuk baja tahan karat austenitik, CE absolut kurang langsung diterapkan, tetapi pendekatan ini menekankan bahwa elemen paduan mempengaruhi perilaku las. - Parameter yang diperluas digunakan dalam baja tahan karat: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ digunakan untuk memperkirakan kecenderungan untuk membentuk intermetalik atau ferrit delta dalam las; interpretasi kualitatif menunjukkan bahwa penambahan Ti kecil (seperti pada 321) mengubah keseimbangan fase di HAZ dan logam las.
Implikasi praktis: - Gunakan logam pengisi yang cocok atau rendah karbon untuk aplikasi 304 untuk menghindari sensitasi (misalnya, ER308L untuk pengelasan 304). - Saat menyambung 304 yang akan melihat layanan dalam rentang sensitasi, pertimbangkan bahan dasar 321, 304L karbon rendah, atau logam pengisi yang distabilkan, tergantung pada aplikasi dan biaya.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Untuk grade stainless saja (304, 321):
- Ketahanan korosi umum sebagian besar ditentukan oleh kandungan kromium dan kontinuitas film pasif Cr2O3. Tidak ada grade yang mengandung molibdenum, sehingga ketahanan pitting mereka dalam lingkungan klorida terbatas dibandingkan dengan grade yang mengandung Mo.
- PREN (Angka Setara Ketahanan Pitting) tidak terlalu diskriminatif di sini karena kontribusi Mo dan N kecil atau tidak ada; untuk referensi: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Untuk 304/321 (Mo = 0), PREN pada dasarnya adalah kandungan Cr ditambah efek kecil N — kedua grade memiliki PREN yang serupa.
- Korosi intergranular: 304 rentan terhadap serangan intergranular setelah terpapar dalam rentang sensitasi jika karbon ada dan presipitasi karbida terjadi di batas butir. Titanium 321 mengikat karbon dan mengurangi mode korosi ini, menjadikan 321 lebih disukai untuk komponen yang dilas atau komponen yang terpapar suhu tinggi yang berkepanjangan.
- Untuk baja non-stainless (tidak berlaku di sini): perlindungan umum termasuk galvanisasi, pengecatan, dan pelapisan — tidak relevan untuk pemilihan 304/321 kecuali di mana sistem material campuran digunakan.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Pemotongan dan Kemampuan Mesin:
- Baja tahan karat austenitik umumnya lebih sulit untuk diproses dibandingkan baja karbon karena pengerasan kerja dan konduktivitas termal yang rendah. 304 sedikit lebih mudah diproses dibandingkan 321 dalam praktik, tetapi perbedaannya tidak signifikan.
- Gunakan pengaturan yang kaku, alat tajam, laju umpan yang lebih tinggi, dan pendingin yang sesuai untuk meminimalkan pengerasan kerja.
- Kemampuan Pembentukan dan Pembengkokan:
- Kedua grade memiliki kemampuan pembentukan yang sangat baik dalam kondisi annealed dan dapat ditarik dalam-dalam dan dibentuk. Stabilisasi titanium 321 dapat sedikit mengurangi kerentanan terhadap efek penuaan regangan dalam beberapa kasus tetapi tidak secara material mengubah kemampuan pembentukan untuk sebagian besar operasi.
- Penyelesaian permukaan:
- Keduanya merespons dengan baik terhadap pemolesan dan elektropolishing; perlu dicatat bahwa penggilingan atau pengelasan akan memerlukan pasivasi pasca-proses untuk mengembalikan ketahanan korosi dalam aplikasi kritis.
8. Aplikasi Tipikal
| 304 — Penggunaan Tipikal | 321 — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Peralatan pengolahan makanan, peralatan dapur, wastafel, dan peralatan | Manifold knalpot pesawat dan komponen mesin aerospace |
| Peralatan proses kimia yang tidak terpapar suhu tinggi yang berkepanjangan | Komponen tungku dan oven, penukar panas yang beroperasi pada suhu tinggi |
| Trim arsitektural, pegangan tangan, aplikasi dekoratif | Joints ekspansi, balon, dan pipa dalam layanan petrochemical suhu tinggi |
| Pengikat, pegas, dan trim otomotif | Komponen autoklaf dan uap di mana sensitasi menjadi perhatian |
| Pipa dan tangki umum untuk air, bahan kimia ringan | Pipa dalam layanan suhu tinggi; rakitan las di mana sensitasi HAZ mungkin terjadi |
Rasional pemilihan: - Pilih 304 untuk ketahanan korosi umum yang sensitif terhadap biaya dan di mana suhu operasi tetap di bawah rentang sensitasi atau di mana 304L karbon rendah ditentukan untuk struktur yang dilas. - Pilih 321 di mana rakitan atau komponen yang dilas terpapar suhu berulang atau berkepanjangan dalam rentang sensitasi dan risiko korosi intergranular harus diminimalkan, atau di mana ketahanan oksidasi pada suhu tinggi sedang diperlukan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 321 biasanya dihargai sedikit lebih tinggi daripada 304 karena penambahan titanium dan volume permintaan yang lebih rendah. Perbedaan ini bervariasi dengan kondisi pasar dan bentuk produk.
- Ketersediaan: Kedua grade tersedia secara luas dalam lembaran, pelat, koil, pipa, dan batang. 304 lebih umum secara global, sehingga waktu tunggu dan fleksibilitas pengadaan umumnya lebih baik untuk 304 dibandingkan dengan 321, terutama dalam bentuk produk khusus.
- Tip pengadaan: Untuk proyek besar, tentukan penyelesaian, bentuk produk, dan persyaratan sertifikasi lebih awal; pertimbangkan 304L sebagai alternatif untuk 321 ketika perhatian utama adalah sensitasi las dan kontrol biaya.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 304 | 321 |
|---|---|---|
| Kemampuan Las | Luar biasa dengan tindakan pencegahan standar; gunakan pengisi rendah-C untuk kontrol sensitasi | Luar biasa; stabilisasi mengurangi risiko sensitasi HAZ |
| Kekuatan–Ketangguhan (annealed) | Ketangguhan tinggi, daktilitas baik; kekuatan serupa dengan 321 | Ketangguhan dan kekuatan yang sebanding; stabilitas lebih baik setelah terpapar suhu tinggi |
| Biaya | Lebih rendah (lebih umum) | Lebih tinggi (distabilkan titanium) |
Kesimpulan dan panduan praktis: - Pilih 304 jika Anda memerlukan baja tahan karat austenitik yang hemat biaya dan umum untuk layanan suhu ambien, lingkungan makanan dan minuman, atau aplikasi di mana pengelasan dapat dikendalikan oleh logam pengisi karbon rendah atau di mana annealing larutan pasca-las memungkinkan. - Pilih 321 jika komponen akan dilas dan kemudian terpapar suhu dalam rentang sensitasi (misalnya, 450–850 °C) atau jika bagian tersebut harus tahan terhadap siklus termal berulang atau layanan suhu tinggi yang berkepanjangan di mana presipitasi karbida akan mengkompromikan ketahanan korosi dan stabilitas mekanis.
Catatan akhir: pemilihan material harus mempertimbangkan kondisi layanan yang tepat (profil suhu, bahan kimia yang ada, keadaan stres, dan rute fabrikasi). Jika tidak yakin, konsultasikan data pengujian korosi atau insinyur metalurgi dan, jika perlu, tentukan pengujian (misalnya, pengujian korosi intergranular) atau pilih paduan rendah karbon atau distabilkan untuk mengurangi risiko sensitasi.