304 vs 321 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Baja tahan karat austenitik 304 dan 321 adalah salah satu jenis yang paling umum ditentukan dalam desain, fabrikasi, dan pengadaan. Insinyur dan profesional pengadaan secara rutin mempertimbangkan trade-off antara ketahanan korosi, stabilitas suhu tinggi, kemampuan pengelasan, dan biaya saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum termasuk fabrikasi bejana tekan, peralatan makanan dan minuman, komponen penukar panas, dan rakitan yang dilas yang terpapar suhu tinggi.
Fitur pembeda utama adalah bahwa satu jenis distabilkan terhadap presipitasi karbida kromium dengan penambahan sengaja pembentuk karbida, meningkatkan ketahanan terhadap korosi intergranular dalam rentang sensitisasi 425–870 °C. Karena kedua jenis memiliki matriks kromium-nikel yang serupa, mereka sering dibandingkan untuk manfaat biaya dan kinerja tambahan yang ditawarkan oleh stabilisasi dalam aplikasi suhu tinggi atau yang dilas.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar internasional umum:
- ASTM/ASME: 304 (UNS S30400 / ASTM A240), 321 (UNS S32100 / ASTM A240)
- EN: 1.4301 (304), 1.4541 (321)
- JIS: SUS304, SUS321
- GB (Cina): 06Cr19Ni10 (sekitar 304), 0Cr18Ni9Ti (sekitar 321)
- Klasifikasi: Keduanya adalah baja tahan karat austenitik (tahan karat), non-magnetik dalam kondisi annealed, bukan baja karbon, paduan, alat, atau HSLA.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | 304 Tipikal (wt%) | 321 Tipikal (wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | 0.00–0.60 (biasanya tidak ada) | 0.00–0.60 (biasanya tidak ada) |
| V | — | — |
| Nb (Nb) | — (tidak ditambahkan) | — (bukan stabilizer utama; biasanya tidak ada) |
| Ti | — (biasanya ≤ 0.10 jika ada) | 0.15–0.70 (stabilizer) |
| B | — | — |
| N | jejak hingga ~0.10 | jejak hingga ~0.10 |
Catatan: - Tabel ini mencantumkan rentang komersial umum; batasan yang tepat tergantung pada standar spesifik dan bentuk produk. - Kelas 321 secara sengaja mengandung titanium dalam rentang yang terkontrol untuk mengikat karbon sebagai karbida/nitrida titanium daripada membiarkan presipitasi karbida kromium di batas butir. - Strategi paduan: Kromium memberikan ketahanan korosi; nikel menstabilkan struktur austenitik; titanium dalam 321 mencegah sensitisasi, meningkatkan ketahanan korosi intergranular setelah pengelasan atau paparan suhu tinggi.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Mikrostruktur tipikal (annealed): Kedua jenis sepenuhnya austenitik dengan butir austenit yang terdistribusi secara merata. Karbida minimal dalam 321 yang distabilkan dengan baik dan biasanya terdistribusi halus dalam 304 yang annealed.
- Sensitisasi dan stabilisasi:
- 304 rentan terhadap presipitasi karbida kromium di batas butir ketika berada dalam rentang 425–870 °C (sensitisasi), yang dapat mempromosikan korosi intergranular.
- 321 membentuk karbida/nitrida titanium yang secara preferensial mengkonsumsi karbon dan nitrogen, meminimalkan pembentukan karbida kromium dan dengan demikian mengurangi kerentanan terhadap serangan intergranular.
- Respons perlakuan panas:
- Baja tahan karat austenitik tidak diperkuat dengan pendinginan dan temper seperti pada baja ferritik/pearlitik. Annealing larutan (misalnya, 1010–1150 °C tergantung spesifikasi) diikuti dengan pendinginan cepat mengembalikan ketahanan korosi dan duktilitas.
- Pekerjaan dingin meningkatkan kekuatan melalui pengerasan regangan dan dapat mengubah kinerja korosi; pemulihan/annealing digunakan untuk mengembalikan duktilitas.
- Normalisasi tidak berlaku dalam arti yang sama seperti untuk baja karbon—annealing larutan dan pendinginan berbeda dari proses normalisasi/pendinginan & temper yang digunakan untuk menyesuaikan mikrostruktur dalam baja paduan.
4. Sifat Mekanis
| Sifat (annealed) | 304 Tipikal | 321 Tipikal |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~500–600 | ~500–600 |
| Bukti 0.2% / Hasil (MPa) | ~170–275 (umumnya ≈205) | ~170–275 (umumnya ≈205) |
| Peregangan (% dalam 50 mm) | ~40–60 | ~40–60 |
| Kekerasan impak | Baik pada suhu ambien; mempertahankan ketangguhan pada suhu rendah yang sedang | Mirip dengan 304; mempertahankan ketangguhan pada suhu layanan tinggi lebih baik karena stabilisasi |
| Kekerasan (Brinell / HB) | ~100 HB (~80–200 tergantung pada pengerasan kerja) | ~100 HB (mirip) |
Penjelasan: - Dalam kondisi annealed, kedua jenis memiliki sifat mekanis dasar yang sangat mirip karena kimia matriks (Cr–Ni austenit) dapat dibandingkan. - Pekerjaan dingin atau pengerasan regangan secara signifikan meningkatkan kekuatan dan kekerasan untuk keduanya. - Stabilisasi dengan titanium memiliki pengaruh minimal pada kekuatan suhu ruangan tetapi meningkatkan kinerja di bawah siklus termal dengan mencegah presipitasi karbida batas butir yang dapat membuat batas butir menjadi rapuh pada 304 yang sensitisasi.
5. Kemampuan Pengelasan
- Keduanya 304 dan 321 dianggap mudah dilas menggunakan proses umum (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Kandungan karbon yang rendah membantu menghindari pengerasan logam las dan masalah retak hidrogen yang khas pada baja karbon yang lebih tinggi.
- Pertimbangan pengelasan:
- 304 dapat rentan terhadap korosi intergranular di zona yang terpengaruh panas (HAZ) jika pendinginan lambat melalui rentang sensitisasi atau jika layanan mengekspos rakitan yang dilas ke suhu yang memicu sensitisasi.
- Stabilizer titanium 321 mengikat karbon, mengurangi presipitasi karbida kromium di HAZ; 321 lebih disukai untuk komponen yang dilas yang akan mengalami paparan suhu tinggi yang berkepanjangan.
- Indeks kemampuan pengelasan umum (interpretasi secara kualitatif):
- Setara karbon (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Lebih rendah $CE_{IIW}$ menunjukkan pengelasan yang lebih mudah; kedua jenis memiliki setara karbon yang rendah dibandingkan dengan baja paduan tinggi. - Angka setara ketahanan pitting (PREN) bukan indeks kemampuan pengelasan tetapi berguna untuk peringkat korosi (lihat bagian berikutnya).
- Parameter gabungan yang disederhanakan:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Lebih tinggi $P_{cm}$ dapat menunjukkan kecenderungan retak yang lebih tinggi; titanium sedikit meningkatkan $P_{cm}$ tetapi memberikan stabilisasi yang bermanfaat terhadap sensitisasi. - Panduan praktis: Untuk fabrikasi umum di mana paparan suhu tinggi pasca-las tidak mungkin, 304 dapat diterima dan ekonomis. Untuk komponen yang dilas yang akan beroperasi dalam atau terpapar suhu sensitisasi, 321 mengurangi risiko korosi intergranular tanpa memerlukan annealing larutan pasca-las.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Jenis tahan karat:
- Gunakan PREN untuk mengevaluasi ketahanan pitting ketika Mo dan N bervariasi:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Untuk 304 dan 321, Mo dan N rendah, sehingga nilai PREN sedang dan keduanya tidak sangat tahan pitting dibandingkan dengan jenis duplex atau superaustenitik yang mengandung Mo. - Korosi umum: Kedua jenis menunjukkan ketahanan yang sangat baik terhadap korosi air umum pada suhu ambien karena kandungan kromium mereka.
- Korosi intergranular: 304 dapat rentan setelah terpapar suhu sensitisasi; 321 distabilkan untuk mengurangi risiko ini.
- Baja non-tahan karat:
- Tidak berlaku di sini; metode perlindungan permukaan non-tahan karat yang umum (galvanisasi, pengecatan) tidak relevan untuk 304/321 yang dimaksudkan untuk memberikan ketahanan korosi melalui komposisi.
- Ketika stainless tidak mencukupi:
- Untuk lingkungan yang terkontaminasi klorida atau di mana pitting menjadi perhatian, pertimbangkan jenis yang mengandung Mo (misalnya, 316) atau paduan duplex/superaustenitik.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin:
- Baja tahan karat austenitik umumnya lebih sulit untuk diproses dibandingkan dengan baja karbon karena pengerasan kerja yang tinggi dan konduktivitas termal yang rendah.
- 304 dan 321 memiliki kemampuan mesin yang sebanding; alat khusus, kecepatan lebih lambat, dan umpan yang lebih berat adalah hal yang umum.
- Kemampuan pembentukan:
- Duktilitas dan kemampuan pembentukan yang sangat baik dalam kondisi annealed memungkinkan penarikan dalam dan pembentukan kompleks untuk kedua jenis.
- Springback dan pengerasan kerja lebih besar dibandingkan dengan baja lunak; rencanakan toleransi pembentukan dan annealing sementara untuk deformasi yang parah.
- Penyelesaian permukaan:
- Keduanya menerima penyelesaian standar (polish, pasivasi, elektropolish) dengan baik. Pasivasi dengan asam nitrat atau asam sitrat umum digunakan untuk mengembalikan oksida kromium permukaan setelah fabrikasi.
- Pengelasan dan pemrosesan pasca:
- Untuk rakitan yang harus menghindari sensitisasi dan tidak dapat diperlakukan larutan setelah pengelasan, 321 dapat menghilangkan kebutuhan untuk perlakuan panas pasca-las yang mahal.
8. Aplikasi Tipikal
| 304 — Penggunaan Tipikal | 321 — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Peralatan makanan dan minuman, peralatan dapur, wastafel | Sistem knalpot pesawat, sambungan ekspansi, dan komponen furnace suhu tinggi |
| Peralatan kimia untuk layanan non-klorida | Pipa penukar panas dan rakitan yang dilas yang terpapar 500–800 °C |
| Trim arsitektur dan pegangan tangan dalam ruangan | Pipa gas panas petrokimia di mana risiko sensitisasi ada |
| Bejana tekan dan pipa pada suhu ambien hingga sedang | Komponen industri dan dirgantara suhu tinggi yang memerlukan stabilisasi |
Rasional pemilihan: - Pilih 304 di mana ketahanan korosi umum, kemampuan pembentukan, dan biaya adalah kriteria utama dan di mana paparan jangka panjang terhadap suhu sensitisasi tidak mungkin. - Pilih 321 ketika rakitan atau komponen yang dilas akan mengalami suhu siklik atau berkelanjutan dalam rentang sensitisasi, atau di mana korosi intergranular setelah paparan termal adalah mode kegagalan yang kritis.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif:
- 304 lebih umum dan umumnya lebih murah dibandingkan 321 karena volume produksi yang lebih tinggi dan kimia yang lebih sederhana.
- 321 dikenakan premi yang moderat untuk penambahan titanium dan untuk menjadi jenis khusus suhu tinggi.
- Ketersediaan berdasarkan bentuk produk:
- 304 tersedia secara luas dalam lembaran, pelat, gulungan, pipa, batang, dan pengikat secara global.
- 321 tersedia secara luas tetapi waktu tunggu dan ukuran stok mungkin lebih kecil untuk beberapa bentuk produk (misalnya, pipa khusus atau forging diameter besar) dibandingkan dengan 304.
- Pertimbangan pengadaan:
- Untuk proyek besar, volatilitas harga di pasar nikel mempengaruhi kedua jenis; 321 mungkin menunjukkan sensitivitas sedikit lebih tinggi karena produksi yang lebih ketat.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 304 | 321 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Luar biasa untuk sebagian besar aplikasi; perhatikan risiko sensitisasi HAZ | Luar biasa; kimia yang distabilkan mengurangi risiko korosi intergranular setelah pengelasan |
| Kekuatan–Ketangguhan (annealed) | Sebanding; ketangguhan dan duktilitas yang baik | Sebanding; ketangguhan serupa dengan stabilitas termal yang lebih baik |
| Biaya | Lebih rendah (lebih umum) | Lebih tinggi (jenis khusus yang distabilkan titanium) |
Rekomendasi: - Pilih 304 jika: - Aplikasi memerlukan ketahanan korosi umum untuk suhu ambien atau sedang. - Biaya, ketersediaan, dan kenyamanan pembentukan/pemrosesan adalah perhatian utama. - Rakitan yang dilas tidak akan terpapar layanan berkepanjangan dalam rentang sensitisasi 425–870 °C atau perlakuan panas pasca-las dapat dilakukan. - Pilih 321 jika: - Bagian akan dilas dan akan beroperasi atau terpapar berulang kali pada suhu yang mempromosikan presipitasi karbida kromium (sensitisasi), atau di mana annealing larutan pasca-las tidak praktis. - Stabilitas suhu tinggi dan ketahanan terhadap korosi intergranular sangat penting (misalnya, penukar panas, sistem knalpot). - Biaya material yang sedikit lebih tinggi dapat diterima untuk mengurangi pemeliharaan dan meningkatkan keandalan jangka panjang.
Catatan akhir: Kedua jenis adalah baja tahan karat austenitik yang tahan lama dan banyak digunakan. Keputusan antara 304 dan 321 biasanya bergantung pada profil suhu paparan komponen dan apakah stabilisasi terhadap korosi intergranular (melalui penambahan titanium) diperlukan untuk memastikan kinerja jangka panjang setelah pengelasan atau siklus termal.