304H vs 321H – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

304H dan 321H adalah dua jenis baja tahan karat austenitik yang banyak digunakan dalam lingkungan bejana tekan, suhu tinggi, dan fabrikasi umum. Insinyur dan tim pengadaan sering mempertimbangkan ketahanan korosi, kinerja suhu tinggi, dan biaya fabrikasi saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum meliputi: suhu layanan (ketahanan terhadap creep dan karburisasi), kerentanan terhadap sensitasi selama pengelasan dan korosi intergranular berikutnya, serta pertimbangan pemeliharaan jangka panjang.

Perbedaan praktis utama adalah bahwa satu paduan sengaja dicampur dengan elemen penstabil untuk mengontrol presipitasi karbida dan mempertahankan ketahanan korosi setelah terpapar pada rentang suhu menengah, sementara yang lainnya mengandalkan karbon yang lebih tinggi untuk meningkatkan kekuatan suhu tinggi. Karena keduanya adalah turunan dari keluarga austenitik seri 300, mereka sering dibandingkan di mana kompromi antara kekuatan mekanik suhu tinggi dan ketahanan jangka panjang terhadap serangan intergranular harus seimbang.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar dan spesifikasi internasional umum:
• ASTM/ASME: A240/A312 (lembaran/plat dan pipa untuk stainless), A182 (untuk forging), dll.
• EN: Seri EN 10088 / ekuivalen EN ISO.
• JIS: JIS G4303, G4311, dll.
• GB: Standar Nasional Tiongkok untuk baja tahan karat.
• Klasifikasi:
• 304H — Baja tahan karat, austenitik stainless (varian karbon tinggi dari 304).
• 321H — Baja tahan karat, austenitik stainless yang distabilkan dengan titanium (varian karbon tinggi dari 321 di mana "H" menunjukkan karbon lebih tinggi untuk kekuatan creep).

Catatan: Penunjukan numerik yang tepat dan batas komposisi dapat bervariasi menurut standar; selalu konfirmasi dengan spesifikasi yang berlaku dan sertifikat pabrik.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: Rentang komposisi tipikal (wt%). Nilai adalah rentang representatif yang umum digunakan dalam spesifikasi; konsultasikan standar pengendali atau laporan uji pabrik untuk batas yang tepat.

Elemen	304H (wt% tipikal)	321H (wt% tipikal)
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
Mn	≤ 2.0 (tip. 1.0–2.0)	≤ 2.0 (tip. 1.0–2.0)
Si	≤ 0.75	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.0 – 19.0	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 10.5	8.0 – 12.0
Mo	~0 (jejak)	~0 (jejak)
V	jejak	jejak
Nb (Cb)	jejak/0	jejak/0
Ti	0 (jejak)	0.15 – 0.7 (stabilizer)
B	jejak	jejak
N	jejak (hingga ~0.1)	jejak (hingga ~0.1)

Bagaimana paduan mempengaruhi sifat - Karbon (C): Karbon yang lebih tinggi dalam kelas "H" meningkatkan penguatan larutan dan kekuatan creep pada suhu tinggi tetapi meningkatkan risiko pembentukan karbida kromium pada suhu menengah jika tidak distabilkan. - Kromium (Cr): Elemen utama untuk ketahanan korosi umum dan pembentukan film pasivasi. - Nikel (Ni): Menstabilkan austenit, meningkatkan ketangguhan dan keuletan, serta membantu ketahanan korosi. - Titanium (Ti) dalam 321H: Bertindak sebagai pembentuk karbida yang secara preferensial mengikat karbon untuk membentuk TiC/Ti(C,N) yang stabil daripada karbida kromium; ini mengurangi sensitasi dan korosi intergranular setelah terpapar pada suhu yang menyensitasi. - Elemen lain (Mn, Si, N): Menyesuaikan sifat mekanik, perilaku deoksidasi, dan ketahanan terhadap pitting (N).

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur - Kedua kelas adalah austenitik (kubus berpusat muka) dalam kondisi larutan-annealed. Fitur utama adalah matriks austenit dengan kemungkinan karbida halus, nitrit, dan presipitat penstabil tergantung pada kimia dan sejarah termal. - 304H: Dengan karbon yang lebih tinggi, ada kecenderungan meningkat untuk membentuk karbida kromium (Cr23C6) di sepanjang batas butir ketika terpapar pada rentang sensitasi (~425–850 °C). Jika didinginkan dari larutan anneal tanpa stabilisasi, sensitasi dapat terjadi di bawah siklus termal tertentu. - 321H: Titanium secara preferensial membentuk presipitat TiC/Ti(C,N), mengikat karbon dan mengurangi atau mencegah presipitasi karbida Cr di batas butir.

Respons perlakuan panas - Larutan annealing (tipikal untuk stainless austenitik): anneal suhu tinggi diikuti dengan pendinginan cepat mengembalikan austenit yang homogen dan melarutkan sebagian besar presipitat. Untuk kedua kelas, larutan anneal adalah cara standar untuk menghilangkan sensitasi sebelumnya jika larutan penuh dapat dilakukan. - Stabilisasi: Kandungan titanium 321H tidak memerlukan perlakuan panas stabilisasi khusus di luar larutan anneal normal; stabilisasi terjadi secara metalurgi melalui pembentukan TiC. - Pekerjaan dingin dan penuaan: Pekerjaan dingin meningkatkan kekuatan tetapi dapat meningkatkan kerentanan terhadap retak korosi stres di lingkungan klorida untuk stainless austenitik mana pun. - Normalisasi/penyemprotan & tempering: Tidak berlaku dalam arti tradisional karena ini adalah kelas stainless austenitik yang tidak berubah; mereka tidak merespons penyemprotan dan tempering dengan cara yang sama seperti baja feritik atau martensitik.

4. Sifat Mekanik

Tabel: Rentang sifat mekanik tipikal (suhu ruangan, kondisi annealed/larutan-annealed). Ini adalah representatif dan sangat tergantung pada bentuk produk, suhu, dan perlakuan panas.

Sifat	304H (tipikal)	321H (tipikal)
Kekuatan tarik (MPa)	~500 – 700	~480 – 700
Kekuatan luluh (0.2% bukti, MPa)	~200 – 310	~200 – 310
Peregangan (%)	~40 – 60	~40 – 60
Kekerasan impak (Charpy V, J)	Baik pada RT; menurun dengan pekerjaan dingin	Baik pada RT; menurun dengan pekerjaan dingin
Kekerasan (HB/HRB)	Relatif rendah dalam kondisi annealed	Mirip dengan 304H dalam kondisi annealed

Penjelasan - Kekuatan: Kedua kelas memiliki sifat tarik dan luluh yang secara umum mirip dalam kondisi annealed. Perbedaan kecil dapat terjadi karena kandungan Ni dan perbedaan kecil dalam keadaan karbon/penstabil. Peningkatan karbon "H" memberikan kekuatan suhu tinggi yang sedikit lebih baik dibandingkan dengan 304 standar pada suhu layanan yang lebih tinggi. - Ketangguhan/keuletan: Struktur austenitik memberikan keuletan dan ketangguhan yang sangat baik pada suhu ambien untuk keduanya. Pekerjaan dingin dan presipitat yang membuat rapuh (misalnya, karbida Cr yang terus menerus) dapat mengurangi ketangguhan. - Suhu tinggi: 304H dan 321H mempertahankan keuletan pada suhu tinggi; namun, karena 321H menahan presipitasi karbida, ia lebih disukai di mana paparan berulang atau berkepanjangan dalam rentang sensitasi diharapkan dan di mana sifat korosi setelah siklus termal sangat penting. Untuk ketahanan creep jangka panjang pada suhu tinggi, konsultasikan data creep yang spesifik untuk produk/perlakuan panas.

5. Kelayakan Las

Kedua 304H dan 321H dianggap dapat dilas dengan proses standar (SMAW, GMAW/MIG, GTAW/TIG, dll.), tetapi ada pertimbangan penting:

• Karbon/kekerasan: Karbon yang lebih tinggi meningkatkan risiko sensitasi atau pembentukan intermetallic rapuh di HAZ. Stabilisasi (321H) meminimalkan risiko ini dengan mengikat karbon.
• Indeks kelayakan las: Rumus empiris yang umum digunakan untuk memperkirakan risiko kelayakan las meliputi:
• IIW Carbon Equivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Indeks Dearden & Smith (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 (kualitatif): Nilai $CE_{IIW}$ atau $P_{cm}$ yang lebih tinggi berkorelasi dengan kekerasan yang lebih besar dan peningkatan risiko retak HAZ pada baja karbon; untuk baja tahan karat austenitik, rumus ini digunakan dengan hati-hati. Karbon yang lebih tinggi pada 304H dapat meningkatkan sensitivitas terhadap presipitasi karbida HAZ dan memerlukan perhatian terhadap suhu antar las dan perlakuan pasca las. 321H biasanya menunjukkan ketahanan yang lebih baik terhadap serangan intergranular setelah pengelasan karena stabilisasi dengan Ti; ini membuat 321H lebih disukai dalam rakitan suhu tinggi yang dilas di mana paparan rentang sensitasi terjadi.

Panduan praktis - Gunakan bahan habis pakai dengan oksigen rendah, sulfur rendah, dan logam pengisi yang sesuai (setara yang cocok atau distabilkan). - Kontrol input panas dan suhu antar las untuk membatasi presipitasi batas butir. - Untuk layanan kritis di mana korosi intergranular tidak dapat diterima, pilih kelas yang distabilkan (321/321H) atau terapkan larutan annealing pasca las jika memungkinkan.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Konteks stainless austenitik: Keduanya adalah stainless; ketahanan korosi umum di lingkungan pengoksidasi sangat baik karena pasivasi kromium. Serangan lokal (pitting/crevice) tergantung pada tingkat klorida dan tidak berbeda secara material antara keduanya ketika komposisi dan finishing permukaan serupa.
• Sensitasi dan korosi intergranular: 304H, dengan karbon yang tinggi, lebih mungkin membentuk karbida kromium setelah terpapar panas dalam rentang suhu sensitasi, yang dapat menyebabkan korosi intergranular. Stabilisator titanium 321H mengurangi risiko ini dengan membentuk karbida titanium sebagai gantinya.
• PREN (angka setara ketahanan pitting) tidak sangat berguna untuk paduan seri 300 yang bebas molibdenum ini, tetapi rumus umumnya adalah: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dalam kelas ini, Mo secara efektif nol, sehingga perbedaan PREN minimal dan tergantung terutama pada kandungan nitrogen.
• Perlindungan permukaan untuk skenario non-stainless: Tidak berlaku di sini; namun, di lingkungan yang sangat agresif, pelapisan tambahan atau perlindungan katodik mungkin diperlukan.

7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan

• Kemudahan pembentukan: Struktur austenitik memberikan kemudahan pembentukan yang sangat baik dan karakteristik deep-draw untuk kedua kelas dalam kondisi annealed. Pekerjaan dingin meningkatkan kekuatan tetapi mengurangi keuletan.
• Kemudahan pemesinan: Baja tahan karat austenitik tipikal memiliki kemudahan pemesinan yang buruk hingga sedang dibandingkan dengan baja karbon; karbon yang lebih tinggi (304H/321H) tidak secara substansial meningkatkan kemudahan pemesinan. Gunakan bahan alat yang sesuai (ujung karbida), pengaturan yang kaku, dan alat pemotong dengan rake positif tinggi. Harapkan pengerasan kerja selama pemesinan, sehingga kontrol chip dan parameter pemotongan sangat penting.
• Finishing permukaan dan pemolesan: Keduanya dipoles dan selesai dengan baik; 321H mungkin memerlukan parameter pickling/pemolesan yang sedikit berbeda jika partikel TiN/TiC ada setelah fabrikasi.

8. Aplikasi Tipikal

Tabel: Penggunaan umum berdasarkan kelas

304H – Aplikasi tipikal	321H – Aplikasi tipikal
Bagian tungku, pipa suhu tinggi dan bejana tekan di mana kekuatan suhu tinggi yang meningkat diperlukan dan risiko sensitasi dapat dikelola	Komponen knalpot dan turbocharger, saluran pesawat dan dirgantara, pipa proses kimia dan penukar panas yang terpapar siklus termal dan suhu yang menyensitasi
Komponen boiler, tabung superheater/reheater (di mana peningkatan karbon ditentukan untuk creep)	Komponen mesin jet dan turbin gas di mana stabilisasi terhadap serangan intergranular sangat penting
Fabrikasi umum di mana kekuatan suhu tinggi diperlukan dengan sensitivitas biaya	Rakitan yang dilas yang terpapar pada rentang suhu menengah yang memerlukan ketahanan terhadap korosi intergranular setelah pengelasan

Alasan pemilihan - Pilih 304H ketika kekuatan suhu tinggi diperlukan dan siklus termal atau rute fabrikasi akan menghindari sensitasi berkepanjangan atau ketika larutan anneal pasca las dapat dilakukan. - Pilih 321H ketika siklus termal atau pengelasan pada komponen yang terpapar layanan membuat perlindungan terhadap sensitasi sangat penting dan ketika ketahanan korosi intergranular jangka panjang menjadi prioritas.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya relatif: Kedua kelas umumnya diproduksi dan tersedia secara luas. 321H biasanya memiliki premium yang moderat dibandingkan 304H karena penambahan titanium dan kontrol ketat yang diperlukan untuk tingkat penstabil. Harga tergantung pada kandungan Ni, kondisi pasar, dan bentuk (plat, tabung, batang).
• Ketersediaan berdasarkan bentuk produk: Kedua kelas tersedia secara luas dalam bentuk plat, lembaran, tabung, dan pipa; forging tanpa sambungan atau berkualitas tinggi mungkin memiliki waktu tunggu. 304H biasanya ditentukan untuk baja bejana tekan; 321H sering disimpan untuk aplikasi suhu tinggi dan distabilkan.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel: Perbandingan cepat (kualitatif)

Atribut	304H	321H
Kelayakan las	Baik dengan hati-hati; C yang lebih tinggi meningkatkan risiko sensitasi	Sangat baik untuk rakitan yang dilas, siklus termal (distabilkan)
Kekuatan–Ketangguhan (suhu tinggi)	Kekuatan suhu tinggi yang baik karena C yang lebih tinggi	Kekuatan suhu tinggi yang baik; stabilisasi mempertahankan ketangguhan setelah siklus
Biaya	Lebih rendah hingga sedang	Sedang (sedikit lebih tinggi)

Rekomendasi - Pilih 304H jika: Anda memerlukan kekuatan suhu tinggi yang lebih baik dari stainless austenitik karbon tinggi dalam aplikasi di mana paparan termal menghindari waktu lama dalam rentang sensitasi, atau di mana larutan annealing pasca fabrikasi dan praktik pengelasan yang hati-hati dapat diterapkan. Ini cocok ketika sensitivitas biaya menjadi faktor dan manfaat penstabil tidak diperlukan. - Pilih 321H jika: bagian tersebut akan menjalani pengelasan, siklus termal berulang, atau layanan jangka panjang dalam rentang suhu sensitasi dan ketahanan terhadap korosi intergranular sangat penting. 321H lebih disukai ketika meminimalkan perlakuan panas pasca las atau ketika mempertahankan ketahanan korosi setelah fabrikasi menjadi persyaratan utama.

Catatan akhir: Pilihan antara 304H dan 321H harus dibuat dengan merujuk pada suhu layanan spesifik, siklus termal, lingkungan korosi, dan persyaratan regulasi/standar untuk komponen tersebut. Konsultasikan sertifikat uji pabrik, data creep/rupture untuk suhu operasi yang dimaksudkan, dan kualifikasi prosedur pengelasan saat menentukan salah satu kelas.