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

Pengenalan

304H dan 321H adalah dua jenis baja tahan karat austenitik yang umum ditentukan untuk aplikasi suhu tinggi dan tahan korosi. Insinyur dan profesional pengadaan sering mempertimbangkan trade-off antara ketahanan korosi, kinerja suhu tinggi, kemampuan las, dan biaya saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum mencakup komponen bejana tekan dan furnace, pipa penukar panas, dan pipa di pabrik petrokimia atau pembangkit listrik.

Perbedaan teknis utama adalah perilaku mereka pada suhu tinggi: 321H distabilkan dengan titanium untuk menahan presipitasi karbida kromium dan korosi serta oksidasi batas butir yang menyertainya selama paparan suhu tinggi yang berkepanjangan, sedangkan 304H mengandalkan karbon yang lebih tinggi untuk mempertahankan kekuatan pada suhu tetapi lebih rentan terhadap sensitisasi kecuali diproses dengan hati-hati. Karena ini, kedua jenis baja sering dibandingkan untuk layanan pada suhu menengah dan tinggi di mana oksidasi, ketahanan creep, dan korosi pasca-las menjadi perhatian.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar dan spesifikasi umum:
• ASTM/ASME: A240/A312 (lembaran, pelat, dan pipa untuk baja tahan karat); A358/A213 untuk beberapa aplikasi suhu tinggi.
• EN: Seri EN 10088 (baja tahan karat).
• JIS: JIS G4303/G4305 setara ada untuk seri 300.
• GB: Standar GB/T untuk baja tahan karat (standar nasional PRC).
• Klasifikasi:
• Baik 304H maupun 321H adalah baja tahan karat (austenitik).
• Mereka bukan baja karbon, baja alat, atau kelas HSLA.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: rentang komposisi tipikal (persentase berat) — rentang mencerminkan pita spesifikasi umum; batas yang tepat tergantung pada standar dan bentuk produk.

Elemen	304H (rentang tipikal)	321H (rentang tipikal)
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.5 – 19.5	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 11.0	9.0 – 12.0
Mo	Biasanya ≤ 0.6 (sering tidak ada)	Biasanya ≤ 0.6 (sering tidak ada)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	≤ 0.7 (biasanya rendah atau tidak ada)	5 × C (min) hingga ≈ 0.7
B	Jejak/dikendalikan	Jejak/dikendalikan
N	Jejak; jumlah kecil	Jejak; jumlah kecil

Catatan: - 304H adalah varian karbon lebih tinggi dari 304 yang dirancang untuk mempertahankan kekuatan tarik pada suhu tinggi; elemen yang distabilkan tidak ditambahkan secara sengaja. - 321H distabilkan titanium: titanium mengikat karbon sebagai karbida/nitrida titanium selama paparan termal, mencegah pembentukan karbida kromium di batas butir. - Kehadiran Ti dalam 321H membedakan strategi paduannya: stabilisasi untuk layanan suhu tinggi dan ketahanan terhadap korosi intergranular setelah siklus sensitisasi.

Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon meningkatkan kekuatan suhu tinggi tetapi meningkatkan risiko sensitisasi (presipitasi karbida kromium) yang dapat menyebabkan korosi intergranular. - Kromium memberikan ketahanan korosi dan ketahanan oksidasi suhu tinggi dengan membentuk lapisan oksida pelindung. - Nikel menstabilkan fase austenitik, meningkatkan ketangguhan dan keuletan. - Titanium (dalam 321H) mengikat karbon dan mengurangi pembentukan karbida kromium, meningkatkan ketahanan terhadap serangan batas butir selama paparan suhu tinggi.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

• Mikrostruktur tipikal (dianil): kedua jenis baja sepenuhnya austenitik (kubus berpusat muka) dalam kondisi dianil. Dispersi karbida atau karbida Ti dapat muncul tergantung pada sejarah termal.
• 304H: kandungan karbon yang lebih tinggi menghasilkan kecenderungan lebih besar untuk presipitasi karbida (Cr23C6) setelah paparan dalam rentang sensitisasi (~450–850 °C). Presipitasi semacam itu terjadi di batas butir dan dapat menyebabkan pengurangan kromium lokal dan korosi intergranular. Tanpa stabilisasi, mikrostruktur setelah paparan dapat menunjukkan jaringan karbida yang kontinu di batas.
• 321H: titanium membentuk karbida/nitrida titanium yang stabil secara preferensial dibandingkan dengan karbida kromium. Ini menghasilkan pengurangan kromium yang lebih sedikit di batas dan mikrostruktur yang lebih tahan terhadap sensitisasi suhu tinggi dan serangan intergranular.

Rute perlakuan panas dan pemrosesan: - Annealing: Anneal tipikal untuk baja tahan karat austenitik (termasuk 304H dan 321H) adalah sekitar 1010–1120 °C diikuti dengan pendinginan cepat untuk mempertahankan struktur austenitik yang homogen. Pendinginan cepat mengurangi presipitasi karbida. - Normalisasi tidak standar untuk jenis austenitik ini karena mereka tidak menunjukkan transformasi ferit-perlit yang khas dari baja karbon. - Pendinginan & tempering: Tidak berlaku dalam arti baja karbon; baja tahan karat austenitik tidak diperkeras melalui transformasi martensitik. - Perlakuan termo-mekanis: Pekerjaan dingin meningkatkan kekuatan melalui pengerasan regangan untuk kedua jenis baja; anneal akhir dapat diterapkan tergantung pada sifat yang diperlukan. - Untuk layanan yang berputar melalui suhu sensitisasi atau memerlukan stabilitas suhu tinggi jangka panjang, 321H memerlukan kontrol panas pasca-las yang lebih sedikit untuk menghindari sensitisasi dibandingkan 304H.

4. Sifat Mekanis

Tabel: Rentang sifat tipikal pada suhu ruangan (indikatif; tergantung pada bentuk produk, ketebalan, dan spesifikasi yang tepat)

Sifat	304H (dianil, tipikal)	321H (dianil, tipikal)
Kekuatan Tarik (MPa)	480 – 700	480 – 700
Kekuatan Luluh, 0.2% (MPa)	190 – 310	190 – 310
Peregangan (%)	40 – 60	40 – 60
Kekerasan Impak (Charpy V, suhu ruangan)	Tinggi; keuletan baik	Tinggi; keuletan baik
Kekerasan (HB atau HRB, dianil)	Rendah–sedang (lunak)	Rendah–sedang (lunak)

Interpretasi: - Pada suhu ruangan dan dalam kondisi dianil, 304H dan 321H memiliki karakteristik kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan keuletan yang sangat mirip karena keduanya adalah baja tahan karat austenitik dengan kandungan Cr dan Ni yang sebanding. - Perbedaan menjadi lebih jelas selama paparan suhu tinggi yang berkepanjangan: 304H dapat kehilangan ketahanan korosi lokal dan keuletan di batas butir jika terensitisasi; 321H mempertahankan kimia batas butir yang lebih stabil dan oleh karena itu mempertahankan ketangguhan dan ketahanan korosi lebih baik dalam kondisi tersebut. - Pemilihan sifat mekanis harus mempertimbangkan bentuk produk (lembaran, pelat, pipa), pekerjaan dingin, dan apakah komponen akan digunakan dalam layanan suhu tinggi yang kritis terhadap creep.

5. Kemampuan Las

Pertimbangan kemampuan las mencakup kandungan karbon (karbon yang lebih tinggi meningkatkan kemampuan pengerasan dan risiko sensitisasi), keberadaan elemen stabilisasi, dan kontrol input panas.

Indeks kemampuan las umum: - Setara Karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Angka setara ketahanan pitting (ketika relevan untuk evaluasi korosi pitting): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - Baik 304H maupun 321H mudah dilas dengan proses standar (TIG, MIG, SMAW, dll.). Karena mereka austenitik, mereka tidak mengeras secara martensitik dan tidak rentan terhadap retak dingin. - Karbon yang lebih tinggi dalam 304H meningkatkan risiko sensitisasi setelah pengelasan jika pendinginan lambat terjadi; ini dapat menyebabkan korosi intergranular di zona yang terpengaruh panas (HAZ). Praktik annealing larutan pasca-las atau pendinginan cepat dapat mengurangi ini. - 321H, dengan stabilisasi titanium, kurang rentan terhadap sensitisasi pasca-las; Ti mengikat karbon selama pemanasan/pengelasan dan membentuk presipitat Ti(C,N) yang stabil, mengurangi pengurangan kromium di batas butir. Ini menjadikan 321H pilihan yang lebih disukai untuk sambungan las yang akan mengalami paparan berkepanjangan dalam rentang sensitisasi. - Untuk kedua jenis baja, praktik pengelasan yang baik—kontrol input panas, suhu antar las, dan penggunaan logam pengisi yang sesuai—menjamin kinerja sambungan yang dapat diterima. Ketika ketahanan korosi di HAZ sangat penting, pilihlah jenis yang distabilkan atau alternatif L-grade karbon rendah (misalnya, 304L).

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Untuk baja tahan karat (baik 304H maupun 321H): lapisan oksida kromium pasif memberikan ketahanan korosi umum. Tidak ada jenis yang mengandung molibdenum signifikan, sehingga ketahanan terhadap pitting dan korosi celah di lingkungan klorida terbatas dibandingkan dengan jenis yang mengandung Mo (misalnya, 316).
• PREN (untuk kesetaraan ketahanan pitting di mana Mo dan N penting): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Karena Mo biasanya tidak ada atau rendah dalam 304H/321H dan N rendah, nilai PREN akan moderat; PREN lebih berlaku untuk austenitik duplex dan yang mengandung Mo.
• Korosi/oksidasi suhu tinggi:
• 321H menunjukkan ketahanan yang lebih baik terhadap korosi intergranular terkait sensitisasi dan adhesi skala selama paparan berkepanjangan pada rentang 500–800 °C karena stabilisasi titanium.
• 304H, meskipun dirancang untuk mempertahankan kekuatan tarik pada suhu tinggi, dapat membentuk karbida kromium di batas butir yang menyebabkan pengurangan kromium lokal dan ketahanan korosi intergranular yang berkurang kecuali input panas dan pendinginan dikontrol.
• Bahan non-tahan karat (tidak berlaku di sini): di mana baja non-tahan karat digunakan, opsi perlindungan mencakup galvanisasi, sistem cat, atau pelapis suhu tinggi; untuk baja tahan karat suhu tinggi, karakteristik lapisan oksida pelindung dan pilihan paduan mendominasi.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk

• Kemampuan mesin: Kedua jenis baja khas untuk baja tahan karat austenitik—perilaku pengerasan dan lengket memerlukan alat yang kaku, kecepatan yang memadai, dan insert yang tajam. Kemampuan mesin sedang dan mirip untuk 304H dan 321H; 321H mungkin sedikit lebih sulit karena keberadaan karbida Ti yang mempengaruhi keausan alat.
• Kemampuan bentuk: Kedua jenis baja sangat ulet dan dapat dibentuk dalam kondisi dianil. Pekerjaan dingin meningkatkan kekuatan melalui pengerasan regangan tetapi mengurangi keuletan.
• Penyelesaian permukaan: Keduanya menggunakan metode penyelesaian stainless umum (penggilingan, pemolesan, elektropolishing) dan merespons dengan cara yang mirip, meskipun inklusi yang mengandung Ti dalam 321H dapat mempengaruhi perilaku mikro-etching.
• Pengelasan dan operasi pasca-las: Seperti yang dicatat, 321H mengurangi kebutuhan untuk anneal larutan pasca-las ketika layanan mencakup paparan suhu tinggi yang berkepanjangan; 304H mungkin memerlukan lebih banyak perhatian untuk menghindari sensitisasi.

8. Aplikasi Tipikal

304H — Penggunaan Tipikal	321H — Penggunaan Tipikal
Bejana tekan dan pipa untuk sistem uap suhu tinggi di mana kekuatan karbon lebih tinggi diperlukan tetapi sensitisasi dapat dikendalikan	Komponen knalpot pesawat, bagian furnace, dan pipa penukar panas yang terpapar suhu tinggi siklik di mana stabilisasi diperlukan
Pipa dan header penukar panas di boiler di mana kekuatan tarik suhu tinggi lebih diperlukan	Peralatan proses kimia dan petrokimia yang terpapar rentang suhu sensitisasi atau dengan siklus termal berulang
Komponen struktural suhu tinggi umum dan fitting di mana ketahanan korosi keluarga 304 dapat diterima	Saluran knalpot, rumah konverter katalitik, dan muffles furnace yang memerlukan kimia batas butir yang stabil pada suhu

Rasional pemilihan: - Pilih 304H ketika ketangguhan suhu ruangan dan kekuatan tarik suhu tinggi yang sedikit lebih tinggi adalah kebutuhan utama dan ketika praktik pengelasan dan pendinginan dapat dikendalikan untuk membatasi sensitisasi. - Pilih 321H ketika layanan melibatkan paparan berkepanjangan dalam rentang suhu sensitisasi, siklus termal berulang, atau ketika perilaku oksidasi/celah di HAZ menjadi perhatian.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya: 321H biasanya sedikit lebih mahal daripada 304H karena penambahan titanium dan penggunaannya yang khusus pada suhu tinggi. Harga pasar berfluktuasi seiring dengan pasar Ni dan elemen paduan.
• Ketersediaan: 304H tersedia secara luas dalam bentuk pelat, lembaran, pipa, dan batang. 321H juga tersedia dalam bentuk produk umum tetapi mungkin memiliki waktu tunggu yang lebih lama untuk beberapa ukuran atau penyelesaian khusus tergantung pada wilayah.
• Tip pengadaan: Tentukan bentuk produk, perlakuan panas yang diperlukan, dan persyaratan anneal pasca-las secara eksplisit untuk menghindari ketidakcocokan rantai pasokan atau biaya fabrikasi yang tidak terduga.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel: Perbandingan cepat

Kriteria	304H	321H
Kemampuan Las	Baik, tetapi risiko sensitisasi HAZ dengan pendinginan lambat	Sangat baik; stabilisasi Ti mengurangi risiko sensitisasi HAZ
Kekuatan–Ketangguhan	Mirip pada suhu ruangan; kekuatan tarik suhu tinggi yang baik	Mirip pada suhu ruangan; mempertahankan ketangguhan intergranular dalam layanan suhu tinggi
Ketahanan terhadap sensitisasi/oksidasi suhu tinggi	Lebih rendah (lebih rentan terhadap presipitasi karbida)	Lebih tinggi (stabilisasi Ti meningkatkan stabilitas suhu tinggi)
Biaya	Lebih rendah	Lebih tinggi (sedikit)

Kesimpulan — Pilih 304H jika: - Komponen memerlukan kandungan karbon lebih tinggi untuk kekuatan tarik pada suhu tinggi tetapi layanan atau praktik pengelasan meminimalkan waktu dalam jendela sensitisasi 450–850 °C. - Biaya dan ketersediaan yang luas adalah pertimbangan utama dan paparan pitting/korosi sedang.

Kesimpulan — Pilih 321H jika: - Layanan melibatkan paparan berkepanjangan pada suhu tinggi, siklus termal berulang, atau situasi di mana sensitisasi pasca-las dan korosi intergranular menjadi perhatian. - Anda memerlukan paduan austenitik yang distabilkan yang lebih baik mempertahankan kromium batas butir dan ketahanan oksidasi di HAZ dan dalam layanan suhu tinggi jangka panjang.

Rekomendasi akhir: - Untuk aplikasi struktural atau tekanan suhu tinggi umum di mana fabrikasi dapat mengontrol pendinginan dan paparan korosi tidak ekstrem, 304H adalah pilihan ekonomis. Untuk komponen yang akan mengalami suhu tinggi yang berkelanjutan, panas siklik, atau lingkungan yang sensitif terhadap las, 321H menawarkan opsi yang lebih kuat dan risiko lebih rendah meskipun dengan premi biaya yang moderat. Validasi pemilihan paduan spesifik dengan profil suhu layanan aktual, prosedur las, dan data korosi untuk lingkungan yang dimaksud.