304L vs 321 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
304L dan 321 adalah dua baja tahan karat austenitik yang banyak digunakan dan pemilihannya sering menjadi dilema rekayasa. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur biasanya mempertimbangkan ketahanan korosi, perilaku fabrikasi dan pengelasan, stabilitas suhu tinggi, dan biaya saat memilih di antara keduanya. Perbedaan praktis utama adalah bagaimana masing-masing paduan menangani karbida selama pengelasan dan layanan suhu tinggi: 304L mengandalkan karbon rendah untuk menghindari sensitisasi, sementara 321 mengandalkan stabilisasi titanium untuk mengikat karbon dan mencegah presipitasi karbida kromium.
Karena kedua grade adalah baja tahan karat austenitik dengan kandungan kromium dan nikel yang serupa, mereka sering dibandingkan dalam pipa, bejana tekan, penukar panas, dan komponen yang diproduksi di mana kemampuan pengelasan dan ketahanan korosi suhu tinggi menentukan pilihan.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan penunjukan internasional umum:
- ASTM/ASME: 304L — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S30403), 321 — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32100).
- EN: 304L kira-kira sesuai dengan EN 1.4307; 321 sesuai dengan EN 1.4541 (atau varian 1.4541/1.4550 tergantung pada kandungan titanium).
- JIS, GB: setara nasional ada dengan kimia dan sifat yang serupa (konsultasikan standar spesifik untuk batas yang tepat).
- Klasifikasi: Baik 304L maupun 321 adalah baja tahan karat austenitik (keluarga stainless). Mereka bukan baja karbon, baja paduan, baja alat, atau grade HSLA.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut mencantumkan elemen kunci dan rentang atau maksimum yang khas sesuai dengan spesifikasi umum (rentang adalah khas dan tergantung pada standar/spesifikasi dan bentuk produk).
| Elemen | 304L (rentang spesifikasi khas) | 321 (rentang spesifikasi khas) |
|---|---|---|
| C (maks, wt%) | ≤ 0.03 | ≤ 0.08 |
| Mn (wt%) | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si (wt%) | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| P (wt%) | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S (wt%) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (wt%) | 17.5–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni (wt%) | 8.0–12.0 | 9.0–12.0 |
| Mo (wt%) | — (biasanya ≤0.10) | — (biasanya ≤0.10) |
| V (wt%) | — | — |
| Nb (wt%) | — | — |
| Ti (wt%) | — | biasanya 0.15–0.70 (stabilizer) |
| B (wt%) | — | — |
| N (wt%) | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
Strategi paduan dan efek: - Kromium (Cr) memberikan ketahanan korosi umum dengan membentuk film oksida pasif. - Nikel (Ni) menstabilkan struktur austenitik, meningkatkan ketangguhan dan keuletan. - Karbon rendah pada 304L mengurangi kecenderungan presipitasi karbida kromium (sensitisasi) selama pendinginan lambat setelah pengelasan. - Titanium pada 321 membentuk karbida/nitrida titanium yang stabil, mencegah pembentukan karbida kromium selama paparan pada rentang sensitisasi (~425–850°C). Ini memberikan 321 keuntungan untuk layanan suhu tinggi dan aplikasi yang melibatkan paparan suhu tinggi siklik. - Ketidakhadiran Mo berarti tidak ada grade yang dioptimalkan untuk ketahanan pitting tinggi-klorida; grade yang mengandung Mo (misalnya, 316) lebih disukai untuk klorida.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur: - Baik 304L maupun 321 sepenuhnya austenitik (kubus berpusat muka) dalam kondisi annealed. Mereka menunjukkan ketangguhan dan keuletan yang baik hingga suhu kriogenik. - 304L: matriks austenit dengan presipitasi karbida minimal ketika diperlakukan panas dengan benar atau ketika kandungan karbon dijaga rendah. - 321: matriks austenit dengan presipitat Ti(C,N) yang terdispersi yang bertindak sebagai stabilisator dan mengurangi pembentukan karbida kromium di batas butir.
Respons perlakuan panas: - Baja tahan karat austenitik tidak dapat diperlakukan panas untuk meningkatkan kekuatan dengan pendinginan dan tempering seperti baja feritik/martensitik. Sifat mekanik diperoleh melalui pengerjaan dingin atau dengan stabilisasi/annealing larutan. - Annealing larutan: pemanasan hingga ~1010–1120°C diikuti dengan pendinginan cepat mengembalikan mikrostruktur yang ulet dan tahan korosi untuk kedua grade. - 304L: karena karbon rendah, ia kurang rentan terhadap korosi intergranular setelah pengelasan dan tidak memerlukan stabilisasi. - 321: penambahan titanium membuatnya lebih toleran terhadap pendinginan lambat dari pengelasan atau suhu pelepasan stres; Ti harus ada dalam jumlah yang cukup untuk bergabung dengan karbon yang tersedia (biasanya setidaknya 5×C berdasarkan wt).
Proses termo-mekanis: - Pengerjaan dingin meningkatkan kekuatan dan kekerasan untuk kedua grade melalui pengerasan regangan; rekristalisasi hanya terjadi setelah annealing larutan. - Paparan suhu tinggi: 321 berkinerja lebih baik daripada grade yang tidak distabilkan dalam rentang 400–900°C karena Ti mencegah presipitasi karbida kromium yang menyebabkan sensitisasi.
4. Sifat Mekanik
Rentang sifat mekanik yang khas (kondisi annealed) tergantung pada bentuk produk (lembaran, pelat, batang) dan standar—nilai di bawah ini adalah rentang representatif untuk perbandingan rekayasa.
| Sifat | 304L (annealed, khas) | 321 (annealed, khas) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (UTS) | ~480–700 MPa | ~480–700 MPa |
| Kekuatan luluh (0.2% offset) | ~170–300 MPa | ~170–300 MPa |
| Panjang regangan (dalam 50 mm) | ≥40% (khas) | ≥40% (khas) |
| Kekerasan impak (kualitatif) | Baik, mempertahankan ketangguhan pada suhu rendah | Baik, mirip dengan 304L |
| Kekerasan (HRB/HV) | Sedang (annealed) | Sedang (annealed) |
Interpretasi: - Dalam kondisi annealed, 304L dan 321 memiliki kekuatan, keuletan, dan ketangguhan yang sangat mirip. - Perbedaan dalam kinerja mekanik biasanya kecil pada suhu ambien; keuntungan utama dari 321 terlihat dalam stabilitas suhu tinggi dan ketahanan creep/oksidasi, di mana stabilisasi titanium membantu mempertahankan sifat setelah paparan berkepanjangan.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan tergantung pada karbon, elemen paduan, dan kerentanan terhadap retak pembekuan atau sensitisasi.
Indeks kemampuan pengelasan yang relevan: - Karbon ekuivalen (IIW) adalah indeks yang banyak digunakan untuk menilai pengaruh kemampuan pengelasan dan kekerasan: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Indeks Pcm adalah ukuran lain yang terkait dengan kecenderungan untuk retak dingin dan kemampuan pengelasan: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - 304L: Kandungan karbon yang sengaja rendah mengurangi kontribusi $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ dari karbon, menurunkan risiko korosi intergranular (sensitisasi) setelah pengelasan. Akibatnya, 304L secara luas dianggap mudah untuk dilas dengan logam pengisi konvensional (komposisi yang cocok atau pengisi 308L), dan banyak bengkel fabrikasi lebih memilihnya untuk konstruksi yang dilas yang tidak akan mengalami layanan suhu tinggi yang parah. - 321: Stabilisasi titanium mengurangi sensitivitas terhadap presipitasi karbida di zona yang terpengaruh panas; oleh karena itu, 321 dapat dilas tanpa pembatasan karbon rendah yang sama dan tetap tahan terhadap korosi intergranular pada pendinginan lambat. Namun, praktik pengelasan harus tetap mengontrol pencampuran dan pemilihan pengisi; pengisi 321 yang cocok atau pengisi yang distabilkan sering direkomendasikan untuk aplikasi suhu tinggi yang kritis. - Retak pembekuan dan retak panas umumnya tidak menjadi masalah bagi baja tahan karat austenitik ini dalam fabrikasi normal. Pemanasan awal dan perlakuan panas pasca pengelasan biasanya tidak diperlukan untuk ketebalan struktural, tetapi parameter tergantung pada desain sambungan dan layanan.
Panduan praktis: - Pilih pengisi karbon rendah (misalnya, 308L) untuk logam dasar 304L untuk menjaga karbon rendah dalam logam las dan menghindari sensitisasi. - Untuk 321, pengisi yang distabilkan yang cocok atau pengisi austenitik konvensional dapat diterima ketika suhu las dan layanan dipertimbangkan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 304L maupun 321 adalah tahan karat dan mengandalkan oksida kaya Cr pasif untuk ketahanan korosi. Keduanya tidak memiliki Mo yang signifikan; oleh karena itu, keduanya tidak optimal untuk lingkungan kaya klorida yang rentan terhadap pitting (316/316L atau grade duplex lebih disukai).
- Penggunaan indeks:
- Angka Ekuivalen Ketahanan Pitting (PREN) biasanya digunakan untuk membandingkan ketahanan pitting pada baja tahan karat yang mengandung Mo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Untuk 304L dan 321, Mo ≈ 0 sehingga PREN berkurang menjadi sekitar $\text{Cr} + 16\times\text{N}$; namun, konsep PREN lebih relevan di mana Mo dan nitrogen yang lebih tinggi menghasilkan perbedaan yang terukur.
- Sensitisasi:
- 304L: karbon rendah meminimalkan presipitasi karbida kromium selama pengelasan — ketahanan yang baik terhadap korosi intergranular setelah pengelasan.
- 321: Ti mengikat karbon, memberikan ketahanan terhadap sensitisasi bahkan jika karbon lebih tinggi, yang bermanfaat untuk aplikasi suhu tinggi yang berkelanjutan.
- Metode perlindungan non-tahan karat (untuk baja non-tahan karat) seperti galvanisasi atau pengecatan tidak berlaku untuk grade stainless ini untuk kontrol korosi umum tetapi dapat digunakan untuk perlindungan estetika atau tambahan jika sesuai.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan
- Kemudahan pembentukan: Baik 304L maupun 321 unggul dalam pembentukan dingin dan penarikan dalam karena keuletan austenitik. 304L sedikit lebih populer untuk pembentukan kompleks karena ketersediaannya yang luas dan kimia karbon rendah yang konsisten.
- Kemudahan pemesinan: Baja tahan karat austenitik memiliki kemudahan pemesinan yang buruk dibandingkan dengan baja karbon karena pengerasan kerja yang tinggi; 321 mungkin menunjukkan kemudahan pemesinan yang mirip dengan 304L, dengan perbedaan kecil tergantung pada mikrostruktur akhir dan kandungan inklusi. Gunakan alat tajam, pengaturan kaku, dan kecepatan serta umpan pemotongan yang sesuai.
- Penyelesaian permukaan: Keduanya merespons dengan baik terhadap perlakuan pemolesan dan pasivasi. Elektropolishing meningkatkan ketahanan korosi dan penyelesaian permukaan.
- Fabrikasi pengelasan: 304L biasanya memerlukan pengisi grade L untuk logam las karbon rendah; 321 dapat menggunakan pengisi yang distabilkan terutama ketika struktur akan tetap pada suhu tinggi.
8. Aplikasi Khas
| 304L — Penggunaan khas | 321 — Penggunaan khas |
|---|---|
| Peralatan proses kimia untuk lingkungan yang agak korosif (tanpa klorida berat) | Sistem knalpot pesawat dan manifold suhu tinggi |
| Peralatan pengolahan makanan, susu, tangki pembuatan bir, dan peralatan dapur | Penukar panas dan komponen tungku yang terpapar layanan suhu tinggi siklik |
| Pipa, tangki, dan rakitan las di mana ketahanan korosi pasca pengelasan penting | Komponen otomotif dan petrokimia yang beroperasi dalam rentang 400–900°C |
| Aplikasi arsitektur dan struktural di mana kemampuan pengelasan dan kemudahan pembentukan adalah prioritas | Komponen yang memerlukan stabilisasi terhadap sensitisasi selama paparan suhu tinggi yang berkepanjangan |
Alasan pemilihan: - Gunakan 304L di mana ekonomi fabrikasi, kemampuan pengelasan dengan penanganan khusus minimal, dan ketahanan korosi umum adalah prioritas. - Gunakan 321 di mana layanan mencakup paparan berulang pada suhu tinggi, siklus termal, atau di mana stabilisasi terhadap presipitasi karbida diperlukan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 304L umumnya lebih ekonomis dibandingkan 321 karena diproduksi dalam volume yang lebih tinggi dan tidak memiliki elemen stabilisasi yang mahal dalam inventaris dan pertimbangan pemrosesan. Harga pasar bervariasi dengan kondisi pasar nikel dan kromium.
- Ketersediaan: 304L lebih umum tersedia dalam berbagai bentuk (lembaran, pelat, tabung, batang, kawat) dan penyelesaian permukaan. 321 tersedia secara luas tetapi mungkin kurang umum dalam beberapa bentuk produk khusus atau bagian tebal.
- Catatan pengadaan: Untuk proyek besar, konfirmasi sertifikasi pabrik dan waktu tunggu ketersediaan; grade yang distabilkan seperti 321 dapat memiliki waktu tunggu yang lebih lama untuk bentuk produk tertentu.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif)
| Atribut | 304L | 321 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Luar biasa untuk fabrikasi umum (karbon rendah mengurangi sensitisasi) | Sangat baik; unggul untuk stabilitas pasca pengelasan suhu tinggi karena stabilisasi Ti |
| Kekuatan–Ketangguhan (suhu ambien) | Mirip, ketangguhan dan keuletan yang baik | Mirip, ketangguhan dan keuletan yang baik |
| Stabilitas suhu tinggi | Sedang (dapat sensitisasi jika karbon tidak terkontrol) | Unggul untuk paparan siklik/suhu tinggi (stabilisasi Ti) |
| Biaya | Umumnya lebih rendah | Umumnya lebih tinggi |
| Ketersediaan | Sangat tinggi | Tinggi, tetapi kadang-kadang kurang dalam bentuk khusus |
Rekomendasi: - Pilih 304L jika: aplikasi Anda memerlukan ketahanan korosi umum yang sangat baik, pengelasan yang sering dengan praktik fabrikasi normal, kemudahan pembentukan, dan biaya material yang lebih rendah. 304L adalah pilihan default untuk banyak komponen makanan, farmasi, arsitektur, dan pengolahan kimia umum di mana paparan klorida terbatas. - Pilih 321 jika: komponen akan mengalami paparan berkepanjangan atau siklik pada suhu tinggi (biasanya dalam rentang 400–900°C), atau di mana stabilitas suhu tinggi pasca pengelasan dan ketahanan terhadap presipitasi karbida sangat penting. 321 lebih disukai untuk aplikasi knalpot, tungku, dan penukar panas tertentu di mana stabilisasi titanium mencegah sensitisasi tanpa kontrol karbon rendah yang ketat.
Catatan akhir: Kedua grade adalah baja tahan karat austenitik yang matang dan banyak ditentukan. Pemilihan yang optimal tergantung pada keseimbangan antara praktik fabrikasi (terutama prosedur pengelasan), profil suhu operasi, paparan korosi (klorida vs. umum), dan biaya siklus hidup. Untuk struktur las kritis yang terpapar suhu tinggi, konsultasikan standar material dan insinyur pengelasan untuk menentukan logam pengisi yang sesuai, perlakuan pra/pasca pengelasan, dan pengujian kontrol kualitas.