309 vs 310S – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Gradasi 309 dan 310S adalah baja tahan karat austenitik yang banyak digunakan di mana kekuatan suhu tinggi dan ketahanan oksidasi diperlukan. Insinyur dan profesional pengadaan biasanya mempertimbangkan trade-off antara ketahanan korosi suhu tinggi, kemampuan pengelasan, dan biaya material saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum termasuk komponen tungku, perlengkapan perlakuan panas, saluran suhu tinggi, dan peralatan proses kimia di mana suhu, pemanasan siklik, dan integritas las mendorong pemilihan.
Perbedaan teknis utama antara kedua gradasi ini adalah keseimbangan paduan: 310S dirancang dengan kandungan krom dan nikel yang jauh lebih tinggi dan karbon yang lebih rendah dibandingkan 309, yang meningkatkan korosi panas dan mengurangi risiko sensitisasi; 309 mengandung lebih sedikit nikel dan karbon yang relatif lebih tinggi (dalam gradasi standar) menjadikannya lebih ekonomis tetapi sedikit lebih sensitif terhadap presipitasi karbida di bawah beberapa siklus termal. Karena keduanya tumpang tindih dalam ruang aplikasi, desainer membandingkannya terutama berdasarkan kinerja oksidasi suhu tinggi, kemampuan pengelasan (risiko sensitisasi), dan biaya.
1. Standar dan Penunjukan
- Spesifikasi dan penunjukan umum:
- ASTM/ASME: A240 / SA240 (baja tahan karat tahan panas)
- EN: Keluarga EN 10088 (berbagai penunjukan nasional dan pan-Eropa)
- JIS/GB: Padanan Jepang dan Cina untuk baja tahan karat tahan panas
- UNS: UNS S30900 (309), UNS S31008 (310S)
- Klasifikasi material:
- Keduanya 309 dan 310S adalah baja tahan karat austenitik (kategori tahan karat).
- Mereka bukan baja karbon, baja alat, atau HSLA. Mereka adalah baja tahan karat paduan yang dirancang untuk layanan suhu tinggi.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut menunjukkan elemen paduan kunci yang mendefinisikan perilaku metalurgi 309 dibandingkan 310S. Nilai disajikan secara kualitatif sebagai rentang tipikal dan perbedaan relatif daripada nilai titik tunggal yang terverifikasi — selalu konfirmasi dengan sertifikat pabrik untuk pengadaan.
| Elemen | 309 (rentang tipikal / catatan) | 310S (rentang tipikal / catatan) |
|---|---|---|
| C (karbon) | Sedang (standar 309 memiliki batas C lebih tinggi daripada versi ‘S’) | Karbon rendah (maks C secara substansial dikurangi; membatasi presipitasi karbida) |
| Mn (mangan) | Hingga sedang (meningkatkan kekuatan panas; umum hingga ~2%) | Mirip dengan 309 (alokasi Mn yang sebanding) |
| Si (silikon) | Penambahan kecil untuk ketahanan oksidasi (silikon hingga ~1%) | Si kecil yang mirip untuk ketahanan oksidasi |
| P (fosfor) | Dijaga rendah (pengendalian kotoran) | Dijaga rendah |
| S (sulfur) | Dijaga rendah (meningkatkan kemampuan pembentukan hanya pada gradasi bebas pemesinan) | Dijaga rendah |
| Cr (krom) | Tinggi (ketahanan oksidasi yang baik; lebih rendah dari 310S) | Lebih tinggi (terbaik di antara keduanya; meningkatkan ketahanan oksidasi dan korosi suhu tinggi) |
| Ni (nikel) | Tinggi (tetapi lebih rendah dari 310S) | Tinggi dan lebih tinggi dari 309 (menstabilkan austenit, meningkatkan duktilitas dan ketahanan creep suhu tinggi) |
| Mo (molybdenum) | Umumnya tidak ada dalam jumlah signifikan | Umumnya tidak ada (membatasi perbaikan ketahanan pitting) |
| V, Nb, Ti, B | Bukan elemen paduan utama di keduanya; mungkin muncul dalam varian jejak atau stabilisasi | Nb/Ti jarang digunakan dalam gradasi ini; 310S adalah karbon rendah daripada stabilisasi |
| N (nitrogen) | Rendah hingga sangat rendah | Rendah hingga sangat rendah |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Krom meningkatkan ketahanan oksidasi dan membentuk lapisan oksida pelindung pada suhu tinggi. - Nikel menstabilkan fase austenitik, meningkatkan duktilitas dan kekuatan suhu tinggi, serta meningkatkan ketahanan terhadap stres termal siklik. - Karbon meningkatkan kekuatan tetapi memungkinkan presipitasi karbida (sensitisasi) pada pendinginan lambat melalui 450–850°C; gradasi “S” karbon rendah mengurangi risiko tersebut. - Molybdenum meningkatkan ketahanan pitting tetapi biasanya tidak ada dalam 309/310S.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Mikrostruktur:
- Keduanya 309 dan 310S sepenuhnya austenitik dalam kondisi annealed. Mikrostruktur terdiri dari austenit kubik berpusat muka (FCC) dengan kemungkinan presipitat karbida atau fase sigma di bawah paparan termal tertentu.
- Respons perlakuan panas:
- Baja tahan karat austenitik tidak dapat dikeraskan dengan strategi quench-and-temper yang digunakan untuk baja ferritik/martensitik. Penyesuaian kekuatan bergantung pada pengerjaan dingin, annealing larutan, rekristalisasi, dan pengerasan regangan.
- Annealing larutan (praktik industri yang umum) mengembalikan duktilitas dan melarutkan presipitat; suhu annealing larutan yang umum berada dalam rentang umum yang digunakan untuk paduan tahan panas austenitik (konsultasikan produk/standar untuk suhu yang tepat).
- Sensitisasi: Karbon yang lebih tinggi dalam 309 standar dapat menyebabkan presipitasi karbida krom di batas butir jika terpapar pada 450–850°C; 310S (karbon rendah) mengurangi risiko ini, sehingga lebih disukai di mana annealing pasca-las tidak memungkinkan atau di mana siklus layanan berulang kali melewati rentang sensitisasi.
- Fase sigma dan intermetallic lainnya: Paparan lama antara sekitar 600–900°C dapat mendorong pembentukan fase sigma dalam paduan kaya krom, yang membuat material menjadi rapuh; komposisi dan riwayat termal mempengaruhi kerentanan.
4. Sifat Mekanik
Sifat mekanik bervariasi dengan bentuk produk (lembaran, pelat, batang) dan kondisi pengerjaan dingin. Alih-alih angka absolut tunggal, pengguna harus mengandalkan sertifikat pabrik. Di bawah ini adalah tabel kualitatif perbandingan untuk kondisi annealed yang tipikal.
| Sifat | 309 (annealed) | 310S (annealed) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Sebanding dengan baja tahan karat austenitik; sedikit lebih rendah dari 310S dalam beberapa kasus | Mirip atau sedikit lebih tinggi karena kandungan Ni yang lebih tinggi meningkatkan kekuatan suhu tinggi |
| Kekuatan luluh | Mirip; keduanya memiliki kekuatan luluh yang relatif rendah dibandingkan dengan baja ferritik/martensitik | Mirip; 310S mungkin mempertahankan kekuatan sedikit lebih baik pada suhu tinggi |
| Peregangan (duktilitas) | Duktilitas tinggi yang khas dari baja tahan karat austenitik | Duktilitas tinggi; kandungan nikel membantu mempertahankan duktilitas pada suhu tinggi |
| Kekerasan | Kekerasan rendah dalam keadaan annealed (lunak, duktil) | Kekerasan rendah dalam keadaan annealed |
Interpretasi: - Tidak ada gradasi yang digunakan terutama untuk kekuatan statis tinggi pada suhu ambien; mereka dipilih untuk kinerja suhu tinggi dan perilaku korosi/oksidasi. - 310S biasanya memberikan retensi kekuatan dan ketahanan oksidasi yang sedikit lebih baik pada suhu tinggi karena kandungan Cr dan Ni yang lebih tinggi; 309 adalah kompromi antara biaya dan kemampuan suhu tinggi.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan baja tahan karat austenitik umumnya sangat baik dalam hal menghindari fase keras dan rapuh, tetapi perhatian diperlukan untuk sensitisasi, distorsi, dan retak panas.
Indeks yang berguna: - Setara karbon (bentuk IIW) untuk membandingkan kecenderungan pengerasan (kualitatif untuk paduan tahan karat): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm untuk mengevaluasi kecenderungan 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: - 310S memiliki karbon lebih rendah, yang mengurangi risiko korosi intergranular (sensitisasi) setelah pengelasan dan meminimalkan presipitasi karbida — meningkatkan kinerja korosi pasca-las. - Nikel yang lebih tinggi di 310S menstabilkan austenit dan mengurangi kecenderungan terhadap retak panas; kandungan nikel yang lebih rendah pada 309 membuatnya sedikit lebih rentan terhadap masalah terkait las di bawah kondisi tertentu tetapi tetap umumnya dapat dilas dengan logam pengisi austenitik standar. - Suhu pra-panas dan interpass biasanya tidak diperlukan untuk gradasi austenitik ini; namun, pembatasan, desain sambungan, dan pilihan perlakuan panas pasca-las harus mempertimbangkan risiko presipitasi fase sigma jika bagian akan mengalami paparan lama dalam rentang 600–900°C.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Korosi umum dan oksidasi suhu tinggi:
- Kedua gradasi mengandalkan krom untuk mengembangkan lapisan oksida pelindung. 310S, dengan kandungan krom dan nikel yang lebih tinggi, biasanya menawarkan ketahanan oksidasi suhu tinggi yang lebih baik dibandingkan dengan 309.
- Korosi pitting dan celah:
- Baik 309 maupun 310S tidak mengandung molybdenum yang signifikan; oleh karena itu, mereka memiliki ketahanan terbatas terhadap pitting yang diinduksi klorida dibandingkan dengan gradasi yang mengandung Mo. Penggunaan PREN untuk kecenderungan pitting (di mana Mo signifikan) ditunjukkan sebagai: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Dalam aplikasi 309/310S, PREN memiliki kegunaan terbatas karena Mo biasanya tidak ada dan N rendah; ketahanan pitting oleh karena itu sedang.
- Perlindungan permukaan untuk baja non-tahan karat:
- Tidak berlaku — keduanya adalah gradasi tahan karat. Untuk komponen di mana kerusakan permukaan lokal atau lingkungan klorida yang parah diharapkan, pertimbangkan gradasi yang mengandung Mo atau pelapis pelindung.
- Kapan lebih memilih 310S daripada 309:
- Untuk oksidasi suhu tinggi yang berkelanjutan, atmosfer karburisasi, dan paparan termal siklik, 310S lebih disukai karena daya rekat skala yang lebih baik dan kandungan paduan yang lebih tinggi.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan
- Kemudahan pembentukan dan pembengkokan:
- Keduanya mudah dibentuk dalam kondisi annealed; mereka memiliki duktilitas yang sangat baik. Nikel yang lebih tinggi di 310S memberikan kemudahan pembentukan yang sedikit lebih baik pada suhu tinggi dan ketahanan yang lebih baik terhadap pengerasan kerja selama pembentukan.
- Kemudahan pemesinan:
- Baja tahan karat austenitik umumnya "lengket" dan mengeras selama pemotongan; kemudahan pemesinan lebih rendah dibandingkan dengan baja karbon. 309 dan 310S mirip dalam kemudahan pemesinan, dengan 310S kadang-kadang sedikit lebih menantang karena kandungan paduan dan ketangguhan yang lebih tinggi.
- Penyelesaian permukaan:
- Keduanya menerima penyelesaian tahan karat umum (polishing, grinding, bead blasting) dengan baik, tetapi kekerasan alat yang digunakan dan parameter pemotongan harus disesuaikan untuk menghindari pengerasan kerja dan penumpukan pada tepi alat.
8. Aplikasi Tipikal
| 309 — Penggunaan Tipikal | 310S — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Muffle tungku, perlengkapan perlakuan panas di mana ketahanan oksidasi diperlukan dengan biaya moderat | Komponen tungku suhu tinggi, muffle, dan retort yang memerlukan ketahanan oksidasi dan stabilitas siklik yang superior |
| Bagian penukar panas dalam lingkungan udara suhu tinggi yang kurang parah | Komponen yang terpapar atmosfer pengoksidasi yang lebih kuat, tabung radian, pelapis keranjang untuk perlakuan panas |
| Oven industri, pelapis kiln di mana biaya penting dan layanan ekstrem terbatas | Aplikasi dengan paparan berkepanjangan pada 900–1100°C atau layanan suhu tinggi siklik di mana pengurangan sensitisasi sangat penting |
Rasional pemilihan: - Pilih 309 di mana ketahanan oksidasi suhu tinggi diperlukan tetapi batasan anggaran dan kandungan nikel yang lebih rendah penting. - Pilih 310S di mana ketahanan oksidasi suhu tinggi maksimum, ketahanan creep pada suhu tinggi, dan karbon yang lebih rendah untuk menghindari sensitisasi lebih penting daripada biaya material.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif:
- 310S biasanya memiliki harga lebih tinggi daripada 309 karena kandungan nikel dan krom yang lebih tinggi.
- 309 umumnya ditawarkan sebagai opsi baja tahan karat suhu tinggi yang ekonomis.
- Ketersediaan berdasarkan bentuk produk:
- Kedua gradasi tersedia secara luas dalam bentuk lembaran, pelat, tabung, dan batang dari beberapa pabrik. Ketersediaan dapat bervariasi secara regional dan berdasarkan ukuran produk; pengadaan harus mengonfirmasi waktu tunggu untuk bentuk dan penyelesaian yang diperlukan.
- Bentuk stok:
- Bentuk produk standar (lembaran dingin, pelat panas, tabung las) umum; ukuran khusus atau bagian berat mungkin memiliki waktu tunggu yang lebih lama.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif)
| Atribut | 309 | 310S |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Baik; sedikit lebih banyak risiko sensitisasi pada 309 standar dibandingkan 310S | Sangat baik; karbon rendah mengurangi risiko sensitisasi |
| Kekuatan–Ketangguhan (Suhu tinggi) | Baik untuk banyak penggunaan suhu tinggi; lebih rendah dari 310S pada suhu sangat tinggi | Retensi kekuatan suhu tinggi dan duktilitas yang superior |
| Biaya | Lebih rendah (lebih ekonomis) | Lebih tinggi (premium karena kandungan Ni/Cr) |
Rekomendasi (panduan praktis) - Pilih 309 jika: - Aplikasi Anda memerlukan ketahanan oksidasi suhu tinggi yang baik tetapi anggaran terbatas. - Suhu layanan sedang untuk baja tahan panas dan desain memungkinkan perlakuan pasca-las atau paparan terbatas dalam rentang sensitisasi. - Anda memerlukan solusi yang ekonomis untuk keranjang tungku, komponen oven, atau saluran di mana stabilitas termal siklik ekstrem tidak kritis. - Pilih 310S jika: - Anda memerlukan ketahanan oksidasi suhu tinggi yang superior, umur lebih lama di bawah beban termal siklik, atau ketahanan creep yang lebih baik pada suhu tinggi. - Pengelasan tanpa annealing pasca-las diperlukan dan meminimalkan risiko sensitisasi penting. - Aplikasi melibatkan atmosfer pengoksidasi yang lebih agresif atau operasi berkelanjutan mendekati kemampuan suhu maksimum dari paduan ini.
Catatan akhir: Kinerja dan ekonomi tergantung pada komposisi yang tepat, bentuk material, dan kondisi layanan. Selalu verifikasi sertifikat pabrik dan lakukan validasi teknik (pengujian laboratorium, kualifikasi prosedur las, atau analisis termal elemen hingga) saat memilih antara 309 dan 310S untuk aplikasi kritis.