30Cr vs 40Cr – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
30Cr dan 40Cr adalah dua baja paduan karbon yang mengandung kromium yang banyak digunakan yang berasal dari penunjukan GB Tiongkok dan diparalelkan dalam banyak daftar internasional dengan kelas yang memiliki kimia serupa. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering mempertimbangkan kedua kelas ini saat merancang poros, roda gigi, dan komponen tugas menengah di mana keseimbangan kekuatan, ketangguhan, kemampuan pengerasan, biaya, dan kemampuan mesin diperlukan. Konteks keputusan yang khas termasuk memilih kelas untuk jurnal bantalan yang dikuenching dan dipanaskan, memilih material untuk bagian yang dikeraskan, atau mengoptimalkan untuk kemampuan las dibandingkan dengan kekuatan yang dikuatkan secara menyeluruh.
Perbedaan desain utama antara keduanya adalah kandungan karbon: 40Cr memiliki karbon lebih tinggi daripada 30Cr dan oleh karena itu umumnya mencapai kekuatan dan ketahanan aus yang lebih tinggi setelah dikuenching dan dipanaskan, sementara 30Cr menawarkan sedikit lebih baik dalam hal duktilitas dan kemampuan las untuk tambahan paduan tertentu. Karena kromium hadir dalam jumlah yang sebanding, perbandingan biasanya berfokus pada perbedaan yang dipicu oleh karbon dalam kekerasan, ketangguhan, dan respons perlakuan panas.
1. Standar dan Penunjukan
- GB/T (Tiongkok): 30Cr, 40Cr (penunjukan umum dalam seri GB/T 699).
- JIS: Sebanding dengan keluarga SCM (misalnya, SCMn) tergantung pada kimia dan pemrosesan yang tepat.
- EN / EN ISO: Tidak langsung satu-satu tetapi mirip dengan baja kromium karbon menengah yang dinormalisasi/dikuenching dan dipanaskan seperti varian 42CrMo ketika tambahan paduan ada.
- ASTM / ASME: Tidak ada kecocokan nama grade ASTM langsung; kategori sebanding ada di bawah baja paduan menengah AISI/SAE (misalnya, keluarga 5140/4140 sebanding untuk paduan kromium-molibdenum).
- Klasifikasi: Keduanya adalah baja karbon paduan (bukan stainless, bukan HSLA dalam arti modern); digunakan sebagai baja karbon menengah, baja paduan menengah yang cocok untuk perlakuan panas.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut mencantumkan rentang komposisi tipikal yang diterbitkan untuk kelas GB/T 699. Nilai diberikan dalam persen massa. Unsur jejak (Ni, Mo, V, Nb, Ti, B) biasanya berada pada tingkat kotoran atau sengaja tidak ada kecuali varian tertentu dipesan.
| Unsur | 30Cr (rentang tipikal, wt%) | 40Cr (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.27 – 0.34 | 0.37 – 0.44 |
| Mn | 0.50 – 0.80 | 0.50 – 0.80 |
| Si | 0.17 – 0.37 | 0.17 – 0.37 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.80 – 1.10 | 0.80 – 1.10 |
| Ni | ≤ 0.30 (jejak) | ≤ 0.30 (jejak) |
| Mo | ≤ 0.08 (jejak) | ≤ 0.08 (jejak) |
| V, Nb, Ti, B, N | jejak/≤ batas yang ditentukan | jejak/≤ batas yang ditentukan |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon: kontrol utama kekuatan dan kekerasan yang dapat dicapai setelah dikuenching/dipanaskan; karbon yang lebih tinggi meningkatkan kekuatan dan ketahanan aus tetapi mengurangi duktilitas dan kemampuan las. - Kromium: meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan pemanasan; meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan di inti bagian yang lebih tebal. - Mangan dan silikon: deoksidator dan elemen penguat; Mn meningkatkan kemampuan pengerasan secara moderat. - Paduan mikro jejak (V, Nb, Ti) ketika ada memperhalus butir atau mengendapkan karbida/nitrida dan dapat meningkatkan ketangguhan atau ketahanan creep.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur dan respons tipikal:
- Seperti digulung atau dinormalisasi:
- 30Cr: mikrostruktur yang dinormalisasi cenderung menuju pearlite halus dan ferit; karbon yang lebih rendah menghasilkan fraksi ferit yang lebih tinggi dan perilaku yang lebih duktil.
-
40Cr: mikrostruktur yang dinormalisasi mengandung lebih banyak pearlite dan lebih sedikit ferit karena karbon yang lebih tinggi, memberikan kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan dengan 30Cr.
-
Penguapan dan pemanasan:
- Kedua kelas merespons dengan baik terhadap perlakuan penguapan dan pemanasan. Kromium memperpanjang kemampuan pengerasan sehingga keduanya dapat membentuk martensit di bagian menengah ketika dikuenching dengan minyak dari suhu austenitisasi yang sesuai.
- 40Cr mencapai kekerasan setelah dikuenching yang lebih tinggi dan kekuatan yang lebih tinggi setelah pemanasan karena karbon yang lebih tinggi; 30Cr mencapai kekerasan yang lebih rendah pada regimen austenitisasi/pengquench yang sama tetapi ketangguhan yang lebih baik setelah pemanasan.
-
Perilaku pemanasan: kromium membantu ketahanan pemanasan; pada suhu pemanasan yang diberikan 40Cr akan mempertahankan kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan 30Cr.
-
Karburisasi/nitriding:
-
Keduanya dapat dikeraskan; 30Cr terkadang lebih disukai untuk komponen yang dikeraskan permukaan di mana inti yang duktil diinginkan. 40Cr menghasilkan inti yang lebih keras jika tidak dikeraskan secara kasus.
-
Pengolahan termo-mekanis:
- Pemrosesan yang dikendalikan atau perlakuan termo-mekanis memperhalus ukuran butir dan meningkatkan ketangguhan; efeknya secara umum serupa dalam arah untuk kedua kelas tetapi 30Cr mendapatkan manfaat proporsional lebih banyak dalam peningkatan duktilitas karena karbon yang lebih rendah.
4. Sifat Mekanik
Tabel berikut memberikan rentang sifat indikatif yang tipikal dari kondisi perlakuan panas yang umum digunakan. Nilai bersifat ilustratif dan sangat tergantung pada ukuran bagian, perlakuan panas yang tepat, dan standar pengujian; gunakan sertifikat pemasok untuk data yang kritis untuk desain.
| Sifat (rentang tipikal) | 30Cr (dinormalisasi / Q&T) | 40Cr (dinormalisasi / Q&T) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | 520 – 700 (dinormalisasi); 700 – 1000 (Q&T, tergantung pada pemanasan) | 600 – 780 (dinormalisasi); 800 – 1050 (Q&T, tergantung pada pemanasan) |
| Kekuatan luluh (MPa) | 300 – 480 (dinormalisasi); 480 – 900 (Q&T) | 350 – 540 (dinormalisasi); 600 – 950 (Q&T) |
| Peregangan (%) | 12 – 20 (dinormalisasi); 8 – 15 (Q&T) | 10 – 18 (dinormalisasi); 6 – 14 (Q&T) |
| Ketangguhan impak (J, suhu ruang) | Sedang hingga baik; lebih tinggi dari 40Cr untuk kekuatan yang serupa | Baik pada kondisi dinormalisasi; lebih rendah dari 30Cr pada tingkat kekuatan yang sebanding |
| Kekerasan (HB atau HRC) | HB ~ 160–240 (dinormalisasi); hingga HRC 20–55 setelah Q&T | HB ~ 170–240 (dinormalisasi); hingga HRC 25–58 setelah Q&T |
Mana yang lebih kuat, lebih tangguh, atau lebih duktil, dan mengapa: - Kekuatan: 40Cr umumnya mencapai kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi karena karbon yang lebih tinggi (lebih banyak fraksi martensit dan pearlite saat dikeraskan). - Ketangguhan: Untuk tingkat kekuatan yang diberikan, 30Cr umumnya menunjukkan ketangguhan yang lebih baik karena karbon yang lebih rendah mengurangi kerapuhan dan menurunkan sensitivitas terhadap retakan. - Duktilitas: 30Cr lebih duktil dalam kondisi sebanding karena kandungan karbon yang lebih rendah.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las tergantung terutama pada ekuivalen karbon dan kemampuan pengerasan lokal. Dua indeks empiris yang umum digunakan:
-
Ekuivalen Karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm Internasional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - Ekuivalen $CE_{IIW}$ atau $P_{cm}$ yang lebih tinggi menunjukkan risiko retakan dingin yang lebih tinggi dan kebutuhan yang lebih besar untuk pemanasan awal, suhu antar yang terkontrol, dan perlakuan panas pasca-las. - Karena 40Cr memiliki karbon yang lebih tinggi, indeks ekuivalen karbonnya biasanya lebih tinggi dibandingkan dengan 30Cr (dengan asumsi tingkat Mn, Cr yang serupa), sehingga 40Cr relatif lebih sulit untuk dilas tanpa tindakan pencegahan. - Paduan mikro (V, Nb) dan Mn atau Cr yang lebih tinggi meningkatkan kemampuan pengerasan dan membuat martensit yang rentan terhadap retakan lebih mungkin terjadi di HAZ. Untuk kedua kelas, gunakan bahan habis pakai rendah hidrogen, pemanasan awal dan parameter pengelasan yang terkontrol untuk bagian yang lebih tebal atau ekuivalen karbon yang lebih tinggi.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 30Cr maupun 40Cr bukanlah stainless; ketahanan korosi sebanding dengan baja karbon/paduan lainnya dan terbatas di lingkungan yang agresif.
- Strategi perlindungan yang tipikal:
- Pelapisan: galvanisasi celup panas, galvanisasi elektro, atau pelapisan organik (cat, pelapisan bubuk).
- Perlakuan permukaan: fosfatasi untuk adhesi cat, oksida hitam untuk perlindungan korosi ringan.
- Penghalang: sealant atau pelapisan korosif di mana siklus atau paparan garam terjadi.
- Indeks korosi stainless seperti PREN tidak berlaku untuk kelas non-stainless ini. Jika ketahanan korosi adalah pendorong desain, pertimbangkan untuk menentukan baja stainless atau paduan dengan Mo/Ni dan pasivasi yang sesuai daripada hanya mengandalkan kelas ini.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin: Keduanya dapat diproses dalam kondisi yang dikeraskan atau dinormalisasi. Karbon yang lebih tinggi (40Cr) dapat mengurangi umur alat saat keras; pemanasan awal dan kondisi pemotongan yang stabil meningkatkan hasil. 30Cr sedikit lebih mudah untuk diproses dan dapat mencapai hasil permukaan yang lebih baik untuk alat yang sama.
- Kemampuan pembentukan/penekukan: 30Cr lebih mudah untuk dibentuk atau ditekuk dingin karena kekuatan luluh yang lebih rendah dan duktilitas yang lebih tinggi. 40Cr mungkin memerlukan jari-jari penekukan yang lebih tinggi atau pemanasan sebelum pembentukan.
- Penggilingan dan penyelesaian: Kekerasan yang lebih tinggi dari 40Cr setelah perlakuan panas membuat penggilingan dan penyelesaian lebih menuntut (abrasif yang lebih keras, umpan yang lebih lambat).
- Distorsi perlakuan panas: Kemampuan pengerasan yang lebih besar dan transformasi martensit di 40Cr dapat meningkatkan risiko distorsi saat dikuenching; penempatan dan strategi pemanasan yang hati-hati sangat penting.
8. Aplikasi Tipikal
| 30Cr — Penggunaan Tipikal | 40Cr — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Poros yang dikeraskan dan dikuenching di mana inti yang duktil diperlukan | Poros tugas berat, poros roda, roda gigi yang memerlukan kekuatan pengerasan yang lebih tinggi |
| Roda gigi dan pinion dengan perlakuan permukaan (inti karbon lebih rendah) | Bagian mesin yang sangat tertekan, poros engkol, roda gigi besar (dikuatkan secara menyeluruh) |
| Baut, stud, dan bagian mekanis umum di mana kekuatan sedang dengan ketangguhan yang baik diperlukan | Rumah bantalan, komponen yang digulung dan ditempa yang memerlukan ketahanan aus yang lebih tinggi |
| Bagian otomotif dengan siklus pengerasan kasus untuk menggabungkan permukaan tahan aus dan inti yang duktil | Alat dan cetakan untuk stres menengah, komponen yang diperlakukan panas yang memerlukan kekerasan lebih tinggi |
Alasan pemilihan: - Pilih 30Cr di mana inti yang lebih tangguh, lebih duktil atau kemampuan las yang lebih baik diperlukan, atau ketika bagian akan dikeraskan permukaan (karburisasi) dengan inti yang lebih lembut. - Pilih 40Cr di mana kekuatan bulk yang lebih tinggi, ketahanan aus, atau kekerasan akhir yang lebih tinggi diperlukan tanpa mengandalkan kasus, dan di mana prosedur perlakuan panas kompatibel.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: Perbedaan biaya material antara 30Cr dan 40Cr biasanya moderat; 40Cr mungkin sedikit lebih mahal karena kandungan karbon yang lebih tinggi dan terkadang perlakuan panas yang lebih menuntut. Variasi biaya kecil dibandingkan dengan biaya pemrosesan dan perlakuan panas.
- Ketersediaan: Kedua kelas tersedia secara luas dalam bentuk batang, billet, blank yang ditempa, dan komponen yang diproses dari pemasok di daerah di mana kelas GB/T disimpan. Varian khusus dengan elemen paduan mikro mungkin memiliki waktu tunggu.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Karakteristik | 30Cr | 40Cr |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Lebih baik (ekuivalen karbon lebih rendah) | Sedang hingga lebih rendah (CE lebih tinggi) |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Mendukung ketangguhan dan duktilitas pada kekuatan sedang | Mendukung kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi; ketangguhan berkurang pada kekuatan yang sama |
| Biaya (material) | Sedikit lebih rendah atau sebanding | Sedikit lebih tinggi atau sebanding |
Panduan penutup: - Pilih 30Cr jika: - Anda memerlukan duktilitas dan ketangguhan yang lebih baik untuk komponen yang rentan terhadap dampak. - Anda berencana untuk mengkarburasi atau mengeraskan bagian untuk mendapatkan permukaan tahan aus yang keras dengan inti yang duktil. - Kemampuan las dan persyaratan pemanasan awal/pasca-las yang lebih rendah penting untuk fabrikasi.
- Pilih 40Cr jika:
- Kekuatan pengerasan yang lebih tinggi, ketahanan aus atau kekerasan yang lebih tinggi setelah pemanasan diperlukan tanpa pengerasan kasus.
- Desain memerlukan kekuatan statis yang lebih tinggi atau ketahanan terhadap kelelahan permukaan di bagian yang lebih tebal.
- Anda dapat mengelola tindakan pencegahan pengelasan (pemanasan awal, PWHT jika diperlukan) dan kontrol perlakuan panas yang lebih ketat.
Catatan akhir: Untuk komponen yang kritis untuk desain, selalu konfirmasi sertifikat material pemasok, minta laporan uji sifat mekanik untuk perlakuan panas dan ukuran bagian tertentu, dan lakukan percobaan kemampuan las dan distorsi jika memungkinkan. Gunakan rumus ekuivalen karbon yang diberikan di atas untuk memperkirakan kebutuhan pemanasan awal dan perlakuan panas pasca-las untuk kimia dan desain sambungan spesifik Anda.