30CrMo vs 35CrMo – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

30CrMo dan 35CrMo adalah baja paduan kromium-molibdenum yang biasanya ditentukan untuk komponen yang ditempa atau diproduksi yang memerlukan kekuatan dan ketangguhan lebih tinggi dibandingkan baja karbon biasa. Insinyur dan profesional pengadaan biasanya memilih di antara keduanya saat menyeimbangkan ketahanan kelelahan dan aus terhadap kemampuan produksi dan biaya—contohnya termasuk poros, roda gigi, batang penghubung, dan pengikat berkekuatan tinggi.

Dilema pemilihan utama adalah kinerja mekanis: 35CrMo ditentukan untuk kekuatan dan ketahanan aus yang lebih tinggi setelah pendinginan, sementara 30CrMo memberikan keseimbangan yang sedikit lebih baik antara duktilitas, ketangguhan, dan kemampuan pengelasan untuk banyak aplikasi. Dua grade ini sering dibandingkan karena mereka memiliki sistem paduan yang sama (Cr–Mo) dan rute pemrosesan, tetapi berbeda terutama dalam kandungan karbon dan, oleh karena itu, dalam kekuatan dan kemampuan pengerasan yang dapat dicapai.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar dan penunjukan khas di mana grade ini muncul:
• GB/T (Cina): 30CrMo, 35CrMo (grade baja paduan nasional yang umum digunakan).
• EN: fungsi serupa dengan seri EN 34CrMo4/42CrMo4 (ekivalen komparatif, bukan 1:1 yang tepat).
• JIS: ada baja kromium-molibdenum dalam keluarga JIS, tetapi nama ekivalen langsung berbeda.
• ASTM/ASME: tidak ada ekivalen nomor tunggal ASTM langsung; grade yang sebanding dapat ditemukan dalam keluarga AISI/SAE 4130/4140 untuk referensi teknik.
• Klasifikasi: Baik 30CrMo maupun 35CrMo adalah baja paduan rendah, yang telah dikuatkan dan ditempa (bukan stainless, bukan baja alat, bukan HSLA dalam arti yang tepat). Mereka dirancang untuk kekuatan tinggi dan kemampuan pengerasan yang baik.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: rentang komposisi khas (persentase berat). Nilai yang ditunjukkan adalah rentang representatif yang umum digunakan dalam spesifikasi untuk grade gaya GB ini.

Catatan: - Mayoritas perbedaan mekanis berasal dari kandungan karbon (C): 35CrMo mengandung lebih banyak karbon dibandingkan 30CrMo, yang meningkatkan kekuatan dan potensi kekerasan setelah pendinginan. - Kromium (Cr) dan molibdenum (Mo) meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan suhu tinggi, dan ketahanan temper; mereka juga meningkatkan ketahanan terhadap pelunakan temper dibandingkan dengan baja karbon biasa. - Silikon (Si) dan mangan (Mn) berkontribusi pada kekuatan dan deoksidasi; Mn yang berlebihan meningkatkan kemampuan pengerasan dan mempengaruhi kemampuan pengelasan. - Elemen seperti V, Nb, atau Ti dapat muncul pada tingkat rendah dalam varian tertentu untuk memperhalus ukuran butir dan meningkatkan ketangguhan atau ketahanan creep.

Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Karbon meningkatkan kekuatan dan kekerasan tetapi mengurangi duktilitas dan kemampuan pengelasan jika meningkat secara berlebihan. - Cr dan Mo meningkatkan kemampuan pengerasan (memungkinkan pengerasan menyeluruh pada bagian yang lebih besar) dan ketahanan temper; Mo sangat penting untuk mempertahankan kekuatan setelah temper. - Kontrol elemen pengotor (P, S) dan menyeimbangkan Mn/Si sangat penting untuk ketangguhan impak dan kualitas penempaan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur khas: - Dalam kondisi yang dinormalisasi atau dinormalisasi, kedua grade menunjukkan campuran ferit dan perlit dengan ukuran butir yang dipengaruhi oleh parameter penempaan dan normalisasi. - Setelah pendinginan dari suhu austenitisasi, keduanya membentuk martensit (atau bainit tergantung pada ukuran bagian dan laju pendinginan), dengan 35CrMo menghasilkan fraksi volume martensit yang tidak ditempa lebih tinggi untuk pendinginan yang sama karena kandungan karbonnya yang lebih tinggi. - Perlakuan temper yang tepat mengubah martensit menjadi martensit yang ditempa (dispersi semen dalam matriks feritik), yang menetapkan keseimbangan akhir antara kekuatan dan ketangguhan.

Rute perlakuan panas dan efek: - Normalisasi: memperhalus ukuran butir, meningkatkan keseragaman mekanis; digunakan sebagai perlakuan awal untuk penempaan dan untuk memastikan mikrostruktur yang konsisten sebelum pendinginan. - Pendinginan dan temper (Q&T): rute utama untuk kedua paduan untuk mencapai kekuatan tinggi. Suhu temper yang lebih tinggi menurunkan kekerasan dan meningkatkan duktilitas serta ketangguhan. - Pemrosesan termo-mekanis: penempaan dan siklus pendinginan yang terkontrol dapat meningkatkan pemurnian butir dan ketangguhan yang dihasilkan; kedua baja mendapatkan manfaat dari penggulungan yang terkontrol diikuti dengan perlakuan panas yang sesuai untuk memaksimalkan sifat kelelahan dan impak. - Implikasi praktis: karena 35CrMo memiliki kandungan karbon yang lebih tinggi, kontrol yang hati-hati terhadap austenitisasi, tingkat pendinginan, dan temper diperlukan untuk menghindari kerapuhan yang berlebihan. 30CrMo sedikit lebih toleran selama perlakuan panas jika ketangguhan sangat penting.

4. Sifat Mekanis

Tabel: sifat mekanis komparatif (rentang kualitatif dan arah). Nilai absolut sangat bergantung pada bentuk produk dan perlakuan panas; tabel menunjukkan perilaku relatif yang khas setelah proses pendinginan dan temper yang sebanding.

Penjelasan: - Kandungan karbon yang lebih tinggi pada 35CrMo meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan tarik serta kekuatan luluh yang dapat dicapai setelah pendinginan dan temper. Ini membuatnya lebih disukai di mana beban statis atau kelelahan yang lebih tinggi diharapkan. - 30CrMo biasanya akan menunjukkan duktilitas dan ketangguhan impak yang lebih baik pada tingkat kekuatan nominal yang sama karena kandungan karbonnya yang lebih rendah dan kerapuhan martensit yang sedikit lebih rendah setelah pendinginan. - Desainer harus memilih parameter perlakuan panas untuk memenuhi kombinasi kekuatan dan ketangguhan yang diperlukan; misalnya, temper pada suhu yang lebih tinggi memulihkan duktilitas tetapi mengurangi kekuatan maksimum.

5. Kemampuan Pengelasan

Kemampuan pengelasan sangat dipengaruhi oleh ekuivalen karbon dan kemampuan pengerasan. Untuk baja paduan, rumus empiris standar membantu menilai kebutuhan pemanasan awal dan perlakuan panas pasca pengelasan:

• Ekuivalen karbon umum yang digunakan untuk rakitan yang dilas: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Parameter yang lebih komprehensif untuk campuran paduan yang kompleks: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi (kualitatif): - Karena 35CrMo mengandung karbon yang lebih tinggi, ekuivalen karbon dan $P_{cm}$-nya umumnya akan lebih tinggi dibandingkan 30CrMo, menunjukkan kerentanan yang lebih besar terhadap retak dingin dan zona yang terpengaruh panas (HAZ) yang lebih keras. - Untuk kedua grade, Cr dan Mo berkontribusi pada kemampuan pengerasan dan oleh karena itu meningkatkan risiko pengerasan HAZ; Mo memiliki efek yang signifikan pada kekerasan yang dipertahankan setelah pengelasan. - Panduan pengelasan praktis: pemanasan awal, suhu antar proses yang terkontrol, dan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) sering diperlukan untuk kedua grade saat menyambungkan komponen yang lebih tebal dari beberapa milimeter; persyaratan lebih ketat untuk 35CrMo. - Ketika kemampuan pengelasan adalah persyaratan utama, 30CrMo atau alternatif karbon lebih rendah (atau logam pengisi yang disesuaikan untuk ketangguhan) sering lebih disukai untuk meminimalkan kewajiban PWHT.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Baik 30CrMo maupun 35CrMo bukanlah baja tahan karat; mereka tidak memberikan ketahanan korosi yang signifikan hanya berdasarkan komposisi.
• Perlindungan khas: pengecatan, pelapisan bubuk, primer berbasis pelarut, dan galvanisasi celup panas (untuk lingkungan sedang). Untuk lingkungan agresif, penghalang tambahan (pelapis, anoda korosi) atau toleransi korosi harus digunakan.
• Jika analog stainless sedang dipertimbangkan, indeks korosi seperti PREN digunakan: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• PREN tidak berlaku untuk 30CrMo/35CrMo karena mereka bukan stainless; tingkat Cr dan Mo mereka terlalu rendah dan tidak ada nitrogen yang disengaja untuk ketahanan terhadap pitting.
• Catatan praktis: pengerasan permukaan (induksi, nitriding) dapat diterapkan dengan hati-hati, tetapi nitriding dan pengerasan permukaan memerlukan pemilihan bahan dasar dan proses agar tidak memperkenalkan distorsi yang berlebihan atau mengkompromikan sifat inti.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan

• Kemampuan mesin: 35CrMo cenderung sedikit lebih sulit untuk diproses dalam kondisi yang telah diperlakukan panas karena kekerasan yang lebih tinggi; dalam kondisi yang dinormalisasi kedua grade dapat diproses dengan baik, meskipun kontrol chip dan umur alat tergantung pada tingkat karbon dan Mn. Alat karbida dan kecepatan pemotongan yang sesuai direkomendasikan untuk kondisi yang dikeraskan.
• Kemampuan pembentukan/kelenturan: dalam kondisi yang dinormalisasi atau dinormalisasi 30CrMo lebih mudah dibengkokkan/dibentuk karena kekuatan yang lebih rendah dan duktilitas yang lebih tinggi. Pembentukan dingin dari baja paduan ini terbatas; pembentukan panas dan perlakuan panas pasca pembentukan umum untuk bentuk yang kompleks.
• Penyelesaian: penggilingan, peening, dan perlakuan permukaan serupa untuk kedua grade; perhatian terhadap stres residu dan distorsi selama penyelesaian sangat diperlukan, terutama untuk 35CrMo setelah pengerasan.

8. Aplikasi Khas

Alasan pemilihan: - Pilih 30CrMo ketika desain memerlukan kompromi yang baik antara ketangguhan, duktilitas, dan kemampuan mesin dengan kekuatan yang tinggi. - Pilih 35CrMo ketika kekuatan tarik yang lebih tinggi dan ketahanan aus diperlukan dan ketika produksi dapat mengakomodasi prosedur perlakuan panas dan pengelasan yang lebih ketat.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya: 35CrMo biasanya memiliki sedikit premi dibandingkan 30CrMo karena kandungan karbon yang lebih tinggi dan kadang-kadang kontrol pemrosesan yang lebih ketat untuk mencapai ketangguhan yang ditentukan. Namun, perbedaan biaya bahan baku adalah moderat; biaya perlakuan panas dan kontrol pengelasan tambahan berkontribusi lebih banyak pada total biaya bagian untuk 35CrMo.
• Ketersediaan: Kedua grade umumnya tersedia dalam bentuk tempa, batang, dan billet di daerah di mana paduan gaya GB disimpan. Ketersediaan berdasarkan bentuk produk (batang, tempa, tabung tanpa sambungan) bervariasi menurut pemasok dan wilayah—memperoleh varian khusus dengan mikro-paduan atau jejak yang bersertifikat dapat meningkatkan waktu pengiriman.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel yang merangkum trade-off kunci secara kualitatif:

Kesimpulan: - Pilih 30CrMo jika daya tahan dengan keseimbangan ketangguhan-duktilitas yang menguntungkan, pengelasan yang lebih mudah, dan kontrol perlakuan panas yang kurang menuntut adalah prioritas. Aplikasi khas termasuk poros tugas sedang, komponen yang memerlukan beberapa pengelasan, dan bagian di mana ketahanan impak penting. - Pilih 35CrMo jika kekuatan akhir dan kekuatan luluh yang lebih tinggi serta peningkatan kemampuan pengerasan sangat penting, dan rencana manufaktur dapat mengakomodasi prosedur pendinginan/temper dan pengelasan yang lebih hati-hati. Penggunaan khas termasuk roda gigi yang sangat terbebani, pengikat berkekuatan tinggi, dan komponen yang terkena tuntutan kelelahan atau aus yang lebih tinggi.

Tip praktis akhir: Untuk setiap komponen kritis, tentukan kondisi perlakuan panas yang diperlukan, batas kekerasan, persyaratan impak Charpy (jika berlaku), dan kualifikasi prosedur pengelasan dalam dokumen pembelian. Perbedaan kinerja antara 30CrMo dan 35CrMo paling dapat dikelola melalui perlakuan panas yang terkontrol, prosedur pengelasan yang divalidasi, dan inspeksi (pemetaan kekerasan, metalografi, atau pengujian mekanis) daripada hanya mengandalkan nama grade nominal saja.