310S vs 309 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur umumnya menghadapi trade-off saat menentukan baja tahan karat suhu tinggi: ketahanan korosi, kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep, kemampuan pengelasan, dan biaya material. Kelas 310S dan 309 (dan varian karbon rendah "S" mereka) adalah baja tahan karat austenitik yang dipilih untuk layanan suhu tinggi, komponen furnace, dan penyambungan logam yang berbeda—tetapi mereka dioptimalkan sedikit berbeda.

Perbedaan teknis utama antara keduanya adalah keseimbangan paduan mereka: 310S mengandung lebih banyak kromium dan nikel dibandingkan 309, yang menggeser kinerjanya menuju ketahanan oksidasi suhu tinggi dan kekuatan creep yang lebih baik, sementara 309 sering dipilih di mana diperlukan keseimbangan antara kekuatan suhu tinggi yang baik, ketahanan terhadap pengelupasan, dan ekonomi (atau kompatibilitas untuk pengelasan yang berbeda). Karena keduanya adalah baja tahan karat austenitik dengan sifat suhu ruangan yang serupa, pemilihan biasanya didorong oleh suhu layanan yang diharapkan, lingkungan oksidasi, dan anggaran.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar umum:
• ASTM / ASME: A240 (plat/lembar), A182 (untuk forging/fitting pipa dalam beberapa varian), standar spesifik produk lainnya.
• EN: Seri EN 10088 (penunjukan bervariasi menurut penomoran nasional).
• JIS dan GB: ekuivalen nasional dengan komposisi dan sufiks serupa (misalnya, JIS SUS, GB/T).
• UNS: 309/309S (misalnya, UNS S30900 / S30908), 310S (misalnya, UNS S31008).
• Klasifikasi: Baik 309 maupun 310S adalah baja tahan karat austenitik (kelas tahan karat) — bukan baja karbon, baja alat, atau HSLA. Sufiks "S" menunjukkan varian karbon rendah yang dimaksudkan untuk mengurangi sensitisasi selama pengelasan.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel berikut menunjukkan rentang komposisi tipikal untuk 309 (dan 309S) dan 310S (310S karbon rendah). Nilai-nilai tersebut adalah rentang representatif yang digunakan oleh sebagian besar spesifikasi dan standar pabrik; sertifikat produk harus selalu dikonsultasikan untuk pengadaan proyek.

Elemen	309 / 309S (tipikal, wt%)	310S (tipikal, wt%)
C	≤ 0.08 (309S) / hingga ~0.20 (309)	≤ 0.08 (310S karbon rendah)
Mn	1.0 – 2.0	1.0 – 2.0
Si	0.5 – 1.0	0.5 – 1.5
P	≤ 0.04 – 0.045	≤ 0.04 – 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~22 – 24	~24 – 26
Ni	~12 – 15	~19 – 22
Mo	≤ 0.6 (biasanya tidak ada)	≤ 0.6 (biasanya tidak ada)
Nb / Ti / V	biasanya tidak ditambahkan	biasanya tidak ditambahkan
B	hanya jejak	hanya jejak
N	jejak – 0.12	jejak – 0.12

Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Kromium adalah kontributor utama untuk ketahanan oksidasi suhu tinggi dan ketahanan korosi pasif. Kromium yang lebih tinggi meningkatkan pembentukan skala pada suhu tinggi. - Nikel menstabilkan matriks austenitik, meningkatkan duktilitas, dan meningkatkan kekuatan creep dan suhu tinggi. Nikel yang lebih tinggi pada 310S adalah alasan utama untuk kinerjanya yang lebih baik pada suhu yang sangat tinggi. - Kandungan karbon mempengaruhi sensitisasi (presipitasi karbida kromium) selama pengelasan atau pendinginan lambat. Kelas karbon rendah "S" mengurangi risiko korosi intergranular setelah pengelasan. - Mangan dan silikon membantu dengan kemampuan kerja panas dan deoksidasi; tidak ada kelas yang dimaksudkan untuk ketahanan terhadap pitting atau korosi celah karena keduanya mengandung sedikit atau tidak ada molibdenum.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

• Mikrostruktur tipikal: Baik 309 maupun 310S sepenuhnya austenitik dalam kondisi annealed. Ukuran butir dan presipitat tergantung pada sejarah termomekanik dan laju pendinginan.
• Perlakuan panas:
• Baja tahan karat austenitik tidak diperkeras dengan siklus pendinginan dan temper konvensional—sifat mekanik ditentukan oleh pengerjaan dingin dan struktur butir. Annealing larutan (misalnya, 1.040–1.100 °C diikuti dengan pendinginan cepat) melarutkan karbida dan mengembalikan duktilitas.
• Untuk kelas "S", annealing larutan dan pendinginan cepat meminimalkan presipitasi karbida dan mempertahankan ketahanan korosi.
• Efek pemrosesan thermo-mechanical:
• Pengerjaan dingin meningkatkan kekuatan (penguatan kerja) dan dapat mengurangi duktilitas; kedua kelas merespons dengan cara yang sama terhadap pengerjaan dingin.
• Pada suhu layanan yang tinggi, paparan yang lama dapat menyebabkan pertumbuhan butir dan, dengan kelas karbon yang lebih tinggi, presipitasi karbida di batas butir. Kandungan Ni dan Cr yang lebih tinggi pada 310S cenderung memperlambat perubahan mikrostruktur yang merugikan pada suhu yang sangat tinggi dibandingkan dengan 309.
• Normalisasi/pendinginan: Tidak berlaku dengan cara yang sama seperti untuk baja feritik atau martensitik; kontrol siklus termal dan pertimbangan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) berbeda karena kelas austenitik ini mempertahankan ketangguhan dan menahan pengerasan.

4. Sifat Mekanik

Sifat mekanik baja tahan karat austenitik yang telah di-anneal dipengaruhi oleh bentuk produk (lembar, plat, pipa), pengerjaan dingin, dan kimia yang tepat. Tabel di bawah ini merangkum rentang representatif dan tipikal untuk material yang telah di-anneal (nilai-nilai bersifat indikatif; konsultasikan data bersertifikat pemasok untuk perhitungan desain).

Sifat (annealed, tipikal)	309 / 309S	310S
Kekuatan tarik (MPa)	~510 – 750	~520 – 750
Kekuatan luluh, 0.2% (MPa)	~200 – 320	~200 – 320
Panjang regangan (%, dalam 50 mm)	~35 – 55	~35 – 55
Kekerasan impak (Charpy V-notch, J)	Duktile pada RT; mempertahankan ketangguhan	Duktile pada RT; mempertahankan ketangguhan
Kekerasan (HRB)	~80 – 95	~80 – 95

Interpretasi: - Pada suhu ruangan, kedua kelas menunjukkan rentang kekuatan dan duktilitas yang serupa; perbedaan cukup kecil karena keduanya adalah austenitik. - Pada suhu tinggi, 310S umumnya mempertahankan ketahanan skala dan kekuatan creep lebih baik dibandingkan 309, yang disebabkan oleh kandungan Cr dan Ni yang lebih tinggi. - Ketangguhan impak pada suhu ruangan biasanya baik untuk keduanya; tidak ada kelas yang dipilih untuk aplikasi kekerasan tinggi.

5. Kemampuan Pengelasan

Baja tahan karat austenitik umumnya dapat dilas, dan varian karbon rendah "S" meningkatkan ketahanan terhadap sensitisasi. Penilaian kemampuan pengelasan sering menggunakan indeks empiris seperti ekuivalen karbon:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

dan rumus Pcm yang lebih rinci:

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - Kandungan karbon rendah pada 309S dan 310S mengurangi risiko presipitasi karbida kromium dan serangan intergranular setelah pengelasan; ini membuatnya lebih mudah untuk dilas dibandingkan kelas karbon tinggi yang sesuai. - Kedua kelas memiliki kemampuan pengerasan yang rendah (baja tahan karat austenitik tidak membentuk martensit saat pendinginan), meminimalkan risiko retak dingin. Risiko retak saat pengelasan didominasi oleh retak pembekuan, robekan panas, dan kontaminasi daripada transformasi martensitik. - 309 sering digunakan sebagai logam pengisi untuk menyambung baja tahan karat ke baja karbon (karena komposisinya menjembatani keduanya), sedangkan 310S dipilih ketika sambungan harus mempertahankan ketahanan oksidasi suhu tinggi yang lebih baik. - Pemanasan awal dan perlakuan panas pasca pengelasan umumnya tidak diperlukan untuk menghindari transformasi martensitik, tetapi perhatian terhadap pencampuran, suhu antar proses, dan pemilihan pengisi sangat penting untuk layanan suhu tinggi dan atmosfer karburisasi/oksidasi.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Sebagai kelas austenitik tahan karat, baik 309 maupun 310S membentuk film pasif oksida kromium yang memberikan ketahanan korosi umum di lingkungan yang tidak agresif.
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) umumnya digunakan untuk menilai ketahanan terhadap pitting lokal ketika molibdenum dan nitrogen hadir:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Kelayakan:
• Untuk 309 dan 310S, PREN memiliki utilitas terbatas karena keduanya biasanya mengandung sedikit atau tidak ada molibdenum dan hanya tingkat nitrogen rendah; ketahanan mereka terhadap pitting dan korosi celah di lingkungan yang mengandung klorida oleh karena itu terbatas dibandingkan dengan paduan stainless yang mengandung Mo (misalnya, 316, kelas duplex).
• Oksidasi suhu tinggi:
• 310S, dengan Cr dan Ni yang lebih tinggi, memiliki ketahanan skala yang lebih baik dan mempertahankan kekuatan lebih baik pada suhu layanan kontinu yang lebih tinggi dibandingkan 309.
• 309 menawarkan ketahanan oksidasi yang baik hingga suhu tinggi sedang dan dapat lebih ekonomis dalam banyak aplikasi furnace dan perlakuan panas.
• Perlindungan permukaan untuk bagian non-tahan karat: Tidak berlaku untuk kelas tahan karat ini; jika digunakan dalam lingkungan klorida atau asam yang agresif, pertimbangkan pelapisan, pelapisan, atau paduan yang berbeda.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas

• Formabilitas dan pembengkokan: Kedua kelas sangat duktil dan menunjukkan formabilitas yang sangat baik dalam kondisi annealed. Operasi pembentukan lembaran yang tipikal cukup sederhana, tetapi pemulihan harus diperhitungkan karena pengerasan kerja yang tinggi.
• Kemampuan mesin: Baja tahan karat austenitik lebih sulit untuk diproses dibandingkan baja karbon. 309 dan 310S cepat mengeras dan memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah—ini membutuhkan pengaturan yang kaku, alat tajam, dan pengendalian laju umpan. 310S mungkin sedikit lebih duktil dan sedikit lebih mudah diproses dalam beberapa kondisi, tetapi tidak ada yang diklasifikasikan sebagai mudah diproses.
• Penyelesaian permukaan: Keduanya menerima penyelesaian stainless standar dan pemolesan dengan baik. Perhatian harus diberikan untuk menghindari kontaminasi (pengambilan besi) selama fabrikasi, yang dapat mengurangi ketahanan korosi.
• Fabrikasi pengelasan: Gunakan metalurgi pengisi yang sesuai untuk kondisi layanan; pilih pengisi 309 untuk sambungan yang berbeda dan pengisi 310/310S ketika ketahanan oksidasi tinggi diperlukan.

8. Aplikasi Tipikal

309 / 309S (Penggunaan umum)	310S (Penggunaan umum)
Bagian furnace dan lining yang terpapar pemanasan siklik	Elemen furnace dan layanan suhu tinggi kontinu (pemanas, muffles)
Perangkat perlakuan panas dan retort	Wadah proses suhu tinggi dan ducting (atmosfer oksidasi)
Pengisi pengelasan untuk menyambung stainless ke baja karbon	Komponen tahan korosi/oksidasi suhu tinggi hingga suhu praktis tertinggi
Sistem knalpot dan perangkat keras furnace industri	Penukar panas dan peralatan pembakaran di mana Ni/Cr tinggi diperlukan
Joints ekspansi dan lining cerobong	Peralatan proses kaca dan petrokimia pada suhu tinggi

Rasional pemilihan: - Pilih 309 ketika biaya dan kinerja suhu tinggi yang baik diperlukan tetapi suhu layanan maksimum sedang dan ketika sering menyambung ke baja karbon. - Pilih 310S ketika aplikasi memerlukan ketahanan skala jangka panjang yang lebih baik dan kinerja creep pada suhu yang lebih tinggi, dan anggaran memungkinkan untuk biaya paduan yang lebih tinggi.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya relatif: 310S umumnya lebih mahal daripada 309 karena kandungan nikel dan kromium yang lebih tinggi. Volatilitas harga nikel dapat secara signifikan mempengaruhi harga 310S.
• Ketersediaan: Kedua kelas diproduksi secara luas dan tersedia dalam bentuk lembar, plat, pipa, tabung, dan batang. Beberapa bentuk produk khusus atau ukuran sangat besar dari 310S mungkin memiliki waktu tunggu lebih lama dibandingkan 309, tergantung pada inventaris pabrik dan kondisi pasar.
• Tip pengadaan: Untuk proyek yang sensitif terhadap biaya material, evaluasi apakah kinerja lebih tinggi dari 310S pada suhu operasi menghasilkan penghematan siklus hidup (umur lebih panjang, lebih sedikit penggantian) yang mengimbangi biaya material awal yang lebih tinggi.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Sifat	309 / 309S	310S
Kemampuan pengelasan	Luar biasa untuk pengelasan stainless; pengisi yang disukai untuk sambungan yang berbeda	Luar biasa; kelas S karbon rendah mengurangi sensitisasi
Kekuatan–Ketangguhan (RT)	Baik, serupa dengan austenitik lainnya	Baik, serupa pada RT; ketahanan creep/scale suhu tinggi yang lebih baik
Biaya	Lebih rendah	Lebih tinggi

Rekomendasi akhir: - Pilih 310S jika desain Anda memerlukan ketahanan oksidasi suhu tinggi austenitik terbaik yang tersedia dan kinerja creep untuk layanan kontinu atau jangka panjang pada suhu tinggi, atau ketika ketahanan skala oksidasi pada batas atas rentang suhu austenitik sangat penting. - Pilih 309 (atau 309S) jika Anda memerlukan baja tahan karat austenitik yang ekonomis yang menawarkan kekuatan suhu tinggi yang baik, kompatibilitas yang sering untuk pengelasan logam yang berbeda (misalnya, menyambung ke baja karbon atau baja paduan rendah), dan ketahanan skala yang memadai untuk layanan suhu tinggi sedang.

Selalu konfirmasi spesifikasi paduan yang tepat dan sertifikat uji pabrik untuk komponen kritis, dan pertimbangkan data laboratorium atau vendor untuk batas keretakan creep, hasil uji oksidasi, dan kompatibilitas pengisi las untuk lingkungan dan suhu layanan yang dimaksud.