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

Pengenalan

Baja tahan karat austenitik 310S dan 309S sering dianggap berdampingan ketika desainer harus menyeimbangkan kinerja suhu tinggi, ketahanan korosi, kemampuan pengelasan, dan biaya material. Konteks keputusan yang umum termasuk perangkat keras furnace dan fixture perlakuan panas (di mana ketahanan oksidasi dan skala mendominasi), komponen knalpot dan saluran (siklus termal dan korosi), serta rakitan yang dilas di mana risiko distorsi dan retak harus diminimalkan.

Perbedaan praktis utama antara dua grade ini adalah strategi paduannya: keseimbangan kromium dan nikel berbeda, menghasilkan perbedaan yang terukur dalam ketahanan oksidasi suhu tinggi, duktilitas pada suhu tinggi, dan biaya. Karena keduanya adalah baja tahan karat austenitik dengan kimia dasar yang serupa, mereka sering dibandingkan saat memilih material untuk layanan suhu tinggi atau untuk aplikasi yang memerlukan ketahanan korosi dan kemampuan bentuk.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar umum:
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (plat, lembaran)
• EN: Seri EN 10088 (di mana ekuivalen sering dipetakan berdasarkan kimia)
• JIS/GB: Penunjukan lokal ada dalam standar Jepang dan Cina (konsultasikan tabel ekuivalensi)
• UNS: UNS S31008 (310S), UNS S30908 (309S) — konvensi penamaan bervariasi berdasarkan registri
• Klasifikasi:
• Kedua 310S dan 309S adalah baja tahan karat (keluarga austenitik).
• Mereka bukan baja karbon, HSLA, baja alat, atau baja paduan yang dikeraskan dan ditempa.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel berikut memberikan rentang komposisi tipikal (persentase berat) yang sering dikutip dalam spesifikasi industri dan lembar data material. Ini adalah rentang nominal yang representatif—konsultasikan standar yang berlaku atau sertifikat pabrik untuk batas spesifik pengadaan.

Catatan: - Grade "S" menunjukkan versi karbon rendah yang dimaksudkan untuk mengurangi sensitisasi dan korosi intergranular setelah pengelasan; batas karbon aktual tergantung pada standar dan bentuk produk. - Kedua grade pada dasarnya bebas Mo dan mengandalkan Cr dan Ni untuk menstabilkan matriks austenitik.

Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Kromium (Cr): elemen utama untuk ketahanan oksidasi dan korosi umum serta ketahanan terhadap skala pada suhu tinggi. Kromium yang lebih tinggi meningkatkan stabilitas film pasif dan ketahanan oksidasi suhu tinggi. - Nikel (Ni): penstabil austenit yang meningkatkan duktilitas, ketangguhan, dan ketahanan terhadap siklus termal; peningkatan Ni juga mengurangi kerentanan terhadap pembentukan fase sigma dalam beberapa kondisi. - Karbon (C): meningkatkan kekuatan tetapi meningkatkan risiko sensitisasi dan presipitasi karbida dalam rentang 450–850 °C; grade karbon rendah "S" kurang rentan terhadap korosi intergranular setelah pengelasan. - Elemen minor (Mn, Si) berkontribusi pada kekuatan dan ketahanan oksidasi (Si) serta perilaku deoksidasi/proses (Mn).

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur: - Baik 310S maupun 309S sepenuhnya austenitik dalam kondisi annealed di seluruh rentang suhu industri normal. Matriks austenit kubik berpusat wajah (FCC) memberikan ketangguhan yang sangat baik, bahkan pada suhu kriogenik, dan kemampuan bentuk yang baik. - Tidak ada grade yang dapat dikeraskan dengan pendinginan dan tempering konvensional: mereka tidak mengalami transformasi martensitik saat mendingin. Kekuatan biasanya meningkat dengan pengerjaan dingin.

Respons perlakuan panas: - Annealing larutan (umumnya di sekitar 1010–1120 °C) diikuti dengan pendinginan cepat mengembalikan duktilitas dan melarutkan presipitat. Suhu dan waktu tahan yang tepat tergantung pada bentuk produk. - Karena kandungan ferit dapat diabaikan, perlakuan tempering/penuaan yang digunakan untuk baja atau paduan yang diperkuat presipitasi tidak berlaku untuk meningkatkan kekuatan. - Pada suhu menengah (sekitar 450–850 °C), karbida kromium dapat mengendap di batas butir pada material karbon tinggi yang menyebabkan sensitisasi dan kerentanan terhadap korosi intergranular. Grade karbon rendah "S" sangat mengurangi risiko tersebut. - Siklus termal pada suhu tinggi dapat mempromosikan fase sigma pada beberapa baja tahan karat dengan Cr tinggi dan Ni menengah; kontrol yang hati-hati terhadap waktu tahan dan penghindaran paparan berkepanjangan dalam rentang suhu yang rentan mengurangi risiko ini. 310S (dengan Ni tinggi) umumnya kurang rentan terhadap sigma dalam banyak kondisi layanan praktis dibandingkan beberapa paduan Cr tinggi lainnya, tetapi pengguna tetap harus menilai paparan jangka panjang.

4. Sifat Mekanik

Sifat mekanik sangat dipengaruhi oleh bentuk produk (lembaran, plat, batang), pengerjaan dingin, dan riwayat termal. Banyak spesifikasi industri memberikan nilai minimum untuk kondisi annealed. Angka baseline (annealed) tipikal yang digunakan dalam pengadaan ditunjukkan sebagai minimum umum atau rentang representatif:

Interpretasi: - Dalam keadaan annealed, kedua grade secara mekanis dapat dibandingkan karena keduanya austenitik dan sering ditentukan pada minimum yang serupa. Perbedaan dalam duktilitas dan ketangguhan adalah halus dan lebih terlihat pada suhu tinggi di mana keseimbangan paduan (Ni, Cr) mempengaruhi ketahanan creep dan stabilitas. - Pengerjaan dingin (penguatan regangan) akan meningkatkan kekuatan dan kekerasan untuk kedua grade; perilaku pengerasan kerja secara umum serupa karena keduanya tetap austenitik.

5. Kemampuan Pengelasan

Kedua 310S dan 309S dianggap mudah dilas menggunakan metode standar (SMAW, GMAW, GTAW). Pertimbangan kunci dalam pengelasan: - Kandungan karbon rendah dalam grade "S" mengurangi risiko korosi intergranular setelah pengelasan dengan meminimalkan presipitasi karbida kromium. - Struktur austenitik menghindari martensit yang keras dan rapuh di zona yang terpengaruh panas, sehingga retak dingin yang terkait dengan baja martensitik bukanlah masalah. - Namun, ekspansi termal yang tinggi dan konduktivitas termal yang rendah pada austenitik menyebabkan distorsi dan stres residual yang lebih tinggi; retak penyusutan pada las yang sangat tertekan mungkin terjadi.

Indeks kemampuan pengelasan yang berguna: - Setara karbon (rumus IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Setara korosi pitting (untuk penilaian komposisi pengelasan dan kerentanan): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - Karena kedua grade memiliki karbon rendah dan kandungan Ni tinggi (terutama 310S), mereka mendapatkan nilai baik untuk kemampuan pengelasan dalam hal menghindari pengerasan dan retak HAZ. - Kandungan Ni yang lebih tinggi pada 310S dapat meningkatkan ketahanan terhadap retak pembekuan dalam beberapa kondisi dan mempertahankan matriks austenit yang stabil; namun, kandungan paduan yang lebih tinggi sedikit meningkatkan stres termal dan risiko distorsi. - Pemanasan awal biasanya tidak diperlukan; perlakuan panas pasca pengelasan jarang dilakukan untuk meredakan stres dalam layanan normal, tetapi di mana suhu layanan dapat menyebabkan sensitisasi atau pembentukan sigma, konsultasikan panduan metalurgi.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Kedua 310S dan 309S membentuk film oksida kromium pasif yang memberikan ketahanan korosi di lingkungan pengoksidasi. Kimia mereka yang bebas Mo berarti tidak ada yang dioptimalkan untuk ketahanan pitting klorida yang kuat; mereka mengandalkan Cr dan N untuk melawan korosi umum.
• Penggunaan PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) kurang informatif untuk grade bebas Mo tetapi rumusnya masih instruktif: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Karena Mo ≈ 0 untuk keduanya, perbedaan PREN didorong oleh Cr dan N. 310S biasanya memiliki Cr yang sedikit lebih tinggi, yang berpotensi memberikan sedikit keunggulan dalam ketahanan korosi lokal ketika N sebanding.
• Oksidasi suhu tinggi dan skala: 310S, dengan tingkat Cr dan Ni yang lebih tinggi, umumnya menunjukkan ketahanan oksidasi yang lebih baik dan umur yang lebih lama dalam atmosfer pengoksidasi suhu tinggi yang kontinu (furnace, pelapis kiln) dibandingkan 309S.
• Ketika stainless tidak diperlukan atau ketika biaya mendominasi, perlindungan permukaan baja konvensional (galvanisasi celup panas, pengecatan, pelapisan) digunakan. Metode ini tidak cocok untuk lingkungan pengoksidasi suhu tinggi di mana grade stainless dipilih.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk

• Kemampuan bentuk: Kedua grade sangat dapat dibentuk dalam kondisi annealed. Kandungan nikel yang lebih tinggi pada 310S cenderung meningkatkan duktilitas, sehingga operasi pembentukan kompleks dan penarikan dalam dapat lebih menguntungkan 310S, tetapi perbedaan dalam praktik biasanya moderat.
• Kemampuan mesin: Baja tahan karat austenitik mengeras dengan cepat; kemampuan mesin umumnya buruk dibandingkan dengan grade feritik. 309S dan 310S menunjukkan perilaku pemesinan yang serupa; geometri alat yang tepat, pengaturan kaku, dan laju umpan yang terkontrol sangat penting.
• Asap pemotongan dan pengelasan: Pengelasan stainless paduan tinggi menghasilkan lebih banyak asap elemen paduan; pastikan ekstraksi yang tepat dan APD.
• Penyelesaian permukaan: Proses pemolesan dan pengasaman/pasivasi keduanya efektif. Pengerjaan dingin meningkatkan kekerasan permukaan dan dapat sedikit menghambat pemolesan dibandingkan dengan stok annealed.

8. Aplikasi Tipikal

Rasional pemilihan: - Pilih 310S di mana ketahanan oksidasi suhu tinggi, umur panjang dalam layanan kontinu, dan kekuatan/duktilitas suhu tinggi yang superior adalah prioritas—bahkan dengan biaya material yang lebih tinggi. - Pilih 309S ketika kinerja yang dapat diterima dapat dicapai dengan biaya pembelian yang lebih rendah, atau ketika desain lebih menguntungkan untuk fluktuasi suhu sedang dan siklus termal yang sering daripada panas ekstrem yang kontinu.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya relatif: 310S biasanya lebih mahal daripada 309S karena kandungan nikel yang lebih tinggi. Volatilitas harga nikel berkontribusi pada perbedaan biaya.
• Ketersediaan: Kedua grade tersedia secara luas dalam bentuk produk umum (lembaran, plat, pipa, tabung, batang). Ukuran khusus atau bagian berat mungkin memiliki waktu tunggu yang lebih lama; 310/310S sangat umum untuk produk suhu tinggi, sehingga masalah waktu tunggu umumnya dapat dikelola tetapi tergantung pada kondisi pasar.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel ringkasan (kualitatif):

Kesimpulan — panduan praktis: - Pilih 310S jika: - Aplikasi memerlukan ketahanan oksidasi dan skala jangka panjang yang superior pada suhu tinggi yang kontinu. - Duktilitas suhu tinggi dan stabilitas di bawah paparan berkepanjangan penting. - Biaya siklus hidup membenarkan biaya material awal yang lebih tinggi. - Pilih 309S jika: - Aplikasi melibatkan paparan suhu tinggi sedang, siklus termal, atau di mana kinerja suhu tinggi yang sedikit lebih rendah dapat diterima. - Biaya material awal dan ketersediaan adalah perhatian utama. - Anda memerlukan kompromi yang baik antara kemampuan pengelasan, kemampuan bentuk, dan kekuatan suhu tinggi yang wajar.

Catatan akhir: Baik 310S maupun 309S adalah pilihan stainless austenitik yang kuat. Untuk aplikasi suhu tinggi yang kritis terhadap keselamatan atau jangka panjang, konfirmasikan pemilihan akhir dengan data lingkungan desain lengkap, sertifikat material ASTM/EN yang relevan, lembar data pemasok, dan, jika perlu, pengujian laboratorium (pengujian oksidasi, pengujian creep, atau kualifikasi prosedur pengelasan) untuk memvalidasi kinerja di bawah kondisi layanan tertentu.