310S vs 321 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur umumnya menghadapi pilihan antara baja tahan karat 310S dan 321 saat menentukan bagian yang harus menyeimbangkan kinerja suhu tinggi, ketahanan korosi, kemampuan pengelasan, dan biaya. Konteks keputusan yang umum termasuk komponen furnace suhu tinggi, penukar panas, sistem knalpot, dan rakitan yang dilas yang mungkin terpapar pada kondisi sensitisasi.
Perbedaan praktis utama antara kedua grade adalah strategi paduan mereka untuk stabilitas suhu tinggi dan pasca-las: 310S adalah paduan austenitik dengan kromium tinggi dan nikel tinggi yang dioptimalkan untuk ketahanan oksidasi dan creep pada suhu tinggi, sementara 321 adalah paduan austenitik yang distabilkan titanium yang dirancang untuk menahan korosi intergranular setelah pengelasan dengan mencegah presipitasi karbida kromium. Karena perbedaan itu, desainer membandingkan keduanya ketika aplikasi menempatkan tuntutan simultan pada kemampuan suhu, kinerja las, dan ketahanan korosi jangka panjang.
1. Standar dan Penunjukan
Standar dan penunjukan utama yang umum digunakan untuk grade ini termasuk: - ASTM/ASME: 310S — ASTM A240/A240M (baja tahan panas, baja tahan karat), 321 — ASTM A240/A240M (baja tahan karat austenitik yang distabilkan). - EN (Eropa): 310S kira-kira EN 1.4845 / X10CrNi25-21; 321 kira-kira EN 1.4541 / X6CrNiTi18-10. - JIS (Jepang): terdapat ekuivalen (misalnya, SUS310S, SUS321). - GB (Cina): penunjukan GB/T yang sesuai umumnya digunakan untuk lembaran dan pelat.
Klasifikasi: baik 310S maupun 321 adalah baja tahan karat austenitik (kelas paduan tahan karat), bukan baja karbon, baja alat, atau HSLA.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen (wt%) | 310S (rentang tipikal) | 321 (rentang tipikal) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.5 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 24 – 26 | 17 – 19 |
| Ni | 19 – 22 | 9 – 12 |
| Mo | — (jejak jika ada) | — (jejak jika ada) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | — | ~0.4 – 0.7 (stabilizer; biasanya ≥ 5×C) |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
Catatan tentang strategi paduan - 310S mengandalkan kandungan kromium dan nikel yang tinggi untuk menstabilkan matriks austenitik pada suhu tinggi, meningkatkan ketahanan oksidasi dan kekuatan suhu tinggi. - 321 mengandung titanium dalam jumlah yang cukup untuk mengikat karbon sebagai karbida yang stabil (TiC) dan mencegah presipitasi karbida kromium (sensitisasi) dalam rentang 425–870°C. Titanium tidak secara substansial meningkatkan ketahanan korosi dasar, tetapi mempertahankannya setelah pengelasan atau paparan termal.
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat - Kromium meningkatkan ketahanan oksidasi dan stabilitas film pasif. - Nikel menstabilkan matriks austenitik, meningkatkan ketangguhan dan keuletan, serta meningkatkan kekuatan pada suhu tinggi. - Titanium dalam 321 meningkatkan ketahanan korosi intergranular pasca-las dengan membentuk karbida yang stabil alih-alih karbida kromium. - Karbon yang tinggi (tidak tipikal di sini) meningkatkan kekuatan tetapi meningkatkan kerentanan terhadap sensitisasi; kedua grade adalah varian karbon rendah untuk membatasi efek tersebut.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal - Baik 310S maupun 321 sepenuhnya austenitik pada suhu kamar dalam kondisi annealed standar. Struktur butir adalah austenit equiaxed setelah anneal. - 321 dalam kondisi las atau terpapar mengandung presipitat TiC/Ti(C,N) yang mengikat karbon; presipitat ini biasanya halus dan terdistribusi di batas butir dan di dalam butir. - 310S tidak mengandung titanium: dalam ekskursi termal dalam rentang sensitisasi, karbida kromium (Cr23C6) dapat mengendap dekat batas butir kecuali perhatian diambil dengan input panas dan pendinginan.
Respons perlakuan panas dan pemrosesan - Annealing: keduanya di-anneal untuk mengembalikan keuletan setelah pengerjaan dingin (anneal tipikal diikuti dengan pendinginan terkontrol). Solusi untuk austenitik tahan karat biasanya berada di wilayah yang direkomendasikan oleh standar (ikuti lembar data pemasok). - Normalisasi dan quench/temper: tidak berlaku dalam arti yang sama seperti untuk baja martensitik—paduan austenitik ini tidak dikeraskan dengan pendinginan. Respons mereka terhadap quench-and-temper konvensional minimal karena mereka adalah paduan austenitik yang tidak berubah. - Pemrosesan termo-mekanis: pengerjaan dingin meningkatkan kekuatan dengan pengerasan regangan pada kedua grade; namun, pengerjaan dingin ditambah pemanasan selanjutnya dalam 321 tidak menghasilkan sensitisasi pada tingkat yang sama seperti 310S karena titanium menstabilkan karbon.
Implikasi praktis - Untuk komponen yang terkena siklus termal berulang atau pengelasan, 321 menawarkan mikrostruktur pasca-las yang lebih dapat diprediksi dan ketahanan terhadap serangan intergranular. Untuk layanan tahan oksidasi suhu tinggi yang berkelanjutan, kandungan Cr/Ni yang lebih tinggi dari 310S memberikan keuntungan.
4. Sifat Mekanik
| Sifat (tipikal, annealed, suhu kamar) | 310S | 321 |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Sebanding; keduanya sedang (austenitik) | Sebanding; rentang serupa |
| Kekuatan luluh (offset 0.2%) | Sebanding; sedang | Sebanding; sedang |
| Peregangan (keuletan) | Tinggi (formabilitas baik) | Tinggi (formabilitas baik) |
| Kekerasan (annealed) | Rendah hingga sedang (mudah dikerjakan dingin) | Rendah hingga sedang (mudah dikerjakan dingin) |
Interpretasi - Kedua grade menunjukkan perilaku mekanik suhu kamar yang serupa karena keduanya adalah baja tahan karat austenitik dalam kondisi annealed. Perbedaan halus: kandungan Ni dan Cr yang lebih tinggi dari 310S memberikan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep yang sedikit lebih baik; kandungan titanium 321 membantu mempertahankan ketangguhan dan ketahanan korosi setelah pengelasan dan paparan termal. Untuk bagian penopang beban yang kritis dalam desain, desainer harus menggunakan data uji mekanik bersertifikat dari pemasok untuk bentuk produk dan perlakuan panas yang ditentukan.
5. Kemampuan Pengelasan
Pertimbangan kemampuan pengelasan berfokus pada kandungan karbon, elemen stabilisasi, dan kemampuan pengerasan. Untuk baja tahan karat, ekuivalen karbon dan Pcm dapat menjadi indikator kualitatif yang berguna.
Persamaan umum yang digunakan untuk memperkirakan kecenderungan retak las/pengerasan: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif - Baik 310S maupun 321 relatif mudah untuk dilas dibandingkan dengan baja ferritik atau martensitik karena mikrostruktur austenitik tidak mengalami transformasi martensitik dan memiliki kemampuan pengerasan yang rendah. - 321 memiliki keuntungan untuk komponen yang dilas yang terkena siklus termal pasca-las karena titanium mencegah pembentukan karbida kromium dan dengan demikian mengurangi risiko korosi intergranular di zona yang terpengaruh panas (HAZ). - 310S, meskipun dapat dilas, memerlukan kontrol yang hati-hati terhadap parameter pengelasan dan prosedur pasca-las jika rakitan akan melihat suhu yang sensitisasi atau lingkungan korosif; pemilihan pengisi dan pendinginan pasca-las yang tepat sangat penting. - Pemanasan awal dan perlakuan panas pasca-las umumnya tidak diperlukan untuk grade austenitik ini, tetapi praktik pengelasan yang baik (konsumabel yang sesuai, kontrol input panas, dan pembersihan) penting untuk menghindari kontaminasi dan kehilangan nitrogen.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
Perilaku tahan karat - Baik 310S maupun 321 membentuk film pasif kaya kromium yang melindungi dalam lingkungan pengoksidasi; ketahanan mereka terhadap korosi umum serupa di banyak lingkungan akuatik. - 310S memiliki Cr dan Ni yang lebih tinggi, sehingga menawarkan ketahanan oksidasi suhu tinggi yang lebih baik dan kinerja yang lebih baik dalam atmosfer pengoksidasi pada suhu tinggi. - Stabilisasi titanium 321 secara khusus ditargetkan untuk mencegah korosi intergranular setelah terpapar pada rentang suhu sensitisasi.
PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) sering digunakan untuk membandingkan ketahanan pitting dalam lingkungan yang mengandung klorida: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - PREN paling berguna untuk baja tahan karat duplex dan austenitik yang mengandung molibdenum dan nitrogen. Untuk 310S dan 321, yang biasanya mengandung sedikit atau tidak ada Mo, PREN bukanlah kriteria pemilihan utama: keduanya memiliki ketahanan pitting yang sedang relatif terhadap grade yang mengandung Mo.
Alternatif non-tahan karat dan perlindungan permukaan - Di mana grade tahan karat tidak diperlukan, perlindungan permukaan umum termasuk galvanisasi, pengecatan, dan pelapisan. Ini bukan pengganti untuk kinerja tahan karat pada suhu tinggi atau dalam lingkungan pengoksidasi yang agresif; pemilihan tergantung pada kondisi layanan yang diharapkan.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Formabilitas
- Kemudahan pemesinan: Sebagai baja tahan karat austenitik, keduanya lebih sulit untuk diproses dibandingkan dengan baja karbon; mereka mudah mengeras dan memerlukan alat tajam, pengaturan yang kaku, dan umpan/kecepatan yang sesuai. 310S mungkin sedikit lebih sulit untuk diproses karena kandungan paduan yang lebih tinggi, tetapi perbedaannya tidak signifikan.
- Formabilitas: Keduanya menunjukkan keuletan dan formabilitas yang sangat baik dalam kondisi annealed. Pemulihan dan pengerasan kerja adalah pertimbangan umum; anneal perantara mungkin diperlukan untuk pembentukan berat.
- Finishing permukaan dan pemolesan: Ketahanan korosi 310S yang lebih tinggi umumnya menerima pemolesan dengan baik dan tahan terhadap paparan suhu tinggi yang mengoksidasi; 321 juga dapat dipoles dengan baik.
- Pengerjaan dingin: Keduanya dapat dikerjakan dingin untuk meningkatkan kekuatan, tetapi pengerjaan dingin mengurangi keuletan dan dapat mengubah perilaku korosi kecuali di-anneal kembali.
8. Aplikasi Tipikal
| 310S — Penggunaan Tipikal | 321 — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Bagian furnace, muffles, dan tabung radian (layanan oksidasi suhu tinggi) | Komponen knalpot pesawat, sambungan ekspansi, dan peralatan pengolahan kimia yang dilas (distabilkan terhadap korosi intergranular) |
| Komponen penukar panas yang beroperasi pada suhu tinggi | Pengikat, flens, dan fabrikasi yang dilas di mana ketahanan korosi pasca-las sangat penting |
| Pelapis pembakar, keranjang annealing | Peralatan pengolahan petrokimia dan makanan yang terpapar pada beban termal siklik dan pengelasan |
Rasional pemilihan - Pilih 310S di mana ketahanan oksidasi suhu tinggi yang berkelanjutan atau siklik dan kekuatan suhu tinggi adalah persyaratan utama. - Pilih 321 di mana sambungan las harus mempertahankan ketahanan korosi dalam rentang sensitisasi atau di mana komponen akan mengalami siklus termal berulang dan pengelasan yang luas.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 310S biasanya lebih mahal daripada 321 berdasarkan per kilogram karena kandungan nikel dan kromium yang lebih tinggi. Nikel adalah penggerak biaya utama.
- Ketersediaan: Keduanya tersedia secara luas di seluruh dunia dalam bentuk lembaran, pelat, tabung, dan batang, tetapi bentuk produk tertentu (misalnya, tabung seamless diameter besar dalam 310S) dapat kurang umum dan memerlukan waktu tunggu yang lebih lama. Kondisi pasar lokal dan volatilitas harga nikel mempengaruhi biaya relatif dan waktu tunggu.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 310S | 321 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Baik, tetapi perhatikan sensitisasi HAZ dalam beberapa kondisi | Sangat baik untuk struktur yang dilas (distabilkan titanium) |
| Kekuatan–Ketangguhan (suhu kamar) | Sebanding dengan 321; kekuatan suhu tinggi yang lebih baik | Sebanding dengan 310S; ketahanan korosi yang lebih baik setelah pengelasan |
| Biaya | Lebih tinggi (Ni/Cr lebih tinggi) | Lebih rendah (Ni/Cr sedang) |
Rekomendasi - Pilih 310S jika: - Aplikasi memerlukan ketahanan oksidasi suhu tinggi atau ketahanan creep yang superior. - Layanan berkelanjutan pada suhu tinggi atau atmosfer pengoksidasi adalah pendorong desain yang dominan. - Biaya material tambahan dibenarkan oleh kinerja pada suhu.
- Pilih 321 jika:
- Bagian akan sering dilas atau akan terpapar pada siklus termal transien yang dapat menyebabkan sensitisasi.
- Ketahanan jangka panjang terhadap korosi intergranular dalam struktur yang dilas penting.
- Anda menginginkan grade austenitik yang hemat biaya dengan ketahanan korosi umum yang baik dan kinerja pasca-las yang stabil.
Catatan akhir Selalu konfirmasi pemilihan material dengan sertifikat pabrik pemasok dan pertimbangkan geometri komponen, siklus termal yang diharapkan, lingkungan (pengoksidasi vs. reduksi, keberadaan klorida), dan proses fabrikasi. Untuk aplikasi kritis, minta data uji mekanik lengkap untuk bentuk produk tertentu dan, jika ragu, lakukan pengelasan mock-up yang representatif dan pengujian korosi untuk memvalidasi grade yang dipilih dalam kondisi layanan yang dimaksud.