321 vs 347H – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Memilih antara stainless steel 321 dan 347H adalah titik keputusan umum bagi insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur yang bekerja dengan lingkungan suhu tinggi atau korosif. Pertimbangan biasanya berpusat pada ketahanan korosi di bawah paparan termal, kemampuan pengelasan dan kemudahan fabrikasi, kekuatan suhu tinggi jangka panjang, dan biaya siklus hidup.
Perbedaan utama antara kedua stainless steel austenitik yang distabilkan ini terletak pada strategi stabilisasi mereka terhadap presipitasi karbida pada suhu tinggi: satu grade distabilkan dengan titanium sementara yang lainnya distabilkan dengan niobium dan ditawarkan dalam varian karbon lebih tinggi untuk meningkatkan kekuatan suhu tinggi. Perbedaan ini mengatur ketahanan mereka terhadap serangan intergranular setelah siklus termal, perilaku creep dan pecah, serta mempengaruhi pemilihan untuk perangkat keras tungku, tabung boiler dan superheater, serta komponen pabrik kimia.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan penunjukan umum:
- ASTM/ASME: 321 (sering diberikan sebagai ASTM A240 / ASME SA240), 347H (ASTM A240 / ASME SA240 varian karbon tinggi dari 347)
- EN: ekuivalen muncul sebagai X6CrNiTi17-12 atau serupa untuk 321; varian 347/347H dipetakan ke grade EN dengan stabilisasi kolumbium/niobium
- JIS/GB: standar nasional memberikan penunjukan dan rentang komposisi yang sesuai
- Klasifikasi:
- Baik 321 maupun 347H adalah stainless steel austenitik (keluarga stainless).
- Mereka bukan baja karbon, baja alat, atau HSLA — mereka adalah paduan stainless (tahan korosi) yang ditujukan untuk suhu tinggi.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Kedua grade memiliki kimia matriks austenitik yang sama (komposisi berbasis nikel dan kromium yang menstabilkan austenit) tetapi berbeda dalam elemen stabilisasi dan kontrol karbon.
Tabel: keberadaan/peran elemen (kualitatif)
| Elemen | 321 | 347H | Peran / Catatan |
|---|---|---|---|
| C (karbon) | Austenitik karbon rendah | Varian karbon lebih tinggi (H) | Karbon mempengaruhi kekuatan creep dan perilaku presipitasi |
| Mn (mangan) | Ada (minor) | Ada (minor) | Stabilizer austenit, mempengaruhi pengerjaan panas |
| Si (silikon) | Ada (jejak) | Ada (jejak) | Deoksidator, efek minor pada sifat |
| P (fosfor) | Kontrol jejak | Kontrol jejak | Kontrol kotoran untuk ketangguhan |
| S (sulfur) | Kontrol jejak | Kontrol jejak | Mempengaruhi kemampuan mesin; dijaga rendah |
| Cr (kromium) | Elemen paduan utama | Elemen paduan utama | Penyumbang utama ketahanan korosi |
| Ni (nikel) | Elemen paduan utama | Elemen paduan utama | Menstabilkan austenit, meningkatkan duktilitas dan ketangguhan |
| Mo (molybdenum) | Biasanya minimal/tidak ada | Biasanya minimal/tidak ada | Bukan fitur desain untuk grade ini |
| V (vanadium) | Bukan stabilizer di sini | Bukan stabilizer di sini | Umumnya tidak digunakan dalam grade ini |
| Nb (niobium / kolumbium) | Tidak digunakan sebagai stabilizer utama | Ada sebagai stabilizer | Membentuk Nb-karbonitrida yang mengikat karbida dan batas butir |
| Ti (titanium) | Ada sebagai stabilizer | Mungkin hanya ada dalam jumlah kecil | Membentuk Ti-karbonitrida untuk mencegah presipitasi karbida kromium |
| B (boron) | Jejak jika ada | Jejak jika ada | Bukan penggerak desain |
| N (nitrogen) | Tingkat rendah | Tingkat rendah | Mempengaruhi kekuatan dan ketahanan pitting sedikit |
Penjelasan - Kedua paduan adalah stainless steel austenitik berbasis kromium-nikel. Kromium memberikan film pasif untuk ketahanan korosi umum; nikel menstabilkan fase austenitik dan meningkatkan ketangguhan. - 321 menggunakan titanium sebagai stabilizer: titanium secara preferensial membentuk karbida/nitrida titanium, yang mengikat karbon dan mencegah presipitasi karbida kromium di batas butir selama paparan termal yang lama. - 347H menggunakan niobium (kolumbium) sebagai stabilizer dan disuplai dalam varian karbon lebih tinggi (yang "H") untuk meningkatkan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep. Niobium memiliki aksi stabilisasi yang mirip dengan titanium tetapi sangat efektif ketika dikombinasikan dengan karbon lebih tinggi untuk kekuatan suhu tinggi jangka panjang.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur - Pada suhu kamar, kedua grade adalah austenit fase tunggal (kubus berpusat muka), dengan tambahan paduan dan stabilizer hadir sebagai karbida/nitrida halus. - Presipitat stabilisasi: 321 menunjukkan karbonitrida titanium; 347H menunjukkan karbonitrida niobium. Presipitat ini biasanya halus dan terdistribusi di batas butir dan di dalam butir.
Respons perlakuan panas dan pemrosesan - Stainless steel austenitik umumnya tidak dapat dikeraskan dengan pendinginan cepat; penyesuaian kekuatan dilakukan melalui pengerjaan dingin atau pelunakan larutan. - Pelunakan larutan diikuti dengan pendinginan cepat melarutkan presipitat dan mengembalikan ketahanan korosi jika dilakukan dengan benar. - Untuk grade yang distabilkan, stabilizer mengikat karbon selama pengelasan atau pendinginan lambat, mengurangi risiko presipitasi karbida kromium (sensitisasi). - 347H, dengan karbon lebih tinggi dan niobium, dirancang untuk mempertahankan ketahanan creep yang lebih baik dan menjaga stabilitas batas butir di bawah paparan suhu tinggi yang berkepanjangan; namun, prosedur pengelasan harus tetap mengontrol siklus termal untuk menghindari presipitat yang tidak diinginkan.
Efek proses - Normalisasi bukan praktik standar untuk grade austenitik ini; pelunakan (perlakuan larutan) adalah proses termal biasa untuk mengembalikan struktur setelah fabrikasi. - Pemrosesan termo-mekanis (penggulungan terkontrol untuk tabung atau forging) terutama mempengaruhi ukuran butir dan kekuatan creep; kedua grade merespons dengan cara yang sama dalam hal rekristalisasi dan pertumbuhan butir, tetapi perilaku presipitasi 347H meningkatkan ketahanan creep pada suhu yang lebih tinggi.
4. Sifat Mekanik
Tabel: perbandingan kualitatif pada pertimbangan layanan ambient dan suhu tinggi
| Sifat | 321 | 347H | Catatan |
|---|---|---|---|
| Kekuatan tarik (suhu kamar) | Mirip | Mirip | Keduanya memiliki sifat tarik suhu kamar yang sebanding yang khas dari stainless steel austenitik |
| Kekuatan luluh | Sebanding | Sedikit lebih tinggi pada suhu tinggi | Karbondi 347H yang lebih tinggi dan presipitasi Nb meningkatkan kekuatan suhu tinggi |
| Peregangan / duktilitas | Baik, duktilitas lebih tinggi | Baik, sedikit berkurang duktilitas dibandingkan 321 | Karbondi yang lebih tinggi sedikit mengurangi duktilitas di 347H |
| Ketangguhan impak | Sangat baik pada suhu kamar | Sangat baik pada suhu kamar | Keduanya mempertahankan ketangguhan yang baik; kontrol hati-hati diperlukan setelah pengerjaan dingin |
| Kekerasan | Mirip dalam kondisi pelunakan | Mirip (mungkin sedikit lebih tinggi jika dikerjakan dingin) | Kekerasan meningkat dengan pengerjaan dingin untuk kedua grade |
Interpretasi - Pada suhu kamar, sifat mekanik secara umum mirip, dan keduanya menawarkan ketangguhan dan duktilitas yang baik yang khas dari stainless steel austenitik. - Dalam layanan suhu tinggi jangka panjang, 347H biasanya menawarkan retensi kekuatan tarik/luluh yang lebih baik dan ketahanan creep karena presipitasi karbon dan niobium yang distabilkan yang memperkuat matriks dan memperlambat degradasi batas.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan sangat penting untuk fabrikasi dan keandalan layanan.
Faktor - Baik 321 maupun 347H umumnya dianggap dapat dilas dengan praktik pengelasan stainless austenitik standar, tetapi strategi stabilisasi dan kandungan karbon mempengaruhi kerentanan terhadap sensitisasi dan fase sekunder. - Karbon yang lebih rendah di 321 mengurangi kecenderungan untuk membentuk karbida kromium, dan stabilisasi titanium membantu mencegah sensitisasi. Stabilisasi niobium 347H dan karbon yang lebih tinggi memerlukan perhatian dengan siklus termal las untuk memastikan niobium secara efektif mengikat karbon dan menghindari zona lokal yang kekurangan kromium.
Indeks kemampuan pengelasan umum (untuk interpretasi) - Setara karbon (bentuk IIW) sering digunakan secara kualitatif untuk menilai risiko pengerasan/retak las: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parameter yang lebih rinci untuk stainless steel: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi (kualitatif) - Kedua grade memberikan nilai sedang dalam indeks ini relatif terhadap baja ferritik/yang dikeraskan; mereka tidak rentan terhadap retak dingin yang dibantu hidrogen tetapi dapat menunjukkan retak pembekuan dan pembentukan fase intermetallic yang merugikan jika pengisi atau input panas yang tidak tepat digunakan. - Pemanasan awal umumnya tidak diperlukan untuk stainless steel austenitik, tetapi perlakuan panas pasca pengelasan dan pemilihan pengisi harus dipilih untuk menjaga efektivitas stabilisasi: untuk 321 pastikan rasio titanium terhadap karbon memadai dalam logam las; untuk 347H pilih pengisi dan prosedur yang mengakomodasi stabilisasi niobium dan mencegah pengurangan lokal.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
Korosi umum - Baik 321 maupun 347H bergantung pada kromium untuk membentuk film oksida pasif; mereka memberikan ketahanan korosi umum yang baik di banyak atmosfer dan lingkungan kimia ringan.
Korosi intergranular dan sensitisasi suhu tinggi - Stabilisator (Ti di 321 dan Nb di 347H) secara khusus dimasukkan untuk mencegah presipitasi karbida kromium di batas butir selama paparan pada rentang suhu yang sensitif, sehingga mengurangi kerentanan terhadap korosi intergranular. - Stabilisasi niobium 347H yang dikombinasikan dengan kandungan karbon yang lebih tinggi meningkatkan ketahanan terhadap serangan intergranular selama paparan suhu tinggi yang berkepanjangan dan siklus termal yang umum dalam aplikasi boiler dan superheater.
Penggunaan indeks korosi - Angka Setara Ketahanan Pitting (PREN) relevan untuk menilai ketahanan pitting di lingkungan klorida: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Untuk 321 dan 347H, PREN memiliki utilitas terbatas karena grade ini tidak dirancang terutama untuk ketahanan pitting tinggi (Mo rendah); PREN lebih berarti untuk duplex atau austenitik/ferritik dengan Mo tinggi.
Perlindungan permukaan untuk alternatif non-stainless - Tidak berlaku di sini (keduanya adalah stainless). Untuk baja non-stainless, perlindungan akan mencakup galvanisasi, pengecatan, atau pelapisan.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin: Stainless steel austenitik mengeras dengan cepat; baik 321 maupun 347H memerlukan alat tajam, pengaturan kaku, dan parameter pemotongan yang tepat. 347H (karbon lebih tinggi) mungkin sedikit lebih sulit diproses dibandingkan 321, tetapi perbedaannya kecil.
- Formabilitas dan pembengkokan: Keduanya sangat dapat dibentuk dalam kondisi pelunakan. 321 mungkin menunjukkan formabilitas yang sedikit lebih baik karena kandungan karbon yang lebih rendah, sementara struktur karbon tinggi dan presipitat 347H dapat mengeraskan material.
- Finishing permukaan: Keduanya menjalani proses finishing dan pemolesan yang serupa; perlakuan pickling dan pasivasi adalah standar setelah pengelasan untuk mengembalikan film pasif kaya kromium.
8. Aplikasi Tipikal
| 321 – Penggunaan Tipikal | 347H – Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Komponen knalpot dan penukar panas dalam sistem pesawat dan otomotif | Tabung boiler, tabung superheater dan reheater di pembangkit listrik fosil dan nuklir |
| Peralatan proses kimia yang terpapar suhu tinggi sedang dan atmosfer korosif | Perangkat keras tungku suhu tinggi dan pipa yang memerlukan ketahanan creep jangka panjang |
| Peralatan pengolahan makanan dan perlengkapan perlakuan panas di mana stabilisasi diinginkan | Pipa suhu tinggi petrokimia dan komponen wadah di mana risiko sensitisasi tinggi |
| Komponen aerospace dan mesin di mana stabilisasi titanium dipahami dengan baik | Komponen yang terpapar siklus termal jangka panjang di mana stabilisasi niobium menjaga integritas batas butir |
Rasional pemilihan - Pilih 321 ketika ketahanan korosi suhu tinggi umum dan kemampuan pengelasan yang baik diperlukan, dan biaya atau kemudahan pembentukan menjadi prioritas. - Pilih 347H ketika layanan melibatkan paparan berkepanjangan pada suhu tinggi di mana korosi intergranular (sensitisasi) dan ketahanan creep menjadi perhatian utama, dan biaya material yang sedikit lebih tinggi dapat diterima.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 321 umumnya tersedia dan biasanya lebih murah dibandingkan 347H karena grade yang distabilkan dengan niobium dan karbon tinggi adalah barang khusus dan menggunakan kontrol paduan dan pemrosesan yang lebih mahal.
- Ketersediaan: 321 banyak tersedia dalam bentuk pelat, lembaran, batang, dan tabung las/yang tanpa sambungan. 347H tersedia dalam bentuk produk standar tetapi mungkin kurang umum di beberapa wilayah pasar dan dalam produk tanpa sambungan berdiameter besar — waktu pengiriman dan pesanan minimum bisa lebih lama.
- Catatan pengadaan: tentukan grade dan persyaratan stabilisasi yang tepat (Ti vs Nb, rentang karbon) pada pesanan pembelian untuk menghindari menerima varian non-H dari 347 atau grade yang tidak distabilkan.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel: ringkasan kualitatif
| Kriteria | 321 | 347H |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Baik — lebih mudah dikontrol dengan stabilisasi Ti | Baik — memerlukan perhatian pada stabilisasi Nb dan pemilihan pengisi |
| Kekuatan–Ketangguhan (suhu tinggi) | Baik pada suhu sedang | Kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep yang lebih baik |
| Biaya | Umumnya lebih rendah / banyak tersedia | Umumnya lebih tinggi / grade khusus |
Kesimpulan (rekomendasi) - Pilih 321 jika: - Aplikasi melibatkan suhu tinggi sedang dengan siklus termal sesekali, di mana ketahanan korosi umum yang baik dan kemudahan fabrikasi diperlukan. - Biaya, formabilitas, dan bentuk produk yang mudah tersedia penting. - Pilih 347H jika: - Layanan melibatkan paparan suhu tinggi yang berkepanjangan, stres creep jangka panjang, atau siklus termal berulang yang berisiko sensitisasi dan korosi intergranular. - Retensi sifat mekanik suhu tinggi dan stabilitas batas butir sangat penting dan Anda dapat menerima biaya material yang lebih tinggi serta kontrol pengelasan/fabrikasi yang sedikit lebih menuntut.
Catatan praktis akhir - Untuk komponen kritis yang terpapar layanan suhu tinggi jangka panjang, tentukan grade yang distabilkan, perlakuan panas pasca-fabrikasi yang diperlukan (jika ada), komposisi pengisi las, dan kriteria inspeksi. Keterlibatan awal teknik metalurgi dan pengelasan selama desain dan pengadaan menghindari kegagalan lapangan yang mahal atau pembuatan ulang.