3Cr13 vs 4Cr13 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

3Cr13 dan 4Cr13 adalah jenis baja tahan karat martensitik yang banyak digunakan dalam komponen di mana ketahanan korosi sedang harus seimbang dengan ketahanan aus dan kekuatan (contoh: peralatan makan, katup, poros, dan bagian pompa). Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering menghadapi trade-off antara kekuatan mekanik/kekerasan dan duktilitas/keterlasan saat memilih antara kedua jenis ini.

Perbedaan teknis utama adalah kandungan karbon yang lebih tinggi pada 4Cr13 dibandingkan 3Cr13, yang meningkatkan kekerasan, kekuatan yang dapat dicapai, dan kekuatan dengan mengorbankan duktilitas dan keterlasan. Karena keduanya memiliki kandungan kromium yang serupa, keduanya menawarkan ketahanan korosi dasar yang sebanding relatif terhadap baja tahan karat martensitik, tetapi pemrosesan dan sifat akhir mereka berbeda terutama karena perbedaan karbon dan paduan yang halus.

1. Standar dan Penunjukan

• Penunjukan utama: konvensi penamaan nasional Tiongkok (GB)—3Cr13 dan 4Cr13.
• Klasifikasi: Baja tahan karat martensitik (tahan karat, dapat dipanaskan, biasanya dapat diperlakukan panas menjadi martensit).
• Perkiraan keluarga yang setara: Jenis ini berada dalam keluarga umum yang sama dengan baja tahan karat martensitik AISI/UNS (sering dibandingkan dengan seri 410/420), tetapi tidak ada jaminan kesesuaian 1:1 di seluruh standar—konsultasikan dokumen standar spesifik atau sertifikat pabrik untuk pemetaan yang tepat.
• Standar lain yang perlu dikonsultasikan untuk bahan martensitik tahan karat yang sebanding: ASTM/ASME (keluarga A240 untuk pelat/lembaran tahan karat; nomor UNS spesifik untuk batang), JIS (seri martensitik SUS), dan EN (penunjukan baja tahan karat martensitik). Selalu verifikasi tabel komposisi dan sifat mekanik dalam standar yang berlaku atau lembar data pemasok.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: Rentang komposisi kimia yang khas (wt%). Ini adalah rentang representatif yang sering digunakan dalam spesifikasi; selalu verifikasi komposisi yang tepat dari sertifikat material.

Elemen	3Cr13 (rentang khas)	4Cr13 (rentang khas)
C	0.18 – 0.30	0.28 – 0.40
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	12.0 – 14.0
Ni	≤ 0.6	≤ 0.6
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.1 (sering tidak ditentukan)	≤ 0.1
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	jejak	jejak

Catatan: - Elemen paduan yang dominan adalah kromium (≈12–14%) untuk memberikan perilaku tahan karat dasar dan mendukung matriks martensitik setelah pendinginan.
- Perbedaan yang disengaja utama adalah karbon: 4Cr13 diformulasikan dengan karbon yang lebih tinggi untuk meningkatkan kekerasan dan kekerasan yang dapat dicapai. Elemen minor (Mn, Si) terutama berfungsi sebagai deoksidator dan akan mempengaruhi kekerasan secara marginal; Mo, V (jika ada) akan sedikit meningkatkan kekerasan dan ketahanan tempering. Ti/Nb/B umumnya tidak ada dalam jumlah yang signifikan untuk jenis ini.

Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Karbon: meningkatkan kekuatan tarik, kekerasan, dan ketahanan aus dengan mempromosikan pembentukan martensit dan karbida; mengurangi duktilitas dan keterlasan.
- Kromium: memberikan ketahanan korosi (film pasif) dan meningkatkan kekerasan; terlalu rendah Cr mengurangi kinerja korosi.
- Mo, V: ketika ada dalam jumlah kecil, meningkatkan ketahanan tempering dan ketahanan aus.
- Mn/Si: sedikit mempengaruhi deoksidasi, kekuatan, dan ketangguhan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Kedua jenis dirancang untuk diperlakukan panas menjadi mikrostruktur martensitik. Rute dan respons metalurgi yang khas:

• Seperti yang disuplai (dianil atau dinormalisasi): ferritik/pearlitik dengan beberapa karbida tergantung pada tingkat karbon. 3Cr13 biasanya akan memiliki matriks yang lebih lunak dengan distribusi karbida yang lebih halus dibandingkan dengan 4Cr13 pada keadaan pemrosesan yang sama.
• Pendinginan dan tempering: rute standar untuk mengembangkan struktur martensitik dan keseimbangan kekerasan/ketangguhan yang diinginkan.
• Austenitisasi (rentang khas untuk baja tahan karat martensitik serupa: 980–1050 °C) untuk melarutkan karbida dan membentuk austenit yang homogen.
• Pendinginan untuk mengubah austenit menjadi martensit. Karbon yang lebih tinggi (4Cr13) menghasilkan proporsi martensit keras dan karbida yang tertahan yang lebih tinggi; 4Cr13 biasanya akan mencapai kekerasan yang lebih tinggi untuk pendinginan yang sama dibandingkan 3Cr13.
• Temper pada 150–650 °C tergantung pada trade-off kekerasan/ketangguhan yang diinginkan. Tempering mengurangi kekerasan tetapi meningkatkan ketangguhan; 4Cr13 memerlukan tempering yang lebih hati-hati untuk mempertahankan ketahanan kelelahan dan menghindari kerapuhan yang berlebihan.
• Normalisasi: dapat memperhalus ukuran butir dan mengurangi segregasi; diikuti dengan tempering sesuai kebutuhan.
• Proses termo-mekanis: kerja dingin dan tempering selanjutnya akan mempengaruhi kerapatan dislokasi dan kekuatan akhir; 4Cr13 lebih sensitif terhadap pengerasan oleh kerja dingin karena kandungan C yang lebih tinggi.

Konsekuensi mikrostruktural: - 3Cr13: martensit dengan kandungan karbon lebih rendah — kekerasan sedikit lebih rendah, duktilitas dan ketangguhan yang lebih baik saat dipanaskan secara sebanding. - 4Cr13: martensit dengan karbon lebih tinggi — kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi, risiko martensit rapuh dan jaringan karbida yang lebih tinggi jika tidak diperlakukan panas dengan benar.

4. Sifat Mekanik

Tabel: Rentang sifat mekanik yang khas setelah pemrosesan pendinginan & tempering yang khas (catatan: nilai-nilai bersifat ilustratif; verifikasi dengan data pemasok).

Sifat	3Cr13 (khas)	4Cr13 (khas)
Kekuatan tarik (MPa)	600 – 900	800 – 1100
Kekuatan luluh (0.2% offset, MPa)	350 – 650	550 – 900
Panjang regangan (%)	10 – 20	6 – 15
Ketangguhan impak (J, Charpy V-notch)	sedang (bervariasi dengan temper)	lebih rendah (pada kekerasan yang sama)
Kekerasan (HRC, dipanaskan)	HRC 38 – 52	HRC 45 – 58

Interpretasi: - 4Cr13 dapat mencapai tingkat kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan 3Cr13 karena kandungan karbonnya yang lebih tinggi dan sedikit lebih besar dalam hal kekerasan.
- 3Cr13 cenderung lebih tangguh dan lebih duktil pada kondisi tempering yang setara; 4Cr13 mengorbankan duktilitas dan ketangguhan untuk ketahanan aus yang lebih baik dan kekuatan statis yang lebih tinggi.
- Ketangguhan impak sangat tergantung pada tempering; untuk aplikasi yang memerlukan ketahanan terhadap guncangan atau impak, tempering yang tepat sangat penting dan 3Cr13 biasanya menawarkan jendela ketangguhan yang lebih luas.

5. Keterlasan

Keterlasan dipengaruhi terutama oleh karbon dan kekerasan. Karbon yang lebih tinggi meningkatkan risiko pembentukan martensit di zona yang terpengaruh panas (HAZ), meningkatkan kecenderungan untuk retak dan memerlukan pemanasan awal/Pemrosesan Panas Pasca Las (PWHT).

Rumus prediktif yang berguna (interpretasi kualitatif saja): - Setara karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (indeks keterlasan): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Panduan kualitatif: - Karena 4Cr13 memiliki C yang lebih tinggi, $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang dihitung biasanya akan lebih tinggi dibandingkan 3Cr13, menunjukkan keterlasan yang lebih buruk dan kemungkinan lebih besar dari pengerasan HAZ dan retak dingin.
- Praktik terbaik: kontrol pemanasan awal, batasi laju pendinginan antar proses, gunakan logam pengisi yang sesuai (cocok atau sedikit lebih rendah karbon), dan terapkan PWHT jika diperlukan untuk menemper martensit HAZ. 3Cr13 lebih toleran terhadap praktik pengelasan konvensional tetapi masih mungkin memerlukan pemanasan awal untuk bagian yang lebih tebal atau kondisi pengekangan.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Kedua jenis adalah martensitik tahan karat (≈12–14% Cr): mereka membentuk lapisan pasif pelindung dan memiliki ketahanan korosi yang lebih baik dibandingkan baja karbon biasa tetapi inferior dibandingkan dengan jenis austenitik (304/316) dan duplex dalam media agresif.
• PREN (Angka Setara Ketahanan Pitting) umumnya tidak berguna untuk baja tahan karat martensitik rendah-Mo, rendah-N ini. Untuk kelengkapan: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Dengan Mo dan N biasanya mendekati nol dalam jenis ini, nilai PREN rendah dibandingkan dengan paduan duplex atau austenitik; oleh karena itu, jenis ini cocok untuk lingkungan yang sedikit korosif (atmosfer, sedikit asam/alkali, paparan klorida terbatas) tetapi tidak untuk media yang mengandung klorida yang parah tanpa pelapisan atau perlindungan katodik.
• Perlindungan permukaan untuk yang bukan tahan karat tidak berlaku; untuk martensitik tahan karat ini, langkah-langkah perlindungan umum termasuk pasivasi setelah fabrikasi, elektroplating, penghalusan terkontrol, dan pelapisan pelindung saat digunakan (cat organik, pelapisan pengorbanan) ketika risiko klorida atau pitting signifikan.

7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan

• Kemudahan pemesinan: 4Cr13 yang lebih tinggi karbon cenderung lebih keras dalam kondisi dianil dan akan menyebabkan keausan alat yang lebih besar; namun, dalam kondisi dianil kedua jenis dapat diproses dengan baik dengan alat dan kecepatan yang tepat. 4Cr13 yang dikeraskan akan lebih sulit untuk diproses jika tidak dilunakkan.
• Kemudahan pembentukan: 3Cr13 menawarkan pembentukan dingin dan kemampuan membengkok yang lebih baik dibandingkan 4Cr13 karena karbon yang lebih rendah; penarikan dalam atau pembentukan yang parah terbatas untuk keduanya dibandingkan dengan baja tahan karat austenitik.
• Penggilingan, penghalusan, dan penyelesaian permukaan: kekerasan 4Cr13 yang lebih tinggi memberikan ketahanan aus yang lebih baik dalam layanan tetapi mungkin memerlukan operasi penyelesaian yang lebih agresif. Perlakuan panas dan tempering sebelum pemesinan/penyelesaian akhir disarankan untuk menghindari distorsi.
• Distorsi perlakuan panas: Kedua jenis rentan terhadap distorsi selama operasi pendinginan dan tempering; fixture yang hati-hati, pendinginan bertahap, dan toleransi pemesinan yang sesuai diperlukan.

8. Aplikasi Khas

3Cr13 – Penggunaan Khas	4Cr13 – Penggunaan Khas
Bilah pisau dan peralatan makan di mana ketangguhan dan ketahanan korosi yang seimbang diperlukan	Alat pemotong dan pisau di mana retensi tepi yang lebih tinggi dan ketahanan aus diinginkan
Poros pompa, komponen katup dengan permintaan aus sedang	Komponen yang rentan aus, rol, pin, dan bagian yang memerlukan kekerasan lebih tinggi
Trim otomotif, pengikat, dan fitting di mana beberapa pembengkokan/pembentukan diperlukan	Komponen bantalan volume kecil, pin aus, dan poros yang dikeraskan
Bagian baja tahan karat martensitik untuk tujuan umum di mana pengelasan/keterlasan adalah faktor	Bagian di mana pengerasan menyeluruh dan kekuatan statis yang lebih tinggi adalah persyaratan utama

Alasan pemilihan: - Pilih 4Cr13 di mana retensi tepi, kekerasan lebih tinggi dan ketahanan aus adalah yang utama; pilih 3Cr13 di mana duktilitas, ketahanan impak, dan kemudahan fabrikasi/pengelasan penting. Pertimbangan biaya dan persyaratan penyelesaian permukaan juga mempengaruhi keputusan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya: 4Cr13 biasanya dihargai sedikit lebih tinggi dibandingkan 3Cr13 karena kandungan karbon yang lebih tinggi dan pemrosesan yang diperlukan untuk mencapai dan mengontrol sifat kekerasan yang lebih tinggi; namun, perbedaan harga relatif kecil dibandingkan dengan jenis paduan yang lebih tinggi (misalnya, martensitik yang mengandung Mo atau austenitik).
• Ketersediaan: Kedua jenis tersedia luas di daerah dengan rantai pasokan baja tahan karat yang mapan (lembaran, batang, strip, blanko). Bentuk produk (batang, pelat, strip) dan penyelesaian (didinginkan, dianil, dikeraskan) akan mempengaruhi waktu pengiriman dan biaya. Untuk pengadaan volume besar, verifikasi sertifikat pabrik dan pengujian batch untuk kandungan karbon untuk memastikan sifat mekanik yang dimaksud.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel: Ringkasan perbandingan cepat

Atribut	3Cr13	4Cr13
Keterlasan	Lebih baik (karbon lebih rendah)	Lebih rendah (karbon lebih tinggi, lebih banyak risiko HAZ)
Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan	Kekuatan sedang dengan ketangguhan yang lebih baik	Kekuatan dan kekerasan lebih tinggi, ketangguhan lebih rendah
Biaya	Sedikit lebih rendah	Sedikit lebih tinggi

Kesimpulan dan rekomendasi praktis: - Pilih 3Cr13 jika Anda memerlukan baja tahan karat martensitik yang seimbang dengan duktilitas dan keterlasan yang lebih baik, kemudahan pembentukan, dan biaya sedikit lebih rendah—cocok untuk komponen yang memerlukan ketahanan impak, keterlasan, atau ketahanan aus sedang. - Pilih 4Cr13 jika desain memprioritaskan kekerasan lebih tinggi, ketahanan aus, dan kekuatan statis di mana retensi tepi atau aus abrasif sangat penting dan di mana kontrol perlakuan panas yang lebih ketat dapat diterima; harapkan perhatian lebih besar terhadap prosedur pengelasan, pemanasan awal, dan tempering untuk menghindari kerapuhan.

Catatan akhir: Pemilihan yang tepat harus divalidasi terhadap sertifikat pabrik pemasok, geometri komponen, kondisi pengekangan selama pengelasan, dan lingkungan layanan spesifik (media korosif, suhu, beban siklik). Untuk aplikasi kritis, minta laporan uji material (komposisi, kekerasan, data tarik, dan data impak) dan lakukan pengujian kualifikasi (uji las, uji perlakuan panas) sebelum produksi serial.