40Cr vs 40CrNiMoA – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
40Cr dan 40CrNiMoA adalah dua baja paduan karbon menengah yang umum digunakan untuk komponen yang menahan beban dan yang telah dikuatkan dan ditempa. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering menyeimbangkan trade-off seperti biaya unit, kemampuan pengelasan, kemampuan mesin, dan kinerja mekanis saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang khas termasuk apakah kekerasan melalui yang lebih tinggi dan ketangguhan patah membenarkan premi dari paduan tambahan, atau apakah kelas yang lebih sederhana dan lebih murah memenuhi persyaratan desain.
Perbedaan teknis utama antara kelas-kelas ini terletak pada strategi paduan: 40Cr adalah baja paduan karbon menengah yang mengandung kromium yang dirancang untuk kekuatan yang baik setelah perlakuan panas dan kemampuan pengerasan yang wajar, sedangkan 40CrNiMoA menambahkan nikel dan molibdenum (dan kadang-kadang kontrol mikro paduan yang halus) untuk secara substansial meningkatkan kemampuan pengerasan dan memperbaiki ketangguhan. Karena itu, desainer sering membandingkan keduanya untuk poros besar, roda gigi berat, dan pengikat kritis di mana sifat inti dan keseragaman kekerasan melalui ketebalan bagian sangat penting.
1. Standar dan Penunjukan
- GB/T (Cina): 40Cr, 40CrNiMoA (penunjukan Cina yang umum digunakan).
- EN: ekuivalen terdekat kira-kira adalah keluarga 5140/41xx untuk 40Cr; 40CrNiMoA mendekati seri paduan tinggi 43xx/41xx (tidak ada satu-satu yang tepat dalam EN; periksa data pemasok).
- ASTM/ASME: tidak ada nama identik langsung; sebanding dengan AISI/SAE 5140 (untuk 40Cr) dan varian AISI/SAE 4340/4140 (untuk 40CrNiMoA tergantung pada tingkat Ni dan Mo).
- JIS: keluarga serupa ada (misalnya, seri SCM) tetapi periksa tabel konversi.
Klasifikasi: - 40Cr: baja paduan karbon menengah (dapat diperlakukan panas). - 40CrNiMoA: baja paduan karbon menengah dengan nikel dan molibdenum (kandungan paduan yang lebih tinggi untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketangguhan). - Tidak ada kelas yang tahan karat; keduanya dianggap sebagai baja paduan yang cocok untuk pengerasan dan penempaan (bukan HSLA dalam arti modern).
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | 40Cr Tipikal (wt%) | 40CrNiMoA Tipikal (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.37–0.44 | 0.36–0.44 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.60–0.90 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.90–1.20 | 0.80–1.10 |
| Ni | — (jejak) | 1.40–2.00 |
| Mo | — (atau jejak) | 0.15–0.30 |
| V | — (jejak) | mungkin ada dalam jumlah kecil |
| Nb / Ti / B / N | biasanya tidak ada atau jejak | biasanya tidak ada atau jejak |
Catatan: - Nilai yang ditunjukkan adalah rentang representatif yang biasanya dikutip dalam standar/lembar spesifikasi. Kimia yang tepat harus diverifikasi dari sertifikat pabrik untuk setiap lot pembelian. - Strategi paduan: 40Cr mengandalkan terutama pada karbon dan kromium untuk mengembangkan kemampuan pengerasan dan kekuatan martensitik yang ditempa. 40CrNiMoA secara sengaja menambahkan nikel dan molibdenum; nikel meningkatkan kekuatan tarik dan ketangguhan, sementara molibdenum meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan terhadap penempaan (mengurangi pelunakan pada suhu penempaan yang tinggi).
Dampak paduan: - Kekuatan: karbon dan kromium memberikan kekuatan dasar; Ni dan Mo memungkinkan kekuatan yang lebih tinggi setelah pengerasan & penempaan tanpa gradien kekerasan yang berlebihan. - Kemampuan pengerasan: Mo dan Ni secara signifikan meningkatkan kemampuan pengerasan, memungkinkan transformasi yang lebih seragam menjadi martensit di bagian yang lebih tebal. - Ketangguhan: Ni adalah penguat ketangguhan yang kuat; kombinasi Ni+Mo memperhalus mikrostruktur austenit sebelumnya dan mengurangi kecenderungan untuk perilaku rapuh. - Korosi: Tidak ada yang tahan karat; tingkat Cr tidak cukup untuk pembentukan film pasif.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal tergantung pada pemrosesan termal:
- Ditempa: kedua kelas menunjukkan mikrostruktur ferrit + perlit; 40CrNiMoA mungkin menunjukkan distribusi karbida yang lebih halus karena paduan tetapi tetap ulet dan dapat diproses.
- Dinormalisasi: struktur perlitik/ferritik yang lebih halus dibandingkan yang ditempa; sifat mekanis dan kemampuan mesin yang lebih baik.
- Dikuatkan dan ditempa (Q&T): kedua kelas biasanya dikuatkan menjadi martensit yang ditempa. 40Cr biasanya mencapai kekerasan permukaan dan dekat permukaan yang baik di bagian yang sedang. 40CrNiMoA, dengan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi, menghasilkan inti martensit yang lebih seragam di penampang yang lebih besar dan biasanya memerlukan tingkat pengerasan yang lebih rendah untuk mencapai kekerasan inti yang setara.
- Pengolahan termo-mekanis: untuk forging dan poros yang digulung, pendinginan dan deformasi yang terkontrol mempengaruhi ukuran butir; 40CrNiMoA lebih diuntungkan dari pendinginan yang terkontrol karena paduan menstabilkan austenit sebelumnya dan meningkatkan ketangguhan setelah penempaan.
Konsekuensi praktis: untuk forging tebal atau poros besar di mana pengerasan melalui diperlukan, 40CrNiMoA lebih dapat diandalkan dalam memberikan martensit yang ditempa yang seragam di seluruh penampang, mengurangi inti yang lunak atau mikrostruktur campuran yang dapat mengompromikan kinerja kelelahan.
4. Sifat Mekanis
| Sifat (tipikal, tergantung pada perlakuan panas) | 40Cr (rentang tipikal) | 40CrNiMoA (rentang tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) — ditempa | 500–700 | 500–700 |
| Kekuatan tarik (MPa) — dinormalisasi | 600–850 | 650–900 |
| Kekuatan tarik (MPa) — Q&T (sedang keras) | 800–1000 | 900–1200 |
| Kekuatan luluh (0.2% offset, MPa) — Q&T | 600–900 | 700–1000 |
| Peregangan (%) — Q&T | 10–18 | 8–15 (sering lebih rendah pada kekerasan yang sama) |
| Ketangguhan impak (Charpy V, J) — Q&T (bervariasi) | sedang (misalnya, 20–60 J) | umumnya lebih tinggi pada kekerasan yang sebanding |
| Kekerasan (HRC) — Q&T | 28–55 (tergantung pada penempaan) | 30–60 (lebih seragam melalui penampang) |
Peringatan: - Nilai adalah rentang indikatif; sifat akhir tergantung pada kimia yang tepat, suhu austenitisasi, media pengerasan, suhu penempaan, dan ukuran penampang. - 40CrNiMoA biasanya memberikan kekuatan yang lebih tinggi yang dapat dicapai dan, yang penting, ketangguhan yang lebih tinggi di bagian tebal karena kemampuan pengerasan yang lebih baik. Pada kekerasan yang identik, 40CrNiMoA sering menunjukkan ketangguhan patah yang lebih baik karena nikel meningkatkan duktilitas pada tingkat mikrostruktur. Namun, peregangan mungkin lebih rendah jika kedua kelas dibawa ke kekuatan tarik maksimum yang identik melalui perlakuan panas yang berbeda.
5. Kemampuan Pengelasan
Penilaian kemampuan pengelasan harus mempertimbangkan kandungan karbon, ekuivalen karbon, dan mikro paduan. Dua rumus prediktif yang umum digunakan adalah:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
dan parameter yang lebih komprehensif:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi (kualitatif): - 40Cr: karbon sedang dan paduan yang sederhana memberikan ekuivalen karbon menengah; pemanasan awal dan pendinginan yang terkontrol sering direkomendasikan untuk bagian yang lebih tebal untuk menghindari retak dingin yang disebabkan oleh hidrogen. Perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) mungkin diperlukan untuk komponen kritis. - 40CrNiMoA: penambahan Ni dan Mo meningkatkan ekuivalen karbon yang dihitung dan kemampuan pengerasan. Ini meningkatkan risiko pembentukan martensit di zona yang terpengaruh panas (HAZ) dan potensi retak dingin jika pengelasan tidak dikendalikan dengan baik. Mitigasi yang khas termasuk peningkatan pemanasan awal, bahan habis pakai rendah hidrogen, kontrol suhu antar proses, dan PWHT.
Kesimpulan: 40Cr umumnya lebih mudah untuk dilas dibandingkan 40CrNiMoA, tetapi tidak ada yang sebaik baja struktural karbon rendah dalam hal kemampuan pengelasan. Kualifikasi prosedur pengelasan disarankan untuk keduanya, terutama untuk bagian yang kritis terhadap keselamatan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 40Cr maupun 40CrNiMoA adalah baja paduan yang tidak tahan karat; mereka tidak membentuk film pasif yang tahan korosi hanya dari kandungan kromium. PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) tidak berlaku untuk kelas non-tahan karat ini, tetapi untuk referensi:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Strategi perlindungan yang khas: pengecatan, pelapisan bubuk, pembersihan pelarut, pelumasan untuk perlindungan sementara, dan galvanisasi untuk perlindungan korosi atmosfer jangka panjang. Perlu dicatat bahwa galvanisasi panas memerlukan perhatian terhadap perlakuan panas dan potensi distorsi; beberapa bagian yang dikuatkan & ditempa hanya digalvanisasi setelah pemesinan akhir dan mungkin memerlukan pengurangan stres pasca pelapisan.
- Dalam lingkungan dengan media agresif (klorida, air laut), tidak ada kelas yang cocok tanpa sistem perlindungan; pilih paduan yang tahan korosi sebagai gantinya.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin: 40Cr (kandungan paduan yang lebih rendah) umumnya lebih mudah untuk diproses dalam kondisi ditempa atau dinormalisasi. 40CrNiMoA, dengan Ni dan Mo, cenderung lebih keras dan lebih sulit diproses, mengurangi kemampuan mesin dan umur alat; gaya pemotongan yang lebih tinggi dan alat yang lebih kuat adalah hal yang biasa.
- Kemampuan pembentukan/penekukan: keduanya adalah baja karbon menengah; dalam kondisi ditempa mereka dapat dibentuk dingin dalam batas tertentu. Untuk bahan Q&T, pembentukan harus dihindari; penempaan lebih disukai untuk produksi bentuk sebelum perlakuan panas akhir.
- Pemotongan dan penyelesaian: keduanya dapat digiling hingga hasil akhir permukaan yang tinggi; 40CrNiMoA mungkin menunjukkan keausan abrasif yang lebih tinggi pada roda penggiling.
- Distorsi perlakuan panas: kemampuan pengerasan yang lebih tinggi pada 40CrNiMoA memungkinkan tingkat pengerasan yang lebih rendah untuk kekerasan target tertentu, yang dapat mengurangi distorsi pengerasan pada beberapa geometri.
8. Aplikasi Tipikal
| 40Cr (penggunaan tipikal) | 40CrNiMoA (penggunaan tipikal) |
|---|---|
| Poros, roda gigi kecil hingga menengah, komponen transmisi, baut, poros untuk bagian sedang | Poros besar yang ditempa, roda gigi berat dan pinion, poros engkol, tautan roda pendarat, baut dan baut berkekuatan tinggi untuk peralatan berat |
| Komponen otomotif di mana biaya dan kemampuan mesin penting | Komponen dirgantara/pertahanan atau industri berat di mana pengerasan melalui dan ketahanan impak sangat penting |
| Forging rekayasa umum dan bagian mesin | Bagian berputar kritis dan forging penampang besar yang memerlukan sifat yang seragam |
Rasional pemilihan: - Pilih 40Cr untuk bagian yang lebih kecil di mana pengerasan konvensional menghasilkan kekerasan inti yang diperlukan dan ketika biaya serta ketersediaan yang lebih luas menjadi prioritas. - Pilih 40CrNiMoA ketika bagian tebal, ketika layanan memerlukan ketangguhan patah yang tinggi dan sifat inti yang konsisten, atau ketika faktor keselamatan desain menentukan margin yang lebih tinggi terhadap kegagalan rapuh.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 40Cr biasanya lebih murah dibandingkan 40CrNiMoA karena paduan yang lebih sederhana dan volume produksi yang lebih luas.
- Ketersediaan: 40Cr banyak tersedia dalam bentuk batang, forging, dan billet. 40CrNiMoA mungkin kurang umum tersedia dan lebih sering diproduksi berdasarkan pesanan untuk forging atau ukuran batang tertentu; waktu pengiriman dan jumlah pesanan minimum mungkin lebih tinggi.
- Bentuk produk: Keduanya tersedia sebagai batang, forging, dan komponen yang diperlakukan panas; jaringan pemasok menentukan ketersediaan lokal. Spesifikasikan sertifikat pabrik dan kondisi pengiriman untuk menghindari kejutan dalam waktu pengiriman dan harga.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | 40Cr | 40CrNiMoA |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik (CE sedang) | Lebih menantang (CE/pengerasan lebih tinggi) |
| Seimbang Kekuatan–Ketangguhan | Baik untuk bagian sedang | Unggul untuk bagian besar dan kebutuhan ketangguhan tinggi |
| Biaya | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Pilih 40Cr jika: - Komponen Anda sedang dalam ukuran penampang dan dapat diperlakukan panas hingga kekerasan yang diperlukan tanpa kekhawatiran pengerasan melalui. - Biaya, kemudahan pemesinan, dan ketersediaan yang luas penting. - Pengelasan akan dilakukan secara sering di lantai pabrik dan persyaratan pemanasan awal/PWHT yang lebih rendah diinginkan.
Pilih 40CrNiMoA jika: - Komponen adalah bagian besar atau bagian berputar kritis yang memerlukan kekerasan inti yang seragam, ketangguhan patah yang tinggi, dan ketahanan terhadap penempaan. - Desain menuntut margin keselamatan yang lebih tinggi terhadap patah rapuh dan Anda dapat menerima biaya material yang lebih tinggi, kontrol pengelasan yang lebih ketat, dan waktu pengiriman yang lebih lama. - Kondisi layanan melibatkan beban impak, penampang besar, atau di mana kinerja kelelahan mendapat manfaat dari mikrostruktur inti yang lebih baik.
Catatan akhir: Selalu verifikasi sertifikat uji pabrik pemasok untuk komposisi kimia dan catatan perlakuan panas. Ketika ragu tentang pengelasan atau kekerasan di seluruh penampang, lakukan percobaan skala kecil atau minta prosedur yang telah memenuhi syarat sebelumnya (PQRs/WPSs) dan pertimbangkan untuk menentukan tingkat energi Charpy yang diperlukan, batas kekerasan, dan inspeksi non-destruktif sebagai bagian dari pengadaan.