40Cr vs 45Cr – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
40Cr dan 45Cr adalah dua baja paduan/karbon yang umum ditentukan yang digunakan untuk poros, roda gigi, sumbu, dan komponen mekanis lainnya. Insinyur dan profesional pengadaan sering mempertimbangkan trade-off antara kandungan paduan yang lebih tinggi (untuk kemampuan pengerasan dan ketahanan tempering) dan kandungan karbon yang lebih tinggi (untuk kekerasan dan kekuatan setelah pendinginan). Konteks keputusan yang umum termasuk apakah suatu bagian harus dikeraskan secara menyeluruh atau dikeraskan permukaan, apakah kemampuan pengelasan atau ketangguhan menjadi prioritas, dan biaya material serta pemrosesan yang diizinkan.
Perbedaan praktis utama antara dua grade ini adalah bahwa 40Cr diformulasikan dengan kromium yang disengaja untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan perilaku tempering, sementara 45Cr menekankan kandungan karbon yang lebih tinggi (dan kadang-kadang tingkat Cr yang sedikit berbeda) untuk mencapai kekuatan yang lebih tinggi setelah perlakuan panas. Karena itu, mereka sering dibandingkan di mana kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan pengerasan semuanya menjadi pendorong desain.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar nasional/industri umum dan ekuivalen (informatif, periksa kontrak/spesifikasi untuk batasan yang tepat):
- GB/T (Cina): 40Cr (baja struktural paduan), 45Cr (baja krom karbon tinggi dalam beberapa katalog) — banyak pemasok merujuk pada grade GB.
- AISI/SAE: 40Cr ≈ keluarga AISI 5140; 45Cr ≈ keluarga AISI 5145 (ekuivalen bervariasi menurut pemasok).
- EN (Eropa): tidak ada ekuivalen numerik langsung yang tepat—yang terdekat adalah baja paduan sedang seperti varian 41Cr4/42CrMo; periksa spesifikasi EN untuk batasan kimia.
- JIS: Baja keluarga serupa ada dalam standar Jepang; verifikasi penunjukan yang tepat.
- Klasifikasi: kedua grade adalah baja karbon paduan (bukan stainless). Mereka digunakan sebagai baja struktural/paduan yang cocok untuk perlakuan panas; mereka bukan hanya karbon biasa maupun HSLA dalam arti yang ketat.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
- Tabel: rentang komposisi nominal yang khas (diekspresikan sebagai persen berat; batas spesifikasi aktual bervariasi menurut standar dan pabrik). Selalu verifikasi sertifikat pabrik untuk kepatuhan kontrak.
| Elemen | 40Cr yang khas (nominal) | 45Cr yang khas (nominal) |
|---|---|---|
| C | 0.37–0.44 | 0.42–0.50 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.80–1.10 | 0.20–0.80 (bervariasi menurut pemasok) |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.08 | ≤0.08 |
| V, Nb, Ti, B, N | biasanya jejak atau dikendalikan sebagai kotoran | biasanya jejak atau dikendalikan sebagai kotoran |
Catatan: - Tabel memberikan rentang representatif: 40Cr secara konvensional mencakup sekitar 0.8–1.1% Cr untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan tempering. Formulasi “45Cr” dapat bervariasi—beberapa pemasok menempatkan 45Cr dekat dengan baja krom karbon tinggi (C ≈ 0.45%) tetapi dengan kromium yang lebih rendah daripada 40Cr; yang lain memperlakukan 45Cr sebagai versi 45# (0.45%C) yang mengandung kromium. Selalu konfirmasi sertifikat kimia yang tepat untuk batch yang Anda beli. - Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: peningkatan C meningkatkan kekerasan dan kekuatan yang dapat dicapai tetapi mengurangi kemampuan pengelasan dan keuletan. Kromium meningkatkan kemampuan pengerasan, memperbaiki kedalaman pengerasan di bagian yang lebih tebal, dan meningkatkan ketahanan tempering serta kinerja aus.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Mikrostruktur yang khas:
- Dalam kondisi digulung panas atau dinormalisasi: mikrostruktur ferrit + perlit; 40Cr mungkin menunjukkan perlit yang lebih halus dan lebih banyak dispersi karbida yang tertahan karena Cr.
- Setelah pendinginan: martensit (plus austenit yang tertahan pada C yang sangat tinggi); 45Cr (C lebih tinggi) akan membentuk martensit yang lebih keras dan lebih rapuh jika didinginkan pada tingkat kekerasan yang sama.
-
Setelah tempering: martensit yang ditempa; baja yang mengandung Cr (40Cr) umumnya mengembangkan ketahanan tempering—mempertahankan kekuatan pada suhu tempering yang lebih tinggi dan memberikan keseimbangan ketangguhan–kekuatan yang menguntungkan.
-
Rute perlakuan panas:
- Normalisasi: memperhalus butir dan menghilangkan pita; umumnya digunakan sebagai langkah perantara untuk kedua grade.
- Pendinginan dan tempering (Q&T): rute pengerasan utama. 40Cr mencapai pengerasan yang lebih dalam pada tingkat pendinginan yang sama karena Cr; 45Cr mencapai kekerasan inti yang lebih tinggi di bagian yang lebih tipis terutama karena karbon yang lebih tinggi.
- Proses termo-mekanis: penggulungan yang terkontrol dan pendinginan yang dipercepat dapat lebih memperhalus mikrostruktur dan meningkatkan kekuatan/ketangguhan; manfaat berlaku untuk keduanya tetapi kandungan paduan menentukan kemampuan pengerasan yang dapat dicapai.
4. Sifat Mekanis
- Berikut adalah arah sifat yang khas (nilai aktual tergantung pada perlakuan panas, ukuran bagian, dan standar pengujian). Gunakan laporan uji pabrik untuk keputusan pengadaan.
| Sifat (kondisi khas) | 40Cr (dinormalisasi / Q&T) | 45Cr (dinormalisasi / Q&T) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | Sedang hingga tinggi; rentang luas tergantung pada Q&T | Sedikit lebih tinggi maksimum yang dapat dicapai pada tingkat pendinginan yang sama (karena C) |
| Kekuatan luluh (MPa) | Sedang; stabilitas tempering yang baik | Umumnya lebih tinggi pada kekuatan luluh pada kekerasan yang setara karena C yang lebih tinggi |
| Peregangan (%) | Keuletan yang baik saat dinormalisasi/ditempa dengan tepat | Peregangan sedikit lebih rendah pada kekuatan yang setara karena C yang lebih tinggi |
| Ketangguhan impak (J, Charpy) | Umumnya ketangguhan yang lebih baik pada kekerasan yang setara karena Cr meningkatkan karakteristik tempering | Ketangguhan lebih rendah daripada 40Cr pada tingkat kekerasan yang sama kecuali ditempa dengan tepat |
| Kekerasan (HRC atau HB) | Kemampuan pengerasan yang baik; dapat mencapai kekerasan tinggi dengan Q&T | Potensi kekerasan setelah pendinginan yang lebih tinggi (C lebih tinggi) tetapi mungkin lebih rapuh |
Penjelasan: - Kekuatan: karbon yang lebih tinggi pada 45Cr memungkinkan kekuatan/kekerasan yang lebih tinggi untuk perlakuan panas yang sama; namun, keberadaan kromium di 40Cr memungkinkan kemampuan pengerasan yang lebih baik untuk bagian yang lebih besar dan meningkatkan ketangguhan setelah tempering. - Ketangguhan: paduan (Cr) membantu mempertahankan ketangguhan pada kekuatan yang lebih tinggi karena mengurangi laju kerapuhan selama tempering. - Keuletan: karbon yang lebih tinggi biasanya mengurangi keuletan, jadi untuk aplikasi yang memerlukan peregangan atau ketahanan kelelahan, 40Cr mungkin lebih disukai pada tingkat kekuatan tertentu.
5. Kemampuan Pengelasan
- Faktor kunci: kandungan karbon dan ekuivalen karbon mendorong pemanasan awal/pemanasan setelah dan pemilihan bahan habis pakai. Kekerasan dan risiko retak dingin meningkat dengan C yang lebih tinggi dan paduan kemampuan pengerasan yang tinggi.
- Rumus ekuivalen karbon umum yang digunakan untuk menilai kemampuan pengelasan:
- Ekuivalen karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm Internasional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretasi:
- 45Cr (C lebih tinggi) umumnya menunjukkan CE dan Pcm yang lebih tinggi, yang menunjukkan kebutuhan pemanasan awal dan suhu antar yang lebih besar serta kerentanan yang lebih tinggi terhadap retak dingin yang disebabkan oleh hidrogen.
- Kromium tambahan pada 40Cr sedikit meningkatkan CE (karena Cr muncul di pembilang rumus CE) tetapi efek kemampuan pengerasannya berarti bahwa bagian yang tebal memerlukan kontrol prosedur pengelasan yang hati-hati. Dalam praktiknya, kedua grade memerlukan pemanasan awal yang sesuai, suhu antar yang terkontrol, bahan habis pakai rendah hidrogen, dan perlakuan panas setelah pengelasan (PWHT) tergantung pada ketebalan dan kondisi layanan akhir.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baja ini bukan stainless; ketahanan korosi terbatas. Opsi perlindungan:
- Pengecatan, pelapisan bubuk, pelumasan, atau galvanisasi celup panas untuk perlindungan korosi umum.
- Untuk komponen yang diharapkan beroperasi di lingkungan yang parah, pertimbangkan perlakuan permukaan seperti nitriding, carburizing (untuk permukaan aus), atau pelapisan.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) tidak berlaku untuk baja paduan struktural non-stainless, tetapi rumus contoh adalah: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Poin praktis: kandungan Cr kecil dalam 40Cr/45Cr tidak membuatnya tahan korosi; kromium di sini berfungsi untuk tujuan metalurgi—bukan korosi.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan
- Kemudahan pemesinan:
- Kandungan karbon yang lebih tinggi (45Cr) umumnya mengurangi kemudahan pemesinan karena kekerasan yang lebih tinggi setelah perlakuan panas; dalam kondisi yang dinormalisasi, kemudahan pemesinan dapat diterima tetapi lebih buruk daripada baja karbon rendah.
- 40Cr dengan C yang sedikit lebih rendah dan Cr yang lebih tinggi berperilaku serupa; grade pemesinan sering memerlukan kondisi yang lebih lunak (dinormalisasi) dan alat yang sesuai.
- Kemudahan pembentukan dan pembengkokan:
- Dalam kondisi yang dinormalisasi/dinormalisasi, kedua grade dapat dibentuk; karbon yang lebih tinggi mengurangi keuletan—rencanakan operasi pembentukan dalam kondisi yang lebih lunak.
- Penyelesaian:
- Penyelesaian permukaan dan penggilingan: kedua grade dapat digiling dan dipoles; kromium dapat mempengaruhi keausan abrasif alat.
- Distorsi perlakuan panas: keduanya akan mengalami distorsi selama pendinginan; kemampuan pengerasan yang lebih tinggi pada 40Cr dapat mengurangi distorsi di bagian yang lebih tebal jika didinginkan dengan benar.
8. Aplikasi Khas
| 40Cr (penggunaan umum) | 45Cr (penggunaan umum) |
|---|---|
| Poros, roda gigi, poros cam, sumbu berat di mana pengerasan menyeluruh di bagian yang lebih tebal diperlukan | Poros, pin, baut, poros engkol, roda gigi di mana kekuatan atau kekerasan lokal yang lebih tinggi diperlukan dan bagian sedang |
| Bagian berkunci dan pengikat yang sangat terbebani yang memerlukan ketahanan tempering yang baik | Komponen yang dirancang untuk kekerasan permukaan atau inti yang lebih tinggi setelah pendinginan |
| Bagian alat mesin yang memerlukan keseimbangan ketahanan aus dan ketangguhan yang baik | Forging dan bagian di mana baja karbon tinggi yang lebih ekonomis cukup dengan perlakuan panas yang sesuai |
Alasan pemilihan: - Pilih 40Cr ketika Anda memerlukan kemampuan pengerasan yang lebih baik untuk bagian yang lebih tebal, stabilitas tempering yang lebih baik, dan keseimbangan ketangguhan–kekuatan yang lebih baik. - Pilih 45Cr ketika kandungan karbon yang lebih tinggi (kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi yang dapat dicapai) dalam ukuran bagian sedang menjadi prioritas dan trade-off yang dapat diterima dalam keuletan/kesulitan pengelasan dikelola.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: biaya material bervariasi menurut pabrik dan pasar, tetapi:
- 40Cr biasanya sedikit lebih mahal daripada baja karbon biasa yang setara karena paduan (Cr) dan pemrosesan terkait.
- Kandungan karbon yang lebih tinggi pada 45Cr mungkin serupa atau sedikit lebih rendah biaya dibandingkan 40Cr tergantung pada tingkat kromium; ketersediaan kedua grade dalam ukuran batang/forging umum baik dari pabrik baja besar.
- Bentuk produk: keduanya tersedia secara luas sebagai batang bulat, forging, dan batang dingin selesai. Waktu pengiriman dan volatilitas harga tergantung pada pasokan kromium dan kondisi pasar baja global.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | 40Cr | 45Cr |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan (kualitatif) | Lebih baik pada CE sedang ketika C dikendalikan; masih memerlukan tindakan pencegahan pengelasan | Lebih rendah (C lebih tinggi) — pemanasan awal/PWHT yang lebih besar kemungkinan diperlukan |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Baik; ketahanan tempering yang lebih baik untuk ketebalan | Kekerasan/kekuatan setelah pendinginan yang lebih tinggi tetapi ketangguhan lebih rendah pada kekerasan yang setara |
| Biaya (relatif) | Sedang (premium biaya paduan) | Sebanding dengan sedikit lebih rendah tergantung pada kandungan Cr |
Rekomendasi: - Pilih 40Cr jika Anda memerlukan pengerasan menyeluruh yang baik di bagian yang lebih besar, ketahanan tempering yang lebih baik, dan keseimbangan ketangguhan–kekuatan yang lebih baik untuk komponen yang sangat terbebani. - Pilih 45Cr jika desain Anda memerlukan kekuatan/kekerasan yang dimaksimalkan di bagian sedang dan Anda dapat menerima trade-off dalam kemampuan pengelasan dan keuletan (atau menguranginya dengan perlakuan panas dan pemrosesan yang sesuai).
Catatan akhir: batasan kimia dan mekanis yang tepat berbeda di antara standar dan pemasok. Untuk pengadaan dan desain, selalu tentukan standar (sertifikat pabrik diperlukan), rute perlakuan panas yang diperlukan, dan kriteria penerimaan mekanis/sifat yang relevan.