410 vs 420 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
410 dan 420 adalah dua jenis baja tahan karat martensitik yang banyak digunakan dan sering dibandingkan ketika desainer harus menyeimbangkan kekerasan dan ketahanan aus terhadap ketangguhan, kemampuan pengelasan, dan biaya. Manajer pengadaan, perencana manufaktur, dan insinyur umumnya menghadapi pilihan antara kelas martensitik karbon rendah yang lebih mudah dibentuk dan dilas dan varian karbon tinggi yang dapat mencapai kekerasan permukaan dan ketahanan aus yang jauh lebih besar setelah perlakuan panas.
Perbedaan teknis utama adalah bahwa 420 mengandung karbon yang lebih tinggi (dan karena itu memiliki kemampuan pengerasan dan potensi kekerasan yang lebih besar) dibandingkan 410, sementara 410 diformulasikan untuk ketangguhan, duktilitas, dan fabrikasi tujuan umum yang lebih baik. Perbedaan itu mempengaruhi bagaimana setiap kelas diperlakukan panas, dikerjakan, dilindungi, dan diterapkan di industri.
1. Standar dan Penunjukan
- Penunjukan dan standar internasional umum:
- ASTM/ASME: ASTM A276 (batang), nomor AISI/UNS (UNS S41000 untuk 410, UNS S42000 atau varian S42000 untuk 420).
- EN: Ekivalen EN biasanya dinyatakan sebagai XxCrNi atau XxCr13 dll., tetapi pemetaan langsung satu-ke-satu bervariasi berdasarkan batas komposisi tertentu.
- JIS dan GB: Standar Jepang dan Cina memiliki kelas baja tahan karat martensitik yang sesuai dengan kimia yang serupa tetapi dengan batas yang berbeda.
- Klasifikasi:
- 410: Baja tahan karat martensitik (karbon tahan karat/low-alloy martensitik).
- 420: Baja tahan karat martensitik dengan kandungan karbon lebih tinggi (sering disebut “baja tahan karat martensitik karbon tinggi”).
- Baik 410 maupun 420 bukanlah HSLA, austenitik, atau baja alat dalam arti formal, meskipun 420 umumnya digunakan di mana ketahanan aus mendekati baja alat diinginkan.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: Rentang komposisi tipikal (perkiraan; laporkan batas spesifikasi aktual dari standar yang relevan saat menentukan material)
| Elemen | 410 (rentang tipikal, wt%) | 420 (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.15 | 0.15–0.40 |
| Mn | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 11.5–13.5 | 12.0–14.0 |
| Ni | ≤ 0.75 | ≤ 0.5 |
| Mo | — (jejak) | — (jejak hingga kecil) |
| V, Nb, Ti, B, N | biasanya jejak atau tidak ditentukan | biasanya jejak atau tidak ditentukan |
Catatan: - Rentang ini bersifat indikatif dan bervariasi berdasarkan bentuk produk dan standar. Spesifikasi pengadaan harus merujuk pada standar yang berlaku atau nomor UNS untuk batas penerimaan. - Strategi paduan: kedua kelas mengandalkan kromium untuk ketahanan korosi dan pembentukan martensit setelah pendinginan. Kandungan karbon yang lebih tinggi pada 420 meningkatkan fraksi volume martensit dan karbida yang tersedia untuk pengerasan; 410 menjaga karbon lebih rendah untuk mempertahankan duktilitas dan ketangguhan setelah perlakuan panas.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur: - Setelah pendinginan, baik 410 maupun 420 membentuk martensit (martensit tetragonal berpusat tubuh) ketika didinginkan dari suhu austenitisasi. Presipitasi karbida (terutama karbida kromium) lebih terlihat pada 420 yang lebih tinggi karbonnya, yang dapat menyebabkan proporsi fase karbida keras dan rapuh yang lebih tinggi yang terdistribusi dalam matriks martensitik. - Dalam kondisi yang dikeraskan, keduanya biasanya ditemukan sebagai ferit/perlit atau martensit lunak tergantung pada pemrosesan. Riwayat termomekanik (pekerjaan dingin, ukuran butir austenit sebelumnya) juga mempengaruhi sifat akhir.
Perilaku perlakuan panas: - Perlakuan panas larutan tipikal: panaskan ke rentang austenitisasi (sekitar 980–1050 °C, tergantung pada spesifikasi dan ukuran bagian), diikuti dengan pendinginan untuk membentuk martensit. - Tempering: digunakan untuk menyesuaikan keseimbangan kekerasan/ketangguhan. Suhu tempering yang lebih rendah (~150–300 °C) mempertahankan kekerasan yang lebih tinggi tetapi ketangguhan yang lebih rendah; tempering yang lebih tinggi (~300–600 °C) mengurangi kekerasan dan meningkatkan ketangguhan. - 420 merespons pengerasan lebih kuat karena C yang lebih tinggi — dapat mencapai kekerasan Rockwell yang jauh lebih tinggi setelah pendinginan dan tempering suhu rendah; 410 dibatasi oleh karbon yang lebih rendah dan karena itu tidak dapat mencapai kekerasan puncak yang sama tetapi mempertahankan duktilitas dan kekuatan impak yang lebih baik. - Normalisasi atau pendinginan terkontrol dapat digunakan untuk memperhalus ukuran butir dan mengoptimalkan kemampuan mesin atau ketangguhan sebelum tempering akhir.
4. Sifat Mekanis
Tabel: Rentang sifat mekanis tipikal (tergantung perlakuan panas; nilai indikatif)
| Sifat | 410 (dikeraskan / rentang perlakuan panas) | 420 (dikeraskan / rentang perlakuan panas) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ≈ 450–800 (dikeraskan hingga tempering) | ≈ 600–1200 (tergantung pada pengerasan) |
| Kekuatan luluh (MPa) | ≈ 200–600 | ≈ 400–1100 |
| Peregangan (%) | ≈ 15–30 (dikeraskan) | ≈ 8–25 (dikeraskan hingga tempering) |
| Ketangguhan impak (J, Charpy) | Umumnya lebih tinggi (ketangguhan lebih baik) | Lebih rendah saat dikeraskan; bervariasi dengan temper |
| Kekerasan (HRC) | ≈ 16–28 (dikeraskan/lunak) hingga ≈ 35–40 (dikeraskan/tempering) | ≈ 18–30 (dikeraskan) hingga ≈ 45–60+ HRC (dikeraskan/tempering) |
Interpretasi: - 420 dapat dikeraskan hingga kekerasan dan kekuatan tarik yang jauh lebih tinggi karena karbon yang lebih tinggi; ini menjadikannya unggul untuk komponen tahan aus dan tepi pemotongan. - 410 menawarkan ketangguhan dan peregangan yang lebih baik dalam kondisi yang sebanding dan umumnya merupakan pilihan yang lebih duktil dan tahan impak. - Sifat yang tepat sangat bergantung pada siklus perlakuan panas yang dipilih dan ketebalan bagian; mengutip nilai desain memerlukan spesifikasi kekerasan atau keadaan perlakuan panas.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan dikendalikan oleh kandungan karbon, elemen pengerasan lainnya (Cr, Mo, V), dan pembatasan/pemasukan panas. Karbon yang lebih tinggi meningkatkan risiko pembentukan martensit dan retak dingin di zona yang terpengaruh panas.
Rumus berguna untuk evaluasi kualitatif: - Setara karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm 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: - 410, dengan karbon yang lebih rendah, umumnya akan memiliki setara karbon yang lebih rendah dibandingkan 420 dan karena itu memiliki kemampuan pengelasan yang lebih baik (risiko pengerasan HAZ dan retak yang lebih rendah). - 420, terutama varian karbon tinggi, sering memerlukan prosedur pengelasan khusus: pemanasan awal, suhu antar yang terkontrol, bahan pengelasan hidrogen rendah, dan tempering atau penghilang stres pasca-las untuk menghindari retak HAZ. - Penggunaan bahan pengisi yang cocok sangat penting untuk menghindari kekerasan yang berlebihan pada logam las. Di mana kemampuan pengelasan menjadi prioritas, tentukan batas karbon yang lebih rendah atau pilih logam pengisi yang dirancang untuk las baja tahan karat martensitik.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 410 maupun 420 adalah baja tahan karat martensitik dengan ketahanan korosi sedang karena kandungan kromiumnya (≈12–14%). Mereka tidak sekuat tahan korosi seperti kelas austenitik (304, 316) dan rentan terhadap pitting, korosi celah, dan korosi umum di lingkungan yang agresif.
- Untuk lingkungan korosif, strategi perlindungan permukaan termasuk pasivasi, pengecatan, pelapisan, atau galvanisasi (jika metalurgi dasar dan layanan memungkinkan). Perlu dicatat bahwa galvanisasi umumnya diterapkan untuk baja karbon dan mungkin tidak sesuai di mana integritas permukaan tahan karat diperlukan; konsultasikan kompatibilitas pelapisan.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) terutama digunakan untuk baja tahan karat austenitik/ferritik dengan Mo dan N: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN memiliki relevansi terbatas untuk 410/420 karena kinerja korosinya didominasi oleh kandungan kromium dan faktor mikrostruktur, dan keduanya biasanya memiliki Mo dan N yang rendah.
- Panduan praktis: pilih 410 atau 420 hanya untuk lingkungan yang sedikit korosif atau ketika kontrol korosi dengan pelapisan/pelapisan dapat diterima. Untuk lingkungan kaya klorida, pilih baja tahan karat paduan tinggi.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin:
- Dalam kondisi dikeraskan, kedua kelas dapat dikerjakan dengan baik. Kemampuan mesin menurun tajam dengan meningkatnya kekerasan.
- 420 dalam kondisi dikeraskan bersifat abrasif terhadap alat dan dapat sulit untuk dikerjakan; bahan alat dan umpan harus dipilih sesuai.
- Kemampuan pembentukan dan pembengkokan:
- 410 yang dikeraskan memiliki kemampuan pembentukan yang lebih baik dan dapat dibentuk dingin dengan toleransi yang sesuai untuk pemulihan.
- 420 (karbon lebih tinggi) memiliki duktilitas yang berkurang dan menjadi rentan terhadap retak saat dibentuk jika tidak dalam kondisi dikeraskan.
- Penyelesaian permukaan:
- Kedua kelas menghasilkan penyelesaian yang baik dalam keadaan dikeraskan; memoles 420 yang dikeraskan hingga permukaan cermin adalah hal yang umum untuk alat makan dan instrumen medis.
- Pertimbangan perlakuan panas dalam perencanaan fabrikasi: rencanakan pembentukan dan pengelasan dalam keadaan dikeraskan jika memungkinkan, kemudian lakukan pengerasan/tempering akhir sebagai operasi terpisah untuk mencapai sifat yang diperlukan.
8. Aplikasi Tipikal
Tabel: Penggunaan tipikal berdasarkan kelas
| 410 — Aplikasi Tipikal | 420 — Aplikasi Tipikal |
|---|---|
| Shaft pompa, komponen katup, pengikat, bagian struktural di mana ketahanan korosi dan ketangguhan sedang dibutuhkan | Bilah alat makan, instrumen bedah (beberapa jenis), bantalan, pelat aus, pisau kecil, bilah cukur di mana kekerasan tinggi dan retensi tepi diperlukan |
| Trim otomotif, komponen turbin uap dan gas, bagian non-kritis petrokimia | Bagian yang memerlukan kekerasan permukaan tinggi setelah perlakuan panas: bilah pemotong, cetakan untuk alat volume rendah, bagian geser yang tahan aus tinggi |
| Komponen mekanis umum dengan perlakuan panas sederhana dan kemampuan pengelasan yang baik | Aplikasi yang menekankan ketahanan aus dan retensi tepi; sering dikeraskan dan digiling setelah perlakuan panas |
Alasan pemilihan: - Pilih 410 ketika fabrikasi, pengelasan, ketahanan impak, dan biaya adalah perhatian utama dan hanya ketahanan korosi sedang yang diperlukan. - Pilih 420 ketika kekerasan permukaan tinggi, ketahanan aus, dan retensi tepi diperlukan dan ketika pemrosesan pasca-perlakuan panas dapat dilakukan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya:
- 410 umumnya lebih murah dibandingkan 420 karena karbon yang lebih rendah dan pemrosesan yang lebih sederhana dalam banyak bentuk produk.
- 420 memerlukan biaya lebih tinggi ketika disuplai dalam bentuk karbon tinggi, dikeraskan presisi, dan selesai halus (misalnya, kelas alat makan).
- Ketersediaan:
- Kedua kelas tersedia secara luas sebagai batang, pelat, dan bentuk produk yang ditempa, tetapi temper tertentu (batang alat makan yang dipanaskan sebelumnya, digiling halus) mungkin lebih terbatas untuk tingkat karbon tertentu dari 420.
- Waktu tunggu dapat bervariasi berdasarkan penyelesaian permukaan dan keadaan kekerasan — komponen 420 yang dikeraskan dan digiling sering mengalami waktu tunggu yang lebih lama dan biaya pemrosesan yang lebih tinggi.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel: Perbandingan cepat (kualitatif)
| Karakteristik | 410 | 420 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Baik (lebih baik) | Cukup hingga buruk (memerlukan pemanasan awal/perlakuan panas pasca-las) |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Ketangguhan lebih baik, kekuatan sedang | Kekerasan/kekuatan yang lebih tinggi dapat dicapai, ketangguhan lebih rendah saat dikeraskan |
| Ketahanan aus / Retensi tepi | Sedang | Tinggi (saat dikeraskan) |
| Biaya | Lebih rendah | Lebih tinggi (terutama untuk bentuk karbon tinggi, dikeraskan) |
Kesimpulan dan rekomendasi: - Pilih 410 jika Anda memerlukan baja tahan karat martensitik yang seimbang yang lebih mudah untuk dilas dan difabrikasi, menawarkan ketahanan korosi yang wajar untuk lingkungan ringan, dan memprioritaskan ketangguhan serta biaya yang lebih rendah. Kasus penggunaan tipikal: poros, pengikat, katup, dan bagian yang memerlukan fabrikasi rutin dan layanan pasca-las. - Pilih 420 jika desain Anda memerlukan kekerasan permukaan tinggi, ketahanan aus yang superior, atau tepi tajam (alat pemotong, bilah, permukaan aus), dan Anda dapat mengakomodasi prosedur pengelasan dan fabrikasi yang lebih ketat serta rute perlakuan panas yang khusus. 420 adalah pilihan yang lebih baik di mana kekerasan setelah tempering dan retensi tepi mendominasi kriteria desain.
Catatan akhir: selalu tentukan keadaan perlakuan panas yang diperlukan, kekerasan maksimum, dan standar yang berlaku dalam dokumen pembelian. Kinerja mekanis dan korosi dalam layanan akan dikendalikan terutama oleh perlakuan panas dan kondisi permukaan daripada hanya berdasarkan kelas nominal.