410 vs 420 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
Insinyur dan profesional pengadaan sering memilih antara AISI 410 dan AISI 420 saat menentukan baja tahan karat martensitik untuk komponen yang harus menyeimbangkan biaya, kemampuan dibentuk, kekuatan, dan ketahanan korosi yang moderat. Konteks keputusan yang umum termasuk memilih kelas untuk komponen katup, poros, pengikat, atau peralatan makan di mana kompromi antara ketahanan aus, kemampuan pengerasan, kemampuan pengelasan, dan biaya penyelesaian menjadi penting.
Perbedaan teknis utama adalah bahwa 420 adalah varian karbon lebih tinggi dibandingkan dengan 410, yang memberikan 420 kekerasan dan ketahanan aus yang jauh lebih besar setelah pengerasan, sementara 410 mempertahankan duktilitas dan ketangguhan yang relatif lebih baik dalam banyak kondisi layanan. Karena keduanya adalah kelas baja tahan karat martensitik dengan tingkat kromium yang serupa, mereka sering dibandingkan untuk aplikasi yang memerlukan respons martensitik (pengerasan + tempering) daripada ketahanan korosi yang lebih baik dari kelas austenitik.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan penunjukan umum:
- AISI/SAE/UNS: 410 (UNS S41000), 420 (UNS S42000)
- ASTM/ASME: bahan yang sering dirujuk berasal dari penunjukan AISI untuk batang, pelat, dan pengecoran
- EN: X12Cr13 (sebanding dengan 410); varian 420 muncul sebagai anggota keluarga X20Cr13 atau kode martensitik lainnya tergantung pada karbon
- JIS/GB: setara baja tahan karat martensitik yang sebanding ada dalam standar Jepang dan Cina (misalnya, keluarga SUS410), tetapi standar lokal menggunakan penomoran yang berbeda
- Klasifikasi: Baik 410 maupun 420 adalah baja tahan karat martensitik (tahan karat, dapat mengeras di udara, dapat diperlakukan panas). Mereka bukan baja alat atau baja HSLA; mereka adalah paduan tahan karat yang dapat diperlakukan panas yang ditujukan untuk ketahanan korosi yang moderat dan kemampuan kekerasan yang tinggi.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Strategi paduan untuk kedua kelas berfokus pada kromium untuk ketahanan korosi dan karbon untuk kemampuan pengerasan dan kekuatan. 420 meningkatkan karbon relatif terhadap 410 untuk memungkinkan respons pengerasan yang lebih tinggi dan ketahanan aus dengan mengorbankan duktilitas dan kemampuan pengelasan.
| Elemen | Rentang tipikal / catatan — 410 | Rentang tipikal / catatan — 420 |
|---|---|---|
| C (karbon) | Rendah–moderat (karbon lebih rendah daripada 420; dirancang untuk keseimbangan antara duktilitas dan kemampuan pengerasan) | Karbon lebih tinggi (dinaikkan secara sengaja untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekerasan setelah pengerasan) |
| Mn (mangan) | Penambahan kecil (deoksidasi, penguatan larutan padat terbatas) | Penambahan kecil yang serupa |
| Si (silikon) | Kecil, untuk deoksidasi; penguatan minor | Serupa |
| P (fosfor) | Tingkat rendah yang terkontrol (pengendalian kotoran) | Tingkat rendah yang terkontrol |
| S (sulfur) | Rendah yang terkontrol (meningkatkan kemampuan mesin pada beberapa kelas ketika ada) | Rendah yang terkontrol (mungkin ada pada varian yang dapat diproses) |
| Cr (kromium) | ~12% (memberikan ketahanan dasar terhadap karat/oksidasi dan karakteristik baja tahan karat martensitik) | ~12–14% (tingkat kromium serupa dengan 410) |
| Ni (nikel) | Biasanya rendah atau tidak ada (menjaga struktur martensitik) | Biasanya rendah atau tidak ada |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | Biasanya tidak ada atau dalam jumlah jejak; beberapa varian komersial mungkin termasuk penambahan paduan kecil | Biasanya tidak ada atau jejak; varian khusus 420 (misalnya, 420HC) mungkin memiliki C/S/P yang disesuaikan untuk kemampuan mesin/kekerasan |
Catatan: Persentase yang tepat bervariasi berdasarkan standar dan bentuk produk (batang, strip, lembaran, pengecoran). Tuas paduan kunci adalah kromium (untuk ketahanan korosi) dan karbon (untuk kemampuan pengerasan dan kekerasan maksimum setelah pendinginan-tempering).
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Kromium menciptakan film oksida pasif yang memberikan perilaku tahan karat pada konsentrasi moderat (~11–14% dalam kelas martensitik ini). - Karbon meningkatkan kekerasan dan kekuatan martensit setelah pendinginan; karbon yang lebih tinggi mengurangi ketangguhan dan kemampuan pengelasan serta mendorong pembentukan karbida selama paparan panas atau pengelasan. - Kandungan Ni yang rendah dan paduan rendah menjaga baja ini tetap magnetik dan martensitik, memungkinkan jalur perlakuan panas yang tidak dapat diikuti oleh kelas austenitik.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur: - Dalam kondisi yang dinormalisasi, kedua kelas umumnya bersifat feritik/perlitik atau sebagian austenitik tergantung pada kimia dan sejarah termal yang tepat. Setelah austenitisasi dan pendinginan, keduanya menghasilkan mikrostruktur martensitik; austenit yang terjaga dan distribusi karbida tergantung pada karbon dan laju pendinginan. - 410: Dengan karbon yang lebih rendah, martensit kurang jenuh karbon dan biasanya lebih halus; karbida ada tetapi kurang melimpah dibandingkan dengan 420. - 420: Karbon yang lebih tinggi menghasilkan matriks martensit yang lebih keras dan fraksi volume karbida kromium yang lebih besar (karbida tipe M23C6) setelah siklus termal tertentu.
Respons perlakuan panas: - Normalisasi (pendinginan udara dari austenitisasi): memperhalus ukuran butir dan dapat menghomogenkan mikrostruktur; lebih banyak digunakan untuk stabilitas dimensi dan peningkatan ketangguhan pada 410. - Pendinginan dan tempering: jalur utama untuk mendapatkan struktur martensitik yang mengeras dan ditemper pada kedua kelas. 420 mencapai kekerasan yang lebih tinggi pada suhu temper yang setara karena karbon yang lebih tinggi; tetapi juga memerlukan tempering yang hati-hati untuk menyeimbangkan ketangguhan dan mengurangi kerapuhan. - Pemrosesan termo-mekanis: penempaan dan penggulungan terkontrol dapat memperhalus ukuran butir austenitik sebelum pendinginan dan meningkatkan ketangguhan pada kedua kelas; efeknya lebih terlihat pada 410 karena kemampuan pengerasan yang lebih rendah.
Catatan praktis: 420 lebih sensitif terhadap overheating dan presipitasi karbida selama pendinginan lambat atau siklus termal pengelasan; ini dapat mengurangi ketahanan korosi lokal dan ketangguhan.
4. Sifat Mekanis
Sifat mekanis tergantung pada perlakuan panas. Di bawah ini adalah ringkasan perbandingan yang siap untuk aplikasi dalam kondisi umum (dinormalisasi vs. pendinginan & tempering atau mengeras + tempering).
| Sifat | 410 (perilaku tipikal) | 420 (perilaku tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan Tarik | Moderat dalam kondisi dinormalisasi; meningkat dengan pendinginan/tempering tetapi maksimum lebih rendah daripada 420 pada pengerasan yang setara | Lebih rendah dalam kondisi dinormalisasi tetapi dapat mencapai kekuatan tarik maksimum yang lebih tinggi ketika mengeras karena karbon yang lebih tinggi |
| Kekuatan Luluh | Moderat; keseimbangan yang baik antara luluh dan duktilitas | Kekuatan luluh yang lebih tinggi dapat dicapai ketika mengeras; duktilitas lebih rendah pada kekuatan yang setara |
| Panjang Regangan (duktilitas) | Duktilitas dan regangan yang lebih baik dalam kondisi dinormalisasi dan ditemper | Regangan berkurang setelah pengerasan; duktilitas lebih rendah daripada 410 pada kekuatan yang sebanding |
| Ketangguhan Impak | Umumnya ketangguhan yang lebih baik (kurang kerapuhan pada tingkat kekerasan moderat) | Ketangguhan impak lebih rendah dalam kondisi yang sangat mengeras; kecenderungan lebih rapuh ketika didorong ke kekerasan tinggi |
| Kekerasan (maksimum yang dapat dicapai) | Maksimum kekerasan moderat setelah pengerasan (cocok untuk beberapa aus) | Maksimum kekerasan lebih tinggi (ketahanan aus yang lebih besar dan retensi tepi), tetapi mengorbankan ketangguhan |
Interpretasi: 420 adalah pilihan yang lebih kuat dan lebih keras setelah perlakuan panas; 410 lebih toleran — lebih mudah untuk mendapatkan ketangguhan dan duktilitas yang wajar sambil tetap memberikan kekuatan yang mengeras yang moderat.
5. Kemampuan Pengelasan
Pertimbangan kemampuan pengelasan bergantung pada kandungan karbon dan kemampuan pengerasan. Kedua kelas adalah baja tahan karat martensitik dan menghadirkan tantangan pengelasan dibandingkan dengan baja karbon rendah atau baja tahan karat austenitik.
Indeks yang berguna (interpretasi kualitatif): - Setara Karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (penting untuk kerentanan retak pengelasan baja): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - 420 memiliki istilah karbon yang lebih tinggi dalam kedua indeks, meningkatkan kemampuan pengerasan dan risiko retak dingin serta pembentukan martensit HAZ. Pengendalian suhu pra-panas dan antar-lapisan serta tempering pasca-pengelasan atau PWHT mengurangi risiko kerapuhan hidrogen. - 410, dengan karbon yang lebih rendah, lebih mudah untuk dilas tetapi tetap memerlukan perhatian terhadap pengendalian hidrogen dan pra-panas ketika las menembus bagian yang sangat dikerjakan dingin atau bagian tebal. - Penggunaan logam pengisi yang cocok, proses rendah-hidrogen, pra-panas, dan tempering pasca-pengelasan membantu kedua kelas; 420 umumnya membutuhkan pengendalian yang lebih ketat dan perlakuan panas pasca-pengelasan yang lebih tinggi untuk mengembalikan ketangguhan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 410 maupun 420 adalah baja tahan karat martensitik: mereka memberikan ketahanan korosi yang lebih baik dibandingkan baja karbon biasa di atmosfer kering dan lingkungan ringan tetapi lebih rendah dibandingkan kelas austenitik (304/316) dalam paparan klorida atau asam.
- Kandungan kromium adalah kontributor utama untuk ketahanan korosi di kedua kelas; karena keduanya memiliki kromium yang serupa, ketahanan korosi dasar sebanding dalam banyak kondisi.
- Karbon yang lebih tinggi dalam 420 dapat mendorong presipitasi karbida kromium di batas butir selama pendinginan lambat atau pengelasan. Pengurangan kromium yang terlokalisasi ini dapat mengurangi ketahanan terhadap korosi intergranular.
- Formula PREN (tidak umum digunakan untuk kelas martensitik) (hanya untuk panduan dalam beberapa keluarga stainless): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini terutama berlaku untuk stainless duplex dan austenitik; ini memiliki penggunaan terbatas untuk kelas martensitik karena Mo dan N biasanya rendah atau tidak ada.
Opsi perlindungan permukaan untuk kedua kelas ketika ketahanan korosi perlu ditingkatkan: - Galvanisasi (untuk 410 dalam beberapa bentuk) — tetapi galvanisasi stainless tidak umum dan mungkin tidak diperlukan untuk layanan tipikal. - Pengecatan, pelapisan polimer, atau pelapisan plated (nikel/Krom) — banyak digunakan untuk komponen di mana korosi atau penampilan penting. - Perlakuan pasivasi dan pengendalian yang hati-hati terhadap perlakuan panas/siklus pengelasan untuk menghindari sensitisasi.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Dibentuk
- Penggilingan: Keduanya harus diproses dalam kondisi lunak/dinormalisasi untuk umur alat terbaik. Karbon yang lebih tinggi pada 420 dan potensi kekerasan yang lebih tinggi dalam beberapa kondisi produk memerlukan perhatian; varian yang dapat diproses (misalnya, 420 dengan sulfur terkontrol) meningkatkan pembentukan chip.
- Pembentukan dan pembengkokan: 410, dengan karbon yang lebih rendah dan duktilitas yang lebih tinggi dalam keadaan dinormalisasi, lebih mudah untuk dibentuk dingin dan dibengkokkan. 420 memerlukan parameter pembentukan yang lebih agresif atau harus dibentuk dalam kondisi dinormalisasi, dan pemulihan dapat lebih tinggi setelah tempering.
- Penggilingan, pemolesan, dan penyelesaian: 420 lebih disukai untuk aplikasi yang memerlukan retensi tepi dan tepi pemotongan yang dipoles (peralatan makan, pisau) karena merespons dengan baik terhadap pengerasan dan pemolesan; 410 dapat dipoles dan diselesaikan dengan baik tetapi dengan kekerasan yang lebih rendah yang dapat dicapai.
8. Aplikasi Tipikal
| 410 — Penggunaan tipikal | 420 — Penggunaan tipikal |
|---|---|
| Pengikat, baut, poros, komponen katup, bagian pompa di mana ketahanan korosi moderat dan ketangguhan diperlukan | Peralatan makan, instrumen bedah, pisau cukur, bantalan, bagian aus, kursi katup di mana kekerasan yang lebih tinggi dan retensi tepi diperlukan |
| Komponen struktural dalam pembangkit listrik, lingkungan non-parah petrokimia | Alat dan komponen yang memerlukan kekerasan permukaan yang lebih tinggi atau ketahanan aus setelah pengerasan |
| Baja tahan karat martensitik untuk tujuan umum di mana kemudahan pengelasan/fabrikasi penting | Komponen yang memprioritaskan ketahanan aus dan kekerasan tinggi; dipilih untuk penyelesaian/pemolesan |
Rasional pemilihan: - Pilih 410 jika aplikasi menghargai duktilitas, kemudahan pengelasan/fabrikasi, dan ketahanan korosi moderat dengan biaya lebih rendah. - Pilih 420 jika aplikasi memerlukan kekerasan yang lebih tinggi dan ketahanan aus (tepi, segel, wajah aus) dan desain dapat mentolerir ketangguhan yang berkurang serta pengendalian pengelasan/perlakuan panas yang lebih ketat.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 410 umumnya lebih murah daripada 420 dalam banyak bentuk produk karena kandungan karbon yang lebih rendah dan penggunaan komoditas yang lebih luas; varian 420 (terutama kelas karbon tinggi atau “HC”) dapat lebih mahal karena pemrosesan untuk meningkatkan kekerasan dan penyelesaian tertentu.
- Ketersediaan: Kedua kelas tersedia secara luas dalam bentuk umum (batang, pelat, strip, pengecoran), meskipun varian khusus 420 (misalnya, 420HC, 420J2) sering dipasarkan untuk penggunaan peralatan makan dan bedah. Waktu tunggu biasanya singkat untuk produk pabrik standar; tentukan varian yang tepat (dinormalisasi, dapat mengeras, disulfur untuk kemampuan mesin) lebih awal dalam pengadaan untuk menghindari substitusi.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 410 | 420 |
|---|---|---|
| Kemampuan Pengelasan | Lebih baik (karbon lebih rendah) | Lebih menantang (karbon lebih tinggi) |
| Kompetisi Kekuatan–Ketangguhan | Ketangguhan seimbang dengan kekuatan moderat | Kekuatan/kekerasan yang lebih tinggi dapat dicapai tetapi ketangguhan lebih rendah |
| Biaya | Umumnya lebih rendah | Umumnya lebih tinggi untuk varian karbon tinggi/kekerasan tinggi |
Kesimpulan: - Pilih 410 jika Anda memerlukan baja tahan karat martensitik dengan duktilitas dan ketangguhan yang relatif lebih baik, fabrikasi dan pengelasan yang lebih mudah, serta ketahanan korosi moderat — misalnya, poros, katup, pengikat, dan komponen di mana kemampuan pengelasan dan ketangguhan menjadi prioritas. - Pilih 420 jika Anda memerlukan kekerasan yang lebih tinggi dan ketahanan aus (tepi pemotongan, segel, wajah aus, pisau presisi), dan desain memungkinkan pengendalian pengelasan yang lebih ketat serta perlakuan panas pasca-pengelasan untuk mengurangi risiko kerapuhan dan korosi.
Nasihat praktis akhir: tentukan kondisi produk yang tepat dan rencana perlakuan panas pasca-fabrikasi dalam dokumen pengadaan (misalnya, “420, didinginkan dan ditemper hingga X HRC dengan temper akhir pada Y°C” atau “410, dinormalisasi untuk meningkatkan ketangguhan”), dan minta sertifikasi kimia dan mekanis untuk memastikan kelas yang dipilih memenuhi keseimbangan yang dimaksudkan antara kekerasan, ketangguhan, dan kinerja korosi.