420 vs 431 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering menghadapi pilihan antara baja tahan karat martensitik AISI 420 dan AISI 431 saat menentukan bagian yang memerlukan keseimbangan antara kekuatan, kekerasan, ketahanan korosi, dan biaya. Dilema pemilihan biasanya berpusat pada trade-off seperti kekerasan maksimum yang dapat dicapai dan ketahanan aus versus ketangguhan dan ketahanan korosi di lingkungan agresif, bersama dengan pertimbangan untuk kemampuan pengelasan dan biaya pasca-proses.

Perbedaan material yang menentukan antara kedua grade ini adalah strategi paduannya: 420 mengandalkan karbon yang lebih tinggi dengan kromium moderat untuk kekerasan dan ketahanan aus, sedangkan 431 menambahkan nikel yang signifikan ditambah kromium yang lebih tinggi untuk meningkatkan kekuatan, ketangguhan, dan kinerja korosi sambil mempertahankan kemampuan pengerasan martensitik. Karena keduanya adalah baja tahan karat martensitik yang digunakan dalam keluarga komponen yang serupa (poros, pengikat, katup, bilah), insinyur secara rutin membandingkannya saat menentukan bagian yang harus dikeraskan dan tetap tahan korosi.

1. Standar dan Penunjukan

• AISI/ASTM/UNS:
• 420: AISI 420 / UNS S42000 (sering dirujuk dalam ASTM A666 untuk lembaran/strip; ASTM A276 untuk batang)
• 431: AISI 431 / UNS S43100 (ditemukan dalam ASTM A582 untuk batang, ASTM A276 untuk batang/rods)
• EN / ekuivalen EN:
• 420: EN 1.4021 / X46Cr13 (keluarga serupa)
• 431: EN 1.4057 / X90CrNi18-? (referensi silang yang tepat bervariasi menurut standar)
• JIS / GB: penunjukan regional ada untuk grade stainless martensitik dengan kimia yang serupa.
• Klasifikasi:
• Keduanya 420 dan 431 adalah baja tahan karat martensitik. Mereka tidak diklasifikasikan sebagai baja karbon, baja alat, atau HSLA; mereka adalah baja stainless paduan yang dirancang untuk mengeras melalui pendinginan dan tempering.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: komposisi tipikal (wt%) — rentang yang ditunjukkan adalah representatif dari spesifikasi umum; periksa spesifikasi pembelian untuk batas yang tepat.

Elemen	420 (wt% tipikal)	431 (wt% tipikal)
C	0.15 – 0.40	0.15 – 0.25
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	15.0 – 17.0
Ni	≤ 1.0 (sering sangat rendah)	1.5 – 3.0
Mo	jejak/tidak ada	biasanya tidak ada
V	jejak	jejak
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	jejak	jejak

Catatan: - Nilai yang ditunjukkan bersifat indikatif; banyak spesifikasi memiliki batas yang lebih sempit. 420 adalah grade martensitik dengan karbon tinggi dan Cr moderat; 431 adalah grade martensitik yang mengandung nikel dengan kromium lebih tinggi dan karbon terkontrol untuk memungkinkan kombinasi yang lebih baik antara ketangguhan dan ketahanan korosi. - Nikel dalam 431 meningkatkan kekuatan tarik dan ketangguhan serta meningkatkan ketahanan terhadap patah rapuh selama perlakuan panas dan layanan. Kandungan kromium mengontrol pembentukan film pasif dan ketahanan korosi; Cr yang lebih tinggi dalam 431 meningkatkan perilaku korosi umum dibandingkan dengan 420.

Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Karbon: kemampuan pengerasan utama dan kekerasan martensit; karbon yang lebih tinggi memberikan kekerasan maksimum yang lebih tinggi tetapi mengurangi ketangguhan dan kemampuan pengelasan. - Kromium: pasivasi dan kemampuan pengerasan; lebih banyak Cr biasanya meningkatkan ketahanan korosi dan ketahanan tempering. - Nikel: menstabilkan matriks martensitik menuju ketangguhan, mengurangi kerentanan terhadap embrittlement temper, dan meningkatkan keseimbangan kekuatan-ketangguhan. - Unsur minor (Mn, Si, P, S, V) mempengaruhi deoksidasi, kemampuan mesin, dan perilaku inklusi; belerang meningkatkan kemampuan mesin tetapi dapat mengganggu kelelahan korosi.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur tipikal: - Kedua grade membentuk martensit secara dominan setelah austenitisasi dan pendinginan. Dalam kondisi annealed, mereka dapat mengandung ferit + perlit atau martensit yang dikeraskan tergantung pada proses dan kandungan paduan. - 420: setelah pendinginan dan temper, mikrostruktur adalah martensitik dengan presipitat karbida (karbida kromium). Karbon yang tertahan lebih tinggi menyebabkan kekerasan yang lebih tinggi tetapi lebih banyak karbida yang dapat bertindak sebagai situs inisiasi retak jika tidak dikeraskan dengan benar. - 431: membentuk martensit dengan distribusi karbida yang lebih halus dan beberapa austenit yang tertahan tergantung pada austenitisasi/pendingin; nikel mendorong matriks martensitik yang lebih ulet dan tangguh.

Respons perlakuan panas: - Normalisasi: memperhalus ukuran butir dan menghomogenkan mikrostruktur; berguna sebagai pra-kondisi sebelum pendinginan dan temper akhir. - Pendinginan & tempering: kedua grade merespons dengan baik. 420 mencapai kekerasan tinggi (dapat melebihi ~50 HRC dalam banyak perlakuan panas) tetapi dengan ketangguhan yang berkurang pada tingkat kekerasan yang lebih tinggi. 431, dengan nikel dan Cr yang lebih tinggi, mencapai rasio ketangguhan terhadap kekuatan yang lebih baik setelah pendinginan & temper dan memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap pelunakan tempering. - Pemrosesan termo-mekanis: manfaatnya sebagian besar dirasakan pada produk batang/poros di mana penggulungan terkontrol sebelum pendinginan meningkatkan struktur butir; kedua baja dapat diproduksi dengan ketangguhan yang ditingkatkan melalui pemrosesan terkontrol, dengan 431 umumnya mendapatkan lebih banyak manfaat karena keseimbangan paduannya.

4. Sifat Mekanis

Tabel: sifat mekanis tipikal (rentang representatif; tergantung pada perlakuan panas dan ukuran bagian)

Sifat (tipikal)	420 (Q&T/dikeraskan)	431 (Q&T/dikeraskan)
Kekuatan tarik (MPa)	600 – 1200	700 – 1300
Kekuatan luluh (0.2% Rp0.2, MPa)	450 – 1000	600 – 1100
Peregangan (%)	8 – 20	8 – 18
Ketangguhan impak (Charpy J)	rendah hingga sedang (tergantung pada temper)	sedang hingga tinggi (lebih baik dari 420 pada kekerasan yang sama)
Kekerasan (HRC)	Annealed ~20; Q&T hingga ~55+	Annealed ~20–30; Q&T hingga ~50–55

Interpretasi: - 431 umumnya menawarkan kekuatan luluh yang lebih tinggi dan ketangguhan impak yang lebih baik pada tingkat kekuatan tarik yang sebanding karena Ni dan Cr yang lebih tinggi. Untuk kekerasan target yang sama, 431 biasanya menunjukkan embrittlement yang lebih sedikit dan kinerja kelelahan yang lebih baik. - 420 mencapai kekerasan tinggi dan ketahanan aus dengan kimia yang relatif sederhana dan sering dipilih di mana retensi tepi maksimum atau ketahanan aus diperlukan dan ketangguhan/korosi adalah sekunder.

5. Kemampuan Pengelasan

Pertimbangan kemampuan pengelasan berfokus pada ekuivalen karbon dan keberadaan unsur paduan yang meningkatkan kemampuan pengerasan dan risiko retak dingin martensitik.

Indeks kemampuan pengelasan yang berguna: - Ekuivalen karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parameter internasional $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - Karbon yang lebih tinggi dan Cr/Mo/V yang lebih tinggi meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ — meningkatkan risiko pembentukan martensit HAZ dan retak dingin. Kandungan karbon yang lebih tinggi pada 420 cenderung membuatnya lebih rentan terhadap pengerasan HAZ dan retak tanpa pemanasan awal atau perlakuan panas pasca-las. - Kandungan nikel pada 431 mengurangi tingkat kekerasan martensit di zona terpengaruh panas las dan meningkatkan duktilitas; oleh karena itu 431 umumnya menunjukkan kemampuan pengelasan busur yang lebih baik dibandingkan 420 pada ketebalan bagian dan proses pengelasan yang serupa. - Panduan praktis: kedua grade sering memerlukan pemanasan awal dan suhu interpass yang terkontrol untuk pengelasan yang dapat diandalkan. Tempering pasca-las atau PWHT disarankan untuk komponen kritis untuk mengurangi tegangan sisa dan mengurangi kekerasan HAZ.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Keduanya 420 dan 431 adalah baja tahan karat martensitik dan tidak sekuat tahan korosi seperti grade austenitik (misalnya, 304/316). Mereka mengandalkan kandungan kromium mereka untuk pembentukan film pasif.
• Penggunaan PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) kurang umum untuk baja martensitik tetapi rumusnya adalah: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini menekankan Mo dan N untuk ketahanan pitting; karena baik 420 maupun 431 tidak mengandung Mo atau N yang signifikan, PREN memiliki aplikasi yang terbatas.
• Perilaku korosi praktis:
• 420: ketahanan korosi sedang di lingkungan ringan; rentan terhadap pitting dan korosi celah di klorida dan terhadap korosi umum jika tidak selesai atau dilindungi dengan baik.
• 431: ketahanan korosi umum yang lebih baik dibandingkan 420 karena kromium dan nikel yang lebih tinggi; banyak digunakan dalam aplikasi air laut dan petrokimia di mana ketahanan yang lebih baik terhadap stres klorida dan kelelahan korosi diperlukan.
• Perlindungan permukaan non-stainless (untuk kedua grade ketika perlindungan ekstra diperlukan): galvanisasi mungkin dilakukan untuk beberapa bentuk tetapi dapat terbatas untuk bagian dengan kekerasan tinggi; pengecatan, pelapisan konversi, elektroplating, atau perlakuan pasivasi biasanya diterapkan tergantung pada layanan.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan

• Kemampuan mesin:
• 420: kemampuan mesin yang baik dalam kondisi annealed; kekerasan tinggi setelah perlakuan panas mengurangi kemampuan mesin dan umur alat. Varian sulfat atau subgrade bebas mesin mungkin tersedia.
• 431: kemampuan mesin sedang; matriks yang lebih tangguh dapat meningkatkan gaya alat tetapi menghasilkan finishing permukaan yang baik ketika dikontrol. Pemesinan sering dilakukan dalam kondisi annealed atau direlaksasi stres sebelum pengerasan.
• Pembentukan dan pembengkokan:
• Keduanya dapat dibentuk dalam kondisi annealed; perilaku springback dan pengerasan kerja memerlukan kontrol proses. Penarikan dalam-dalam dimungkinkan untuk bagian tipis dalam kondisi annealed.
• Penggilingan dan penyelesaian:
• 420 dalam kondisi dikeraskan sering digunakan untuk bilah dan bagian yang aus; penggilingan dan pemolesan adalah operasi penyelesaian standar.
• 431 memiliki penyelesaian yang baik dan dapat dipoles hingga permukaan yang cerah; ketangguhannya yang lebih baik mengurangi retak selama penggilingan dan penyelesaian yang agresif.

8. Aplikasi Tipikal

420 – Penggunaan Tipikal	431 – Penggunaan Tipikal
Peralatan makan dan pisau (bilah di mana retensi tepi adalah utama)	Industri dirgantara dan pengikat kekuatan tinggi (sekrup, baut)
Instrumen bedah dan alat gigi (sering dalam kondisi dikeraskan)	Poros pompa, komponen katup dalam layanan petrokimia dan laut
Kandang bantalan, bushing, bagian aus kecil	Poros, kopling, batang torsi yang memerlukan kombinasi ketahanan korosi dan kekuatan
Trim dekoratif, perangkat keras di mana ketahanan korosi sedang dapat diterima	Komponen yang terpapar korosi stres tinggi (pengikatan laut, piston hidrolik)

Alasan pemilihan: - Pilih 420 untuk aplikasi yang memprioritaskan ketahanan aus, retensi tepi, perlakuan panas yang sederhana, dan biaya material yang lebih rendah ketika korosi layanan terbatas. - Pilih 431 untuk komponen yang harus menggabungkan kekuatan tinggi, ketangguhan, dan ketahanan korosi yang lebih baik (terutama di lingkungan yang mengandung klorida atau beban dinamis) di mana biaya material tambahan dapat dibenarkan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya relatif: 420 biasanya lebih murah daripada 431 karena mengandung sedikit atau tidak ada nikel; nikel adalah salah satu unsur paduan yang lebih mahal. Kandungan nikel dan kromium yang lebih tinggi pada 431 menyebabkan biaya bahan baku yang lebih tinggi.
• Ketersediaan: keduanya adalah grade industri umum dan tersedia luas dalam bentuk batang, rod, datar, dan pengikat. Ukuran khusus atau finishing permukaan mungkin memiliki waktu tunggu yang lebih lama, dan 431 mungkin sedikit kurang tersedia dibandingkan 420 di pasar komoditas.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel yang merangkum trade-off kunci:

Karakteristik	420	431
Kemampuan pengelasan	Sedang–menantang (karbon tinggi)	Lebih baik (Ni meningkatkan ketangguhan)
Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan	Kekerasan tinggi, ketangguhan lebih rendah pada kekerasan yang sama	Ketangguhan lebih baik pada kekuatan yang sebanding
Ketahanan korosi	Sedang	Lebih baik (Cr + Ni lebih tinggi)
Biaya	Lebih rendah	Lebih tinggi

Pilih 420 jika: - Persyaratan utama adalah kekerasan tinggi dan ketahanan aus atau retensi tepi dengan biaya rendah hingga sedang. - Komponen beroperasi di lingkungan yang relatif ringan atau akan menerima pelapisan pelindung. - Praktik pemesinan/penyelesaian dan pengerasan terkontrol dengan baik dan pengelasan minimal.

Pilih 431 jika: - Aplikasi membutuhkan rasio kekuatan terhadap ketangguhan yang lebih tinggi, ketahanan korosi yang lebih baik (terutama di lingkungan klorida), dan ketahanan yang lebih baik terhadap embrittlement temper dan kelelahan. - Kemampuan pengelasan dan ketahanan impak penting dan anggaran proyek dapat mengakomodasi biaya material yang lebih tinggi. - Bagian akan mengalami beban dinamis, paparan air laut, atau persyaratan untuk ketangguhan patah yang lebih tinggi.

Catatan akhir: Selalu verifikasi batas kimia dan mekanis yang tepat dalam spesifikasi pembelian Anda dan pilih praktik perlakuan panas (suhu austenitisasi, media pendingin, siklus temper, dan PWHT) untuk mencocokkan persyaratan desain untuk kekerasan, ketangguhan, dan kinerja korosi.