420 vs 440A – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
AISI 420 dan AISI 440A adalah baja tahan karat martensitik yang umum digunakan ketika dibutuhkan keseimbangan antara ketahanan korosi, kekerasan, dan biaya. Engineer, manajer pengadaan, dan perencana produksi sering menghadapi kompromi: grade dengan paduan yang lebih rendah yang lebih mudah dibentuk dan dilas versus grade dengan kandungan karbon dan krom lebih tinggi yang memberikan kemampuan pengerasan dan ketahanan tepi yang lebih baik. Konteks keputusan tipikal meliputi desain peralatan makan dan pisau, komponen katup dan pompa, cincin bearing, serta komponen yang membutuhkan ketahanan aus lokal.
Perbedaan praktis utama antara keduanya adalah trade-off antara kekerasan/ketahanan aus yang dapat dicapai dan ketangguhan/duktilitas layanan yang dipertahankan: 440A diformulasikan untuk mencapai kekerasan dan ketahanan aus lebih tinggi setelah perlakuan panas, sedangkan 420 memberikan ketangguhan relatif lebih baik, proses yang lebih sederhana, serta kemampuan las dan bentuk yang lebih baik pada banyak jalur produksi. Karena keduanya adalah baja tahan karat martensitik, keduanya sering dibandingkan untuk aplikasi alat dan peralatan makan stainless kelas menengah.
1. Standar dan Penamaan
- 420: Umumnya dirujuk dalam AISI/ASTM/UNS sebagai AISI 420 (UNS S42000); grade ekuivalen juga muncul dalam daftar EN dan JIS (sering di bawah penamaan martensitic stainless). Diklasifikasikan sebagai baja tahan karat martensitik.
- 440A: Anggota keluarga 440 (AISI 440A, UNS S44001), juga terwakili dalam berbagai standar nasional. Diklasifikasikan sebagai baja tahan karat martensitik.
Ringkasan kategori: - 420: Baja tahan karat martensitik (baja alat/pisau stainless). - 440A: Baja tahan karat martensitik (grade alat/pisau stainless dengan kandungan karbon dan krom lebih tinggi).
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut menunjukkan rentang komposisi tipikal untuk grade komersial 420 dan 440A; rentang bervariasi menurut standar dan pemasok. Nilai dalam persen berat.
| Unsur | 420 (rentang tipikal, wt%) | 440A (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.15 – 0.40 | 0.60 – 0.75 |
| 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 | 16.0 – 18.0 |
| Ni | — (biasanya jejak) | — (biasanya jejak) |
| Mo | — (biasanya tidak ada) | — (biasanya tidak ada) |
| V | — (biasanya tidak ada) | — (biasanya tidak ada) |
| Nb / Ti / B / N | jejak / tidak spesifik | jejak / tidak spesifik |
Pengaruh paduan terhadap performa: - Karbon: Faktor utama pengerasan dan kekerasan martensitik yang dapat dicapai. Karbon lebih tinggi (440A) memungkinkan kekerasan saat quench lebih tinggi dan ketahanan tepi yang superior tetapi mengorbankan ketangguhan dan kemampuan las. - Kromium: Memberikan ketahanan korosi dan berkontribusi pada pengerasan melalui pembentukan karbida. Kandungan Cr lebih tinggi pada 440A memberi perilaku pasif yang lebih baik di banyak lingkungan. - Mn, Si, unsur jejak: Mempengaruhi deoksidasi, perilaku butir, dan pengerasan tetapi bersifat sekunder dibandingkan C dan Cr pada grade ini.
3. Mikrostruktur dan Respon Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Dalam kondisi annealed, kedua grade sebagian besar berupa feritik/perlitik tergantung pada kimia dan proses, namun kegunaan utama adalah setelah transformasi ke martensit melalui perlakuan panas. - Setelah anneal dan quench, keduanya membentuk martensit plus karbida kromium. 440A menghasilkan lebih banyak dan karbida yang lebih keras akibat karbon dan krom lebih tinggi, meningkatkan ketahanan aus. - Tempering menghasilkan martensit tertemper dengan distribusi karbida dan respon tempering tergantung pada kandungan karbon.
Jalur dan efek perlakuan panas: - Anneal: Kondisi lunak dan mudah mesin untuk pembentukan dan machining (ferit/perlit). - Hardening (austenitisasi → quench → tempering): Suhu austenitisasi dan media quench mengontrol jumlah austenit tertahan, pelarutan karbida, dan kekerasan akhir. 440A dengan karbon lebih tinggi mencapai kekerasan lebih tinggi pada jadwal austenitisasi/tempering tertentu namun lebih rawan retak akibat tegangan quench. - Normalizing: Digunakan untuk memperhalus ukuran butir sebelum pengerasan akhir; berguna untuk ketangguhan. - Pemrosesan termo-mekanik: Jarang digunakan sebanding dengan baja struktural, tetapi penempaan dan pendinginan terkendali bisa memperbaiki sifat dengan mengontrol ukuran butir dan dispersi karbida.
Catatan praktis: suhu tempering harus dipilih dengan tepat untuk menyeimbangkan kekerasan dan ketangguhan; 440A dengan karbon lebih tinggi memerlukan tempering yang cermat untuk menghindari embrittlement sambil mempertahankan kekerasan.
4. Sifat Mekanik
Tabel berikut memberikan perbandingan dari kualitas sampai tipikal. Nilai aktual sangat bergantung pada perlakuan panas dan bentuk produk.
| Sifat | 420 (tipikal) | 440A (tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | Sedang — tergantung temper; biasanya lebih rendah dari 440A | Lebih tinggi — maksimum dapat melebihi 420 saat pengerasan penuh |
| Kekuatan luluh (MPa) | Sedang | Lebih tinggi dalam kondisi kekerasan tinggi |
| Elongasi (%) | Lebih tinggi (duktilitas lebih baik dalam kondisi setara) | Lebih rendah (duktilitas menurun saat pengerasan penuh) |
| Ketangguhan tumbukan | Ketangguhan terjaga lebih baik pada kekerasan sebanding | Ketangguhan lebih rendah pada kekerasan sebanding; lebih rapuh saat pengerasan penuh |
| Kekerasan (HRC, setelah temper) | Biasanya hingga ~48–52 HRC tergantung C dan proses | Biasanya lebih tinggi; HRC pertengahan 50-an dapat dicapai dengan perlakuan panas tepat |
Interpretasi: - 440A umumnya mencapai kekuatan tarik dan kekerasan maksimum lebih tinggi berkat kandungan karbon dan kromium yang lebih besar. Ini meningkatkan performa ketahanan aus dan ketahanan tepi. - 420 mempertahankan duktilitas dan ketahanan tumbukan yang relatif lebih baik pada tingkat kekerasan sedang, sehingga lebih kecil kemungkinan gagal secara tiba-tiba pada beban benturan atau pembengkokan.
5. Kemampuan Las
Pertimbangan kemampuan las untuk baja tahan karat martensitik fokus pada kandungan karbon, kemampuan pengerasan, dan mikro-paduan.
Rumus prediktif penting yang umum digunakan (interpretasi kualitatif): - Kardinal karbon ekuivalen (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (parameter las): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - Nilai $CE_{IIW}$ atau $P_{cm}$ lebih tinggi menunjukkan kecenderungan lebih besar terhadap pembentukan zona terpengaruh panas (HAZ) yang keras dan rapuh serta risiko retak setelah pengelasan. - 420 memiliki kandungan karbon dan indeks pengerasan lebih rendah dibanding 440A, sehingga 420 umumnya lebih mudah dilas (dengan prapemanasan dan tempering pasca las sesuai kebutuhan). Karbon dan kromium tinggi pada 440A meningkatkan risiko pembentukan martensit HAZ dan retak, sehingga pengelasan 440A membutuhkan kontrol ketat: prapemanasan, kontrol suhu antar las, praktik rendah hidrogen, dan tempering pasca las untuk melunakkan martensit rapuh. - Penggunaan logam pengisi yang cocok penting; banyak kasus memilih logam pengisi dengan karbon lebih rendah atau berbasis nikel guna mengurangi risiko retak.
6. Ketahanan Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 420 maupun 440A tahan karat karena kandungan kromium, namun ketahanan korosi keduanya sedang dibanding grade austenitik (304/316). 420 (12–14% Cr) memberikan ketahanan memadai di lingkungan korosi ringan; 440A (16–18% Cr) biasanya lebih baik karena kromium lebih tinggi dan film pasif lebih stabil di banyak lingkungan cairan.
- PREN (nilai ekuivalen tahan pitting) dapat dihitung untuk paduan stainless yang mengandung Mo dan N dengan rumus: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$. Untuk 420 dan 440A, Mo dan N biasanya minim, sehingga PREN kurang relevan.
- Perlindungan non-stainless: Saat dibutuhkan ketahanan korosi lebih tinggi, perawatan permukaan (electroplating, pengecatan, pelapisan) dan proteksi katodik atau galvanisasi adalah opsi untuk pengganti non-stainless — namun untuk martensitik ini pendekatan umum memilih grade stainless lebih tahan korosi atau aplikasi coating, karena galvanisasi pada martensitic stainless tidak umum untuk komponen presisi.
- Catatan praktis: pemolesan dan pasivasi sangat memengaruhi performa; 440A dengan permukaan terpolish dan dipasivasi dapat mendekati ketahanan korosi lokal yang lebih baik daripada 420.
7. Fabrikasi, Kemudahan Mesin, dan Kemampuan Bentuk
- Kemampuan mesin: Dalam kondisi anil, kedua grade dapat dikerjakan dengan mesin. 420, dengan kandungan karbon lebih rendah dan presipitasi karbida lebih sedikit, umumnya lebih mudah dikerjakan sesuai dimensi dalam kondisi anil. 440A dengan karbon lebih tinggi dan kecenderungan pembentukan karbida mengurangi kemampuan mesin, terutama jika dalam kondisi terkeras.
- Kemampuan bentuk dan pembengkokan: Keduanya terbatas dalam pembentukan dingin pada kondisi keras. Dalam kondisi anil, 420 lebih mudah dibentuk. 440A memerlukan parameter pembentukan yang lebih agresif atau harus disediakan dalam kondisi solusi anil yang lebih lunak untuk pembentukan.
- Penggilingan dan finishing: 440A dapat lebih abrasif terhadap peralatan karena partikel karbida yang lebih keras setelah perlakuan panas; keduanya dapat digiling dan dipoles hingga hasil akhir tinggi yang dibutuhkan untuk alat potong dan instrumen bedah.
- Finishing permukaan: Keduanya merespon dengan baik terhadap pemolesan mekanik dan pemolesan elektrokimia. Perlu dicatat distribusi karbida mempengaruhi kualitas pemolesan tepian.
8. Aplikasi Umum
| 420 — Penggunaan Umum | 440A — Penggunaan Umum |
|---|---|
| Alat potong dan pisau dapur yang membutuhkan ketangguhan dan ketahanan korosi dengan biaya sedang | Alat potong dan bilah pisau yang mengutamakan daya tahan tepian dan kekerasan lebih tinggi |
| Instrumen bedah (tipe tertentu) dan alat gigi yang memerlukan ketahanan korosi dan kemampuan bentuk | Komponen bantalan, katup, dan suku cadang aus yang memerlukan kekerasan permukaan lebih tinggi |
| Poros, pengikat, dan komponen pompa di lingkungan korosif sedang | Komponen aus kecil dan perangkat keras dengan aus tinggi di mana penggilingan ulang sering dapat diterima |
| Perangkat keras dekoratif dan fitting | Alat potong presisi, bilah kecil, pegas jam (aplikasi terpilih) |
Alasan pemilihan: - Pilih 420 saat ketangguhan di lapangan, kemampuan bentuk, dan kemampuan las menjadi prioritas serta ketahanan korosi sedang sudah cukup. - Pilih 440A saat kekerasan lebih tinggi dan daya tahan tepian menjadi faktor utama desain serta kandungan krom lebih tinggi menguntungkan untuk ketahanan korosi lokal.
9. Harga dan Ketersediaan
- Harga: 420 biasanya memiliki kandungan paduan lebih rendah (kromium lebih sedikit) dan secara umum lebih murah per kilogram dibandingkan 440A. Kandungan kromium lebih tinggi dan kontrol karbon ketat pada 440A sedikit meningkatkan biaya.
- Ketersediaan: Keduanya tersedia secara luas dalam bentuk batang, plat, strip, dan kawat dari pemasok baja tahan karat; 420 umum disimpan untuk alat potong dan perangkat keras, 440A adalah baja tahan karat standar untuk alat potong/bantalan dan juga tersedia secara umum. Bentuk produk khusus (strip tipis yang dipoles untuk finishing alat potong, batang presisi, atau tempa khusus) mungkin memiliki waktu tunggu berbeda tergantung pemasok.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Karakteristik | 420 | 440A |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Lebih baik (karbon lebih rendah, kemampuan pengerasan lebih rendah) | Lebih rendah (karbon lebih tinggi, sering perlu pemanasan pra dan PWHT) |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Ketangguhan lebih baik pada kekerasan sebanding; kekuatan sedang | Kekerasan dan kekuatan maksimum lebih tinggi; ketangguhan lebih rendah saat dikeraskan |
| Biaya | Lebih rendah | Lebih tinggi |
| Ketahanan korosi | Sedang (12–14% Cr) | Lebih baik terhadap korosi lokal (16–18% Cr) |
| Kemampuan mesin (anil) | Baik | Sedang sampai rendah (karena pembentukan karbida) |
Rekomendasi langsung: - Pilih 420 jika Anda memerlukan baja tahan karat martensitik yang lebih mudah dibentuk dan dilas, menawarkan keseimbangan ketangguhan dan ketahanan korosi yang baik dengan biaya lebih rendah, atau ketika komponen akan mengalami tekanan benturan atau pembengkokan (misalnya: alat potong tujuan umum, poros tugas sedang, pengikat, dan instrumen bedah yang tidak memerlukan kekerasan tepian ekstrim). - Pilih 440A jika desain Anda mengutamakan kekerasan lebih tinggi, daya tahan tepian, dan ketahanan aus dengan ketahanan korosi lokal yang lebih baik (misalnya: pisau yang masa pakai tepi sangat penting, komponen bantalan kecil, atau suku cadang aus), dan Anda dapat menerima kebutuhan kontrol perlakuan panas lebih ketat, ketangguhan yang berkurang, serta prosedur pengelasan yang lebih terkontrol.
Panduan praktis akhir: - Selalu spesifikasikan kondisi perlakuan panas dan kekerasan yang dibutuhkan dalam dokumen pengadaan. Evaluasi seluruh alur manufaktur (pembentukan, pengelasan, perlakuan panas, finishing) sebelum memilih grade. Jika ragu tentang beban kejutan saat pemakaian atau persyaratan las, pilih grade dengan duktibilitas lebih besar (420) atau konsultasikan kepada ahli metalurgi untuk penyesuaian kimia dan proses agar memenuhi kebutuhan bersaing.