420 vs 440C – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
420 dan 440C adalah dua baja tahan karat martensitik yang banyak digunakan dan sering muncul dalam daftar pengadaan untuk bagian yang memerlukan keseimbangan antara kekerasan, ketahanan aus, dan kinerja korosi. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur umumnya menghadapi trade-off antara biaya, kemampuan mesin, dan kemampuan kekerasan/aus yang diperlukan untuk suatu bagian: pilihan yang tepat tergantung pada beban layanan, penyelesaian permukaan, dan lingkungan korosif yang diharapkan.
Perbedaan praktis utama antara kelas-kelas ini adalah strategi paduan mereka: satu adalah baja tahan karat martensitik karbon rendah dengan kromium sedang yang memberikan ketahanan korosi dan ketangguhan yang wajar; yang lainnya adalah baja tahan karat martensitik karbon tinggi, kromium tinggi yang dirancang untuk membentuk populasi signifikan karbida kromium keras untuk ketahanan aus yang superior dan kekerasan yang lebih tinggi yang dapat dicapai. Perbedaan itu mempengaruhi perilaku perlakuan panas, sifat mekanis, kemampuan pengelasan, dan domain aplikasi mereka.
1. Standar dan Penunjukan
- 420:
- Penunjukan umum: UNS S42000, EN X46Cr13 (atau X20Cr13 tergantung pada varian), JIS SUS420J1 / SUS420J2.
- Standar tipikal: ASTM A276 (batang baja tahan karat, batang dan bentuk), ASME, EN, JIS.
- Kategori: Baja tahan karat martensitik (baja alat/pisau tahan karat).
- 440C:
- Penunjukan umum: UNS S44004, EN X105CrMo17 (historis), JIS SUS440C.
- Standar tipikal: AMS, ASTM A582 / A666 (beberapa bentuk produk), EN, JIS.
- Kategori: Baja tahan karat martensitik karbon tinggi/baja alat.
420 umumnya ditentukan di mana ketahanan korosi sedang dan kekerasan sedang sudah cukup; 440C ditentukan di mana kekerasan lebih tinggi, ketahanan aus, dan retensi tepi diperlukan.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | 420 (rentang tipikal, wt%) | 440C (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C (Karbon) | 0.15 – 0.40 | 0.95 – 1.20 |
| Mn (Mangan) | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| Si (Silikon) | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P (Fosfor) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S (Belerang) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (Kromium) | 12.0 – 14.0 | 16.0 – 18.0 |
| Ni (Nikel) | ≤ 0.60 | ≤ 0.50 |
| Mo (Molybdenum) | jejak – ≤ 0.60 (varian) | jejak – ≤ 0.75 (beberapa spesifikasi) |
| V, Nb, Ti, B, N | biasanya jejak/tidak ada | biasanya jejak/tidak ada |
Catatan: - Nilai di atas adalah rentang representatif dari spesifikasi umum dan lembar data produk; komposisi yang tepat tergantung pada standar dan produsen. - Kandungan karbon yang jauh lebih tinggi dan kandungan kromium yang lebih tinggi pada 440C mendorong fraksi volume yang lebih tinggi dari karbida kromium keras (terutama jenis M23C6/M7C3 dalam mikrostruktur praktis), meningkatkan ketahanan aus dan kekerasan yang dapat dicapai. - Karbon yang lebih rendah pada 420 menghasilkan lebih sedikit karbida dan matriks martensit yang lebih ulet setelah pendinginan dan temper, meningkatkan ketangguhan dan kemampuan mesin dibandingkan dengan 440C.
Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Karbon mengontrol kemampuan pengerasan dan kekerasan maksimum yang dapat dicapai setelah pendinginan/temper; karbon yang lebih tinggi → kekerasan yang lebih tinggi tetapi ketangguhan dan kemampuan pengelasan yang berkurang. - Kromium memberikan ketahanan korosi dengan membentuk film oksida pasif; Cr yang lebih tinggi umumnya meningkatkan ketahanan, tetapi presipitasi karbida yang berat dapat menghabiskan kromium matriks secara lokal. - Elemen paduan seperti Mo (jika ada) dapat meningkatkan ketahanan terhadap pitting dan kemampuan pengerasan; Mn dan Si adalah elemen pemrosesan dan deoksidasi dengan efek mikrostruktur yang moderat.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Kedua kelas adalah baja tahan karat martensitik dalam kondisi perlakuan panas umum, tetapi mikrostruktur mereka berbeda secara signifikan:
- 420:
- Mikrostruktur setelah pendinginan: sebagian besar martensit dengan fraksi volume karbida yang relatif rendah; karbida lebih halus dan lebih sedikit.
- Perlakuan panas: austenitisasi (rentang tipikal ~980–1030 °C tergantung pada spesifikasi), pendinginan (minyak/udara tergantung pada ukuran bagian), temper untuk kekerasan yang diperlukan (temper antara ~150–600 °C). Kekerasan praktis maksimum dibatasi oleh kandungan karbon (sering hingga ~48–52 HRC untuk varian karbon lebih tinggi).
-
Respons: respons yang baik terhadap siklus pendinginan & temper konvensional; fraksi austenit yang tersisa lebih rendah; tempering meningkatkan ketangguhan.
-
440C:
- Mikrostruktur setelah pendinginan: matriks martensitik dengan fraksi volume karbida kaya kromium yang signifikan. Distribusi karbida adalah kontributor utama terhadap ketahanan aus.
- Perlakuan panas: austenitisasi biasanya dalam rentang ~1010–1070 °C, pendinginan (minyak atau udara untuk bagian kecil), temper tergantung pada kekerasan target. Perlakuan kriogenik kadang-kadang digunakan untuk mengurangi austenit yang tersisa dan mengubahnya menjadi martensit, diikuti dengan tempering suhu rendah untuk menstabilkan kekerasan.
- Respons: karbon tinggi memungkinkan kekerasan yang sangat tinggi setelah pendinginan tetapi juga meningkatkan risiko distorsi dan retak. Tempering menukar kekerasan dengan ketangguhan; tempering yang optimal menyeimbangkan kekerasan yang tersisa versus risiko kegagalan rapuh.
Normalisasi, tempering berulang, atau perlakuan subzero memiliki hasil yang berbeda: 440C lebih diuntungkan dari kontrol karbida dan perlakuan kriogenik untuk memaksimalkan kekerasan dan stabilitas dimensi, sementara 420 lebih toleran dalam siklus termal.
4. Sifat Mekanis
| Sifat | 420 (tipikal, tergantung kondisi) | 440C (tipikal, tergantung kondisi) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Sedang hingga tinggi setelah pengerasan; meningkat dengan karbon yang lebih tinggi dan fraksi martensit | Umumnya kekuatan tarik maksimum yang lebih tinggi setelah pengerasan karena karbon yang lebih tinggi |
| Kekuatan luluh | Sedang; tergantung pada perlakuan panas | Lebih tinggi ketika sepenuhnya dikeraskan |
| Peregangan (duktilitas) | Duktilitas lebih tinggi (dianil atau temper) — formabilitas yang lebih baik | Peregangan lebih rendah ketika dikeraskan; dapat menjadi rapuh jika terlalu banyak temper |
| Ketangguhan impak | Ketangguhan yang lebih baik dibandingkan dengan 440C (bracket kekerasan yang sama) | Ketangguhan lebih rendah karena populasi karbida dan kekerasan yang lebih tinggi |
| Kekerasan (HRC) | Biasanya hingga ~48–52 HRC (varian karbon lebih tinggi mendekati batas atas) | Biasanya hingga ~58–64 HRC dalam kondisi yang dikeraskan dan dikeraskan dengan baik |
Penjelasan kualitatif: - 440C mencapai kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi karena karbonnya yang lebih tinggi membentuk jumlah karbida kromium keras yang lebih besar yang tertanam dalam matriks martensitik. Ini meningkatkan kekuatan tarik dan tekan tetapi mengurangi ketangguhan dan duktilitas. - 420, dengan karbon yang lebih rendah dan lebih sedikit karbida, menghasilkan ketangguhan dan kemampuan mesin yang lebih baik tetapi tidak dapat menyamai retensi tepi atau ketahanan aus dari 440C.
Catatan: Angka mekanis yang tepat sangat tergantung pada bentuk produk (batang, pelat), ukuran bagian, dan parameter perlakuan panas yang tepat. Lembar data pemasok harus dirujuk untuk perhitungan desain.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan terutama dipengaruhi oleh ekuivalen karbon dan kemampuan pengerasan. Dua indeks empiris umum:
-
Ekuivalen karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm Jerman: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi: - Kandungan karbon yang jauh lebih tinggi dan kromium yang meningkat pada 440C meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$, menunjukkan kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk mikrostruktur martensitik keras di zona yang terpengaruh panas (HAZ) dan oleh karena itu risiko retak dingin dan embrittlement hidrogen yang lebih besar. Pemanasan awal, kontrol input panas, penggunaan bahan habis pakai rendah hidrogen, dan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) umumnya diperlukan untuk pengelasan 440C yang bebas masalah. - 420, dengan karbon yang lebih rendah, memiliki kemampuan pengelasan yang lebih baik dibandingkan tetapi masih memerlukan perhatian: pemanasan awal dan tempering pasca pengelasan mungkin disarankan untuk aplikasi kritis untuk menghindari HAZ martensitik keras dan untuk mengurangi stres sisa. - Dalam praktiknya, kedua kelas tidak sebaik baja tahan karat austenitik dalam hal kemampuan pengelasan; pengelasan sering dihindari untuk komponen 440C yang kritis dan berkekerasan tinggi. Fabrikasi dengan pemesinan dari stok batang adalah hal yang umum.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- 420:
- Dengan kromium sekitar 12–14%, 420 memberikan ketahanan korosi sedang dalam atmosfer ringan dan terhadap bahan kimia ringan. Ini umum digunakan dalam peralatan makan dan lingkungan yang kurang agresif. Penyelesaian permukaan (polishing, pasivasi) meningkatkan ketahanan korosi.
- Untuk lingkungan yang agresif atau laut, perlindungan tambahan seperti pelapisan, pelapisan, atau menentukan baja tahan karat paduan lebih tinggi disarankan.
- 440C:
- Kromium yang lebih tinggi secara nominal meningkatkan potensi ketahanan korosi, tetapi fraksi volume karbida yang tinggi dan presipitasi karbida selama perlakuan panas dapat menghabiskan kromium di matriks secara lokal dan mengurangi ketahanan terhadap pitting. Dalam lingkungan netral hingga sedikit korosif, 440C berfungsi dengan baik; dalam lingkungan yang sangat korosif atau mengandung klorida, itu tidak optimal tanpa perlindungan permukaan.
- PREN (tidak biasanya menentukan untuk kelas martensitik ini tetapi informatif untuk ketahanan pitting): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Untuk 420 dan 440C, nilai PREN adalah moderat karena Mo dan N rendah atau tidak ada; PREN lebih relevan untuk baja tahan karat austenitik/ferritik dengan Mo dan N yang signifikan.
- Opsi perlindungan permukaan untuk lingkungan korosi yang tidak sesuai: nikel tanpa elektrolit, pelapisan kromium, pelapisan PVD, pasivasi, pengecatan, atau menentukan paduan alternatif yang tahan korosi.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin:
- 420: lebih mudah untuk diproses dalam kondisi dianil; varian 420HC yang lebih tinggi lebih menantang tetapi masih lebih mudah daripada 440C. Penyelesaian permukaan yang baik dapat dicapai.
- 440C: lebih sulit untuk diproses karena kekerasan tinggi dan karbida kromium yang abrasif; disarankan untuk memproses dalam kondisi dianil yang lebih lunak dan menyelesaikan penggilingan setelah pengerasan. Keausan alat lebih tinggi; gunakan alat karbida, pengurangan umpan, dan pendingin.
- Formabilitas dan pembengkokan:
- 420: kemampuan membengkok yang lebih baik dan pembentukan dalam keadaan dianil; bagian yang dikeraskan kurang ulet.
- 440C: pembentukan terbatas setelah pengerasan; praktik tipikal adalah melakukan pembentukan dan pemesinan dalam kondisi dianil, kemudian perlakuan panas untuk kekerasan akhir.
- Penyelesaian permukaan:
- 440C dapat dipoles hingga kilau tinggi tetapi memerlukan lebih banyak usaha penggilingan/polishing setelah pengerasan. 420 relatif mudah dipoles dan menerima pasivasi dengan baik.
8. Aplikasi Tipikal
| 420 — Penggunaan Tipikal | 440C — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Peralatan makan dan pisau dapur (tingkat masuk hingga menengah) | Peralatan makan dan pisau kelas atas yang memerlukan retensi tepi yang superior |
| Instrumen bedah dan alat gigi (beberapa jenis) | Bagian aus: bola katup, dudukan, bantalan, bushing |
| Shaft, spindle, komponen pompa dalam media korosif sedang | Bantalan bola presisi, rol, cam, pelat aus |
| Perangkat keras dekoratif, pengikat, trim | Alat pemotong dan cetakan di mana ketahanan korosi dan ketahanan aus dari baja tahan karat diperlukan |
Rasional pemilihan: - Pilih 420 untuk aplikasi yang memprioritaskan ketahanan korosi dan ketangguhan dengan biaya lebih rendah dan ketika kekerasan ekstrem tidak diperlukan. - Pilih 440C untuk aplikasi di mana ketahanan aus, retensi tepi, dan kemampuan untuk mencapai kekerasan yang sangat tinggi adalah persyaratan utama, dan di mana pemrosesan pasca-perlakuan (penggilingan, pemolesan) dapat diterima.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: 440C biasanya lebih mahal per kilogram dibandingkan 420 karena kandungan paduan yang lebih tinggi, kontrol proses yang lebih ketat, dan permintaan di pasar alat/aus. Bentuk produk khusus (batang presisi yang digiling, stok yang telah dipanaskan sebelumnya) untuk 440C dapat membawa premium lebih lanjut.
- Ketersediaan: Kedua kelas tersedia secara luas dalam bentuk batang, lembaran, dan batang tetapi bentuk produk berbeda. 420 sangat umum di pasar peralatan makan dan baja tahan karat tujuan umum. 440C tersedia dengan mudah dalam batang presisi dan stok bulat untuk aplikasi alat dan bantalan tetapi kurang umum dalam ukuran pelat besar.
- Tip pengadaan: Membeli dalam ukuran produk umum dan kondisi yang telah dipanaskan sebelumnya dapat mengurangi waktu tunggu dan biaya; perlakuan panas khusus atau penyelesaian tambahan (penggilingan/perlakuan kriogenik) meningkatkan harga pembelian dan waktu tunggu.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 420 | 440C |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik (karbon lebih rendah) — masih memerlukan kontrol | Lebih buruk (karbon & Cr tinggi) — pemanasan awal/PWHT sering diperlukan |
| Trade-off Kekuatan–Ketangguhan | Ketangguhan lebih baik pada kekuatan sedang | Kekerasan maksimum & ketahanan aus lebih tinggi, ketangguhan lebih rendah |
| Biaya | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Rekomendasi: - Pilih 420 jika: - Anda memerlukan ketahanan korosi sedang dengan ketangguhan dan kemampuan mesin yang wajar. - Biaya, formabilitas, dan fabrikasi/pengelasan yang lebih mudah adalah prioritas. - Aplikasi melibatkan keausan atau beban impak sedang di mana kekerasan yang sangat tinggi tidak diperlukan. - Pilih 440C jika: - Kekerasan maksimum, ketahanan aus, dan retensi tepi sangat penting (lintasan bantalan, dudukan katup, pisau kelas atas). - Anda dapat mengakomodasi perlakuan panas yang lebih kompleks, penyelesaian (penggilingan, pemolesan), dan tindakan pencegahan pengelasan yang lebih ketat atau lebih suka memproses dari stok yang telah dipanaskan sebelumnya. - Lingkungan layanan tidak sangat korosif atau Anda berencana untuk menerapkan perlindungan permukaan.
Catatan penutup: Baik 420 maupun 440C adalah pilihan baja tahan karat martensitik yang berguna; pilihan harus didorong oleh keseimbangan antara kekerasan/ketahanan aus yang diperlukan versus ketangguhan, kemudahan fabrikasi, dan lingkungan korosi. Untuk komponen kritis, tentukan kondisi perlakuan panas dan minta data uji mekanis dari pemasok untuk memastikan mikrostruktur dan sifat yang disampaikan memenuhi persyaratan desain.