42CrMo vs 40CrNiMoA – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur biasanya menghadapi pilihan antara 42CrMo dan 40CrNiMoA saat menentukan komponen yang memerlukan keseimbangan antara kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan pengerasan. Konteks keputusan yang umum termasuk poros berputar, komponen gearbox berat, dan pengikat yang sangat tertekan di mana kompromi antara biaya, kemampuan pengelasan, dan ketahanan terhadap benturan menentukan pemilihan paduan yang tepat.
Perbedaan praktis utama adalah bahwa 40CrNiMoA mengandung nikel sebagai elemen paduan yang disengaja untuk meningkatkan ketangguhan dan ketahanan notching pada tingkat kekuatan yang sebanding, sementara 42CrMo mencapai sifatnya terutama melalui kemampuan pengerasan kromium-molibdenum. Kedua paduan ini sering dibandingkan karena mereka menempati ceruk aplikasi yang tumpang tindih tetapi berbeda dalam ketangguhan, respons perlakuan panas, dan biaya.
1. Standar dan Penunjukan
- 42CrMo: Sering dirujuk sebagai 42CrMo4 dalam standar EN (seri EN 10083) dan umumnya disamakan dengan AISI/SAE 4140 dalam praktik Amerika Utara. Juga muncul dalam standar Tiongkok di bawah daftar kimia yang sebanding dalam spesifikasi GB/T.
- 40CrNiMoA: Ditemukan dalam penunjukan baja paduan GB Tiongkok untuk baja struktural yang dikuatkan dan diperlakukan; kadang-kadang dibandingkan dengan baja paduan lain yang mengandung Ni dalam daftar EN/ASTM meskipun ini terutama merupakan penunjukan GB.
- Standar lain di mana ekuivalen mungkin muncul: ASTM/ASME (spesifikasi baja paduan umum), JIS (ekuivalen baja paduan Jepang).
- Klasifikasi: Keduanya adalah baja paduan (karbon menengah, paduan rendah hingga menengah). Mereka bukan baja tahan karat atau kelas HSLA mikro-paduan dalam arti yang ketat — mereka adalah baja struktural paduan yang dapat diperlakukan panas yang dimaksudkan untuk layanan dikuatkan & diperlakukan.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: Komposisi tipikal (wt.%) — rentang representatif yang digunakan dalam dokumen industri. Ini adalah rentang target yang tipikal; periksa sertifikat pabrik spesifik untuk pengadaan.
| Elemen | 42CrMo (tipikal, wt.%) | 40CrNiMoA (tipikal, wt.%) |
|---|---|---|
| C | 0.38–0.45 | 0.36–0.44 |
| Mn | 0.60–0.90 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.025 | ≤0.025 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.90–1.20 | 0.80–1.10 |
| Ni | jejak–0.30 | 0.30–0.70 |
| Mo | 0.15–0.30 | 0.15–0.30 |
| V | jejak | jejak |
| Nb, Ti, B, N | jejak / terkontrol | jejak / terkontrol |
Penjelasan tentang strategi paduan: - Karbon memberikan kekuatan dasar dan kemampuan pengerasan tetapi mengurangi kemampuan pengelasan dan keuletan saat meningkat. - Kromium dan molibdenum meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan temper; mereka memungkinkan kekuatan dikuatkan yang lebih tinggi dan respons temper yang lebih baik pada suhu tinggi. - Nikel (yang ada dalam 40CrNiMoA) adalah penguat ketangguhan yang kuat; ia meningkatkan ketangguhan benturan pada suhu rendah dan ketahanan terhadap efek notching tanpa penalti besar terhadap kemampuan pengerasan. - Mangan dan silikon adalah deoksidator dan juga berkontribusi pada kekuatan dan kemampuan pengerasan dalam jumlah yang moderat. - Elemen mikro-paduan jejak (V, Nb, Ti, B) ketika ada memperhalus ukuran butir dan dapat meningkatkan ketangguhan/kekuatan pengerasan; ini biasanya dijaga rendah atau dihilangkan tergantung pada bentuk produk.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Dalam kondisi dinormalisasi, kedua paduan membentuk mikrostruktur ferit–pearlit. Setelah dikuatkan, struktur target adalah martensit (mungkin martensit + austenit yang tersisa tergantung pada pendinginan dan kandungan paduan), dan setelah tempering, mikrostruktur martensit yang diperlakukan terbentuk. - 42CrMo merespons secara efektif terhadap siklus pengerasan & temper: Cr dan Mo yang lebih tinggi memberikan kemampuan pengerasan yang baik, menghasilkan struktur martensitik yang relatif seragam melalui ketebalan bagian yang moderat. - 40CrNiMoA, dengan kandungan nikelnya, cenderung menghasilkan martensit yang diperlakukan yang sedikit lebih tangguh; nikel mendorong struktur paket/blok yang lebih halus dan mengurangi sensitivitas embrittlement temper ketika diproses dengan benar.
Efek dari rute umum: - Normalisasi: memperhalus ukuran butir dan menghomogenkan mikrostruktur untuk pemesinan atau penempaan selanjutnya; kedua baja mendapatkan manfaat yang serupa. - Pengerasan & tempering: Keduanya dirancang untuk Q&T. 42CrMo mencapai kekuatan tinggi melalui pengerasan dan kontrol temper; 40CrNiMoA pada kondisi temper yang setara biasanya menunjukkan ketangguhan benturan yang lebih baik untuk kekuatan tarik tertentu karena efek nikel pada keuletan dan ketahanan patah. - Pemrosesan termo-mekanis: Jika diterapkan (penempaan + penggulungan terkontrol), keduanya dapat mencapai ketangguhan yang lebih baik karena pemurnian butir; baja yang mengandung nikel sering menunjukkan keuntungan dalam ketangguhan suhu rendah setelah pemrosesan semacam itu.
4. Sifat Mekanik
Tabel: Sifat mekanik tipikal dalam kondisi dikuatkan & diperlakukan (rentang industri). Sifat aktual tergantung pada suhu perlakuan panas spesifik, waktu, dan ukuran bagian.
| Sifat | 42CrMo (tipikal Q&T) | 40CrNiMoA (tipikal Q&T) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | 850–1100 | 800–1100 |
| Kekuatan luluh (MPa) | 600–850 | 550–800 |
| Peregangan (%) | 10–15 | 12–18 |
| Dampak Charpy (J, pada suhu desain) | Sedang — tergantung pada perlakuan panas | Ketangguhan lebih tinggi pada kekuatan yang sebanding |
| Kekerasan (HRC atau HB) | HRC 25–45 (atau HB 250–450) | Rentang serupa; lebih toleran terhadap benturan pada kekerasan yang sama |
Interpretasi: - Kekuatan: Kedua paduan dapat mencapai kekuatan tarik yang sebanding setelah Q&T. Kemampuan pengerasan Cr–Mo yang lebih kuat dari 42CrMo sering memungkinkan pencapaian kekerasan target dengan jadwal pengerasan yang lebih sederhana. - Ketangguhan: 40CrNiMoA umumnya memberikan ketangguhan benturan yang lebih baik dan kinerja yang lebih baik dalam kondisi notched pada tingkat kekuatan yang sebanding berkat nikel. - Keuletan: 40CrNiMoA cenderung menunjukkan persentase peregangan yang sedikit lebih tinggi ketika diproses secara kimia dan termal untuk ketangguhan.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan tergantung terutama pada ekuivalen karbon dan keberadaan elemen paduan yang meningkatkan kemampuan pengerasan.
Rumus yang berguna: - Ekuivalen karbon (metode IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parameter fenomenologis yang sering digunakan dalam praktik Tiongkok: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - Kedua baja adalah baja paduan karbon menengah dengan nilai CE moderat; mereka dapat dilas dengan pemanasan awal yang tepat, kontrol suhu antar proses, dan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) dalam aplikasi kritis. - 42CrMo, dengan nikel yang sedikit lebih rendah, biasanya memiliki kecenderungan sedikit lebih tinggi untuk membentuk struktur HAZ martensitik yang keras jika dipanaskan dengan buruk, tetapi kontrol kemampuan pengerasannya yang baik memungkinkan PWHT yang dapat diprediksi. - 40CrNiMoA, meskipun lebih tangguh dalam logam dasar, mengandung Ni yang sedikit meningkatkan faktor CE tetapi juga dapat meningkatkan ketangguhan HAZ jika laju pendinginan dikontrol. Dalam praktiknya, spesifikasi prosedur pengelasan (WPQs) harus digunakan dan PWHT disarankan untuk sambungan dengan integritas tinggi.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 42CrMo maupun 40CrNiMoA bukanlah baja tahan karat; mereka memerlukan perlindungan permukaan di lingkungan korosif.
- Tindakan perlindungan umum: galvanisasi celup panas (untuk komponen yang lebih kecil), pelapisan elektro, pelapisan konversi, sistem cat/epoksi, dan pelumasan untuk perlindungan jangka pendek.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) tidak berlaku untuk beton non-tahan karat ini, tetapi rumus PREN standar adalah: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Penggunaan PREN hanya berlaku untuk paduan tahan karat; untuk 42CrMo dan 40CrNiMoA, ketahanan korosi rendah dan tergantung pada pelapisan atau perlindungan katodik.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin: Dalam kondisi dinormalisasi atau diredakan, keduanya dapat diproses dengan baik; kekerasan yang lebih tinggi setelah Q&T mengurangi kemampuan mesin. Nikel dalam 40CrNiMoA tidak secara signifikan menghambat pemesinan dalam kondisi lunak tetapi dapat meningkatkan keausan alat dalam keadaan keras.
- Kemampuan pembentukan: Keduanya memiliki kemampuan pembentukan dingin yang terbatas dalam kondisi keras. Pekerjaan panas dan penempaan umum dilakukan sebelum perlakuan panas akhir. Normalisasi sebelum pemesinan dapat meningkatkan kemampuan pembentukan.
- Penyelesaian permukaan: Keduanya menerima praktik penyelesaian umum (penggilingan, peening) untuk komponen yang kritis terhadap kelelahan. Kehadiran nikel dapat sedikit mempengaruhi respons perlakuan permukaan (misalnya, pewarnaan panas selama tempering), tetapi proses penyelesaian standar berlaku.
8. Aplikasi Tipikal
| 42CrMo – Penggunaan Tipikal | 40CrNiMoA – Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Poros, sumbu, roda gigi, poros engkol, komponen hidrolik di mana kekuatan tinggi dan kemampuan pengerasan yang baik diperlukan | Poros engkol berat, sumbu besar, komponen rotor, pengikat yang sangat tertekan di mana ketangguhan tinggi dan ketahanan terhadap benturan sangat penting |
| Rangka mesin dan komponen alat yang memerlukan ketahanan temper yang baik | Komponen yang terpapar pada beban siklik dengan sensitivitas notching, di mana nikel meningkatkan ketangguhan patah |
| Bagian dikuatkan & diperlakukan untuk tujuan umum di mana efisiensi biaya penting | Aplikasi yang menuntut ketangguhan suhu rendah yang lebih baik atau di mana ketahanan notching diprioritaskan |
Rasional pemilihan: - Pilih 42CrMo ketika kemampuan pengerasan tinggi, respons pengerasan yang konsisten, dan efisiensi biaya adalah perhatian utama. - Pilih 40CrNiMoA ketika ketangguhan yang ditingkatkan, terutama di bawah layanan notching atau suhu rendah, diperlukan dan anggaran memungkinkan biaya paduan yang sedikit lebih tinggi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: 40CrNiMoA biasanya lebih mahal per ton dibandingkan 42CrMo karena tambahan nikel dan kontrol kualitas yang lebih ketat untuk ketangguhan; namun, perbedaan biaya tergantung pada harga nikel pasar dan sumber pabrik.
- Ketersediaan: 42CrMo (dan ekuivalennya internasional seperti 4140/42CrMo4) tersedia secara luas dalam bentuk batang, tempa, dan pelat. 40CrNiMoA umumnya tersedia di daerah di mana kelas GB adalah standar (Tiongkok dan beberapa pasar Asia) dan tersedia dalam bentuk produk tempa dan gulungan tetapi mungkin kurang umum dalam rantai pasokan komoditas di luar daerah tersebut.
- Bentuk produk: Keduanya diproduksi sebagai batang, tempa, dan pelat; waktu pengadaan dan pengujian pabrik (misalnya, sertifikat pengujian benturan) harus dikonfirmasi untuk aplikasi kritis.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel: Perbandingan cepat
| Aspek | 42CrMo | 40CrNiMoA |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Baik dengan pemanasan awal & PWHT; perilaku HAZ yang dapat diprediksi | Baik dengan kontrol; Ni sedikit meningkatkan CE tetapi meningkatkan ketangguhan HAZ |
| Perimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan tinggi; ketangguhan baik dengan temper yang benar | Kekuatan serupa pada Q&T; ketangguhan/notching resistance yang lebih baik |
| Biaya | Umumnya lebih rendah | Umumnya lebih tinggi (kandungan nikel) |
Rekomendasi: - Pilih 42CrMo jika Anda memerlukan paduan Cr–Mo yang hemat biaya dan tersedia untuk komponen berkekuatan tinggi dengan kemampuan pengerasan yang dapat diandalkan dan di mana ketangguhan standar dapat diterima. Ini adalah pilihan pragmatis untuk banyak poros, roda gigi, dan bagian struktural umum. - Pilih 40CrNiMoA jika aplikasi menuntut ketangguhan benturan yang lebih baik, ketahanan notching, atau kinerja suhu rendah yang lebih baik pada tingkat kekuatan yang sebanding — misalnya, poros engkol besar, komponen yang sangat tertekan, atau bagian yang terkena dampak dinamis di mana konsekuensi kegagalan sangat parah.
Catatan akhir: Selalu verifikasi sertifikat pabrik dan tentukan parameter perlakuan panas, persyaratan energi Charpy, dan kualifikasi prosedur pengelasan untuk komponen kritis. Pemilihan material harus dikonfirmasi dengan pengujian sampel atau data pemasok untuk bentuk produk yang tepat dan perlakuan panas yang dimaksudkan untuk memastikan kinerja yang diperlukan dalam layanan.