42CrMo vs 40CrNiMoA – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur umumnya menghadapi keputusan apakah akan menentukan 42CrMo atau 40CrNiMoA saat merancang komponen berkekuatan tinggi seperti poros, roda gigi, dan pengikat berat. Pertukaran yang umum dalam keputusan ini termasuk kekuatan yang dibutuhkan versus ketangguhan, biaya versus kinerja, dan batasan perlakuan panas atau pengelasan versus ketersediaan dalam bentuk produk yang dibutuhkan.

Perbedaan mendasar antara dua grade ini terletak pada strategi paduan: 42CrMo adalah baja paduan medium kromium-molibdenum yang dioptimalkan untuk kemampuan pengerasan dan kekuatan tinggi setelah pendinginan dan temper, sementara 40CrNiMoA mengandung nikel tambahan (bersama dengan kromium dan molibdenum) untuk secara substansial meningkatkan ketangguhan impak dan ketahanan kelelahan pada tingkat kekuatan yang sebanding. Perbedaan ini mempengaruhi pilihan di mana duktilitas, ketahanan patah, atau ketangguhan pada suhu rendah sangat penting.

1. Standar dan Penunjukan

• 42CrMo:
• Standar umum: EN 10250 / EN 10083-3 penunjukan 42CrMo4, GB/T 3077 (42CrMo), sering dibandingkan dengan AISI/SAE 4140 (keluarga serupa).
• Kategori: Baja paduan medium yang dapat diperlakukan panas (bukan stainless); sering ditentukan untuk kondisi yang dikeraskan & ditemper (QT).
• 40CrNiMoA:
• Standar umum: GB/T (Cina) grade 40CrNiMoA; sering dibandingkan dengan AISI/SAE 4340 dalam maksud spesifikasi.
• Kategori: Baja paduan nikel-kromium-molibdenum (dapat diperlakukan panas), ketangguhan lebih tinggi dibandingkan baja Cr–Mo sederhana.

Keduanya adalah baja paduan (bukan stainless) yang ditujukan untuk komponen struktural dan rekayasa yang memerlukan perlakuan panas pasca-pembentukan untuk mencapai sifat mekanik yang ditargetkan.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: Rentang komposisi tipikal (wt%). Ini adalah rentang representatif untuk grade komersial dan digunakan untuk tujuan perbandingan; nilai yang tepat harus diambil dari sertifikat pabrik tertentu atau standar yang berlaku.

Elemen	42CrMo (rentang tipikal, wt%)	40CrNiMoA (rentang tipikal, wt%)
C	0.38 – 0.45	0.36 – 0.44
Mn	0.50 – 0.80	0.50 – 0.80
Si	0.15 – 0.40	0.15 – 0.40
P	≤ 0.025 (maks)	≤ 0.025 (maks)
S	≤ 0.035 (maks)	≤ 0.035 (maks)
Cr	0.90 – 1.20	0.80 – 1.20
Ni	— (jejak hingga tidak ada)	1.20 – 1.80
Mo	0.15 – 0.30	0.10 – 0.30
V	≤ 0.05 (jejak tipikal)	≤ 0.05 (jejak tipikal)
Nb, Ti, B, N	Jejak / terkontrol (tergantung pembuat baja)	Jejak / terkontrol

Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon menetapkan dasar kemampuan pengerasan dan potensi kekuatan; kedua grade adalah baja karbon menengah untuk memungkinkan kekuatan tinggi setelah pendinginan & temper. - Kromium dan molibdenum meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan temper; mereka juga meningkatkan kekuatan dan ketahanan aus. - Nikel adalah pembeda kunci: nikel memperhalus ketangguhan, meningkatkan duktilitas dan menurunkan suhu transisi rapuh-ke-duktil, yang sangat penting untuk kinerja impak dan kelelahan. - Mangan dan silikon adalah deoksidator dan berkontribusi secara moderat terhadap kekuatan dan kemampuan pengerasan. - Unsur jejak dan tambahan mikro paduan (V, Nb, Ti, B) — jika ada — memodifikasi ukuran butir dan perilaku presipitasi dan sering digunakan untuk meningkatkan ketangguhan atau kekuatan dalam bentuk produk yang ditentukan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur tipikal: - Sebagai-normalisasi: kedua baja akan menunjukkan struktur bainitik/perlit yang ditemper dengan matriks ferritik tergantung pada laju pendinginan. Ukuran butir tergantung pada suhu pengerjaan panas dan normalisasi. - Dikeraskan dan ditemper (QT): keduanya mengembangkan martensit yang ditemper atau bainit yang ditemper tergantung pada tingkat keparahan pendinginan. Suhu temper mengontrol keseimbangan antara kekuatan dan ketangguhan.

Efek perlakuan panas: - Normalisasi (pendinginan udara dari austenitisasi) memperhalus ukuran butir dan menghasilkan mikrostruktur yang seragam yang dapat dikerjakan dan stabil secara dimensi — umumnya digunakan sebagai kondisi pasokan untuk blank forging dan beberapa batang. - Pendinginan (minyak/air/terkontrol) dari austenitisasi diikuti oleh temper adalah jalur standar untuk mencapai kekuatan tinggi. Tingkat keparahan pendinginan dan ketebalan bagian menentukan fraksi martensit yang dihasilkan dan tegangan sisa. - Temper mengurangi kekerasan dan meningkatkan ketangguhan; baja yang mengandung nikel (40CrNiMoA) umumnya mempertahankan ketangguhan yang lebih baik pada suhu temper yang setara karena nikel menstabilkan matriks dan mengurangi kecenderungan embrittlement temper dalam banyak rezim. - Pemrosesan termo-mekanis (penggulungan terkontrol dan pendinginan dipercepat) dapat menghasilkan struktur bainitik halus dengan keseimbangan kekuatan–ketangguhan yang sangat baik; 40CrNiMoA lebih diuntungkan dari pemrosesan TM ketika ketangguhan suhu rendah diminta.

4. Sifat Mekanik

Tabel: Sifat mekanik tipikal untuk kondisi dikeraskan & ditemper. Nilai adalah rentang indikatif untuk temper Q&T industri yang tipikal dan akan bervariasi dengan perlakuan panas dan ukuran bagian yang tepat.

Sifat	42CrMo (QT, rentang tipikal)	40CrNiMoA (QT, rentang tipikal)
Kekuatan tarik (MPa)	800 – 1100	850 – 1150
Kekuatan luluh (MPa)	600 – 900	650 – 950
Peregangan (% A)	10 – 16	10 – 18
Ketangguhan impak (Charpy V, J)	20 – 60 (tergantung suhu & temper)	40 – 120 (umumnya lebih tinggi, lebih baik pada suhu rendah)
Kekerasan (HRC)	24 – 40 (tergantung pada temper)	24 – 44 (rentang serupa; dapat lebih tangguh pada kekerasan yang sebanding)

Interpretasi: - Kedua grade dapat diperlakukan panas untuk mencapai tingkat kekuatan yang sebanding. 40CrNiMoA umumnya menawarkan ketangguhan impak dan ketahanan kelelahan yang lebih baik pada kekerasan/kekuatan yang sama karena nikel meningkatkan ketangguhan dan mengurangi suhu transisi duktil-ke-rapuh. - 42CrMo mungkin sedikit lebih ekonomis untuk bagian di mana permintaan ketangguhan sedang dan di mana kemampuan pengerasan dari Cr–Mo saja sudah memadai. - Dalam aplikasi yang memerlukan ketangguhan patah tinggi atau layanan pada suhu rendah, 40CrNiMoA sering lebih disukai meskipun sifat tariknya serupa.

5. Kemampuan Pengelasan

Kemampuan pengelasan tergantung pada ekuivalen karbon dan kemampuan pengerasan. Dua indeks empiris yang umum digunakan:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - Karena kedua grade adalah baja karbon menengah dan mengandung Cr dan Mo, mereka memiliki kemampuan pengerasan yang moderat dan risiko yang tidak dapat diabaikan untuk membentuk martensit keras di zona yang terpengaruh panas (HAZ) jika dilas tanpa pemanasan awal dan perlakuan panas pasca-las (PWHT). - Nikel pada 40CrNiMoA sedikit menurunkan dampak ekuivalen karbon pada kecenderungan retak dingin dan meningkatkan ketangguhan HAZ, yang dapat mempermudah pengelasan pada komponen yang kritis dalam layanan — tetapi pemanasan awal dan suhu antar-passing yang terkontrol masih umumnya diperlukan untuk kedua grade. - Untuk kedua baja, praktik terbaik untuk rakitan yang dilas sering kali mencakup bahan habis pakai rendah hidrogen, pemanasan awal yang sesuai (berdasarkan ketebalan dan CE/Pcm), suhu antar-passing yang terkontrol, dan PWHT untuk menemper martensit HAZ dan mengurangi tegangan sisa. - Gunakan rumus $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ dengan analisis kimia aktual untuk kualifikasi prosedur pengelasan yang tepat.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Baik 42CrMo maupun 40CrNiMoA bukanlah baja stainless; keduanya rentan terhadap korosi umum dan lokal di lingkungan yang terbuka.
• Nikel memberikan beberapa efek menguntungkan pada ketahanan korosi di lingkungan akuatik tertentu (misalnya, mengurangi kerentanan terhadap embrittlement hidrogen dan meningkatkan ketahanan terhadap asam reduksi tertentu), tetapi tidak membuat paduan tersebut "stainless."
• Untuk sebagian besar aplikasi struktural dan mekanis, metode perlindungan standar berlaku:
• Galvanisasi celup panas untuk pekerjaan baja luar ruangan ketika kompatibel dengan perlakuan panas pasca.
• Pembungkus cair atau bubuk (sistem cat), fosfatasi, atau pelumasan untuk bagian di mana galvanisasi tidak sesuai.
• Rekayasa permukaan (nitriding, carburizing, pengerasan induksi) untuk ketahanan aus — perlu dicatat bahwa proses ini berinteraksi dengan kimia paduan yang mendasari dan perlakuan panas.
• PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) tidak berlaku untuk baja non-stainless ini, tetapi ketika grade stainless dipertimbangkan untuk lingkungan korosi, indeksnya adalah: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Gunakan paduan stainless daripada mengandalkan kandungan nikel dalam baja karbon/paduan ketika ketahanan korosi adalah persyaratan utama.

7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan

• Pemesinan:
• Dalam kondisi normalisasi atau annealed, keduanya dapat diproses menggunakan praktik alat baja paduan standar. Nikel dalam 40CrNiMoA dapat sedikit mengurangi kemudahan pemesinan relatif terhadap komposisi nikel yang lebih rendah, tetapi perbedaannya moderat.
• Setelah pendinginan dan temper, kekerasan meningkat dan kemudahan pemesinan menurun; praktik yang direkomendasikan adalah melakukan pemesinan kasar sebelum perlakuan panas jika memungkinkan.
• Pembentukan:
• Pembentukan dingin dibatasi oleh kandungan karbon; pembentukan panas dan penempaan adalah jalur umum untuk bentuk yang kompleks. Normalisasi setelah pembentukan panas adalah hal yang biasa.
• Kehadiran nikel dalam 40CrNiMoA meningkatkan duktilitas dan mungkin memungkinkan jalur pembentukan yang sedikit lebih agresif sebelum retak.
• Penyelesaian permukaan:
• Keduanya menerima penggilingan, pemolesan, dan pelapisan. Perlakuan permukaan untuk aus (carburizing, nitriding, pengerasan induksi) harus memperhitungkan kimia dasar dan kekerasan/ketangguhan akhir yang dimaksudkan.

8. Aplikasi Tipikal

42CrMo (penggunaan umum)	40CrNiMoA (penggunaan umum)
Poros, sumbu, roda gigi, kopling untuk mesin industri umum	Poros berkekuatan tinggi, fitting gear pendaratan, roda gigi dan poros engkol tugas tinggi di mana ketangguhan sangat penting
Komponen yang ditempa, pengikat tugas menengah, silinder hidrolik	Komponen berputar kritis, pengikat tugas berat, komponen yang terkena impak atau layanan suhu rendah
Dasar mesin dan komponen alat yang memerlukan kemampuan pengerasan yang baik	Komponen mekanis aerospace/pertahanan atau keselamatan tinggi di mana ketahanan kelelahan dan patah diprioritaskan

Rasional pemilihan: - Pilih 42CrMo di mana biaya dan ketersediaan adalah pendorong utama dan persyaratan ketangguhan sedang, dan di mana siklus pendinginan & temper standar memberikan ketahanan yang dibutuhkan. - Pilih 40CrNiMoA di mana ketangguhan patah yang lebih tinggi, umur kelelahan, dan kinerja suhu rendah diperlukan pada tingkat kekuatan yang sebanding — misalnya, bagian berputar yang kritis untuk keselamatan atau komponen yang terkena beban impak.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya: Nikel adalah pendorong biaya yang signifikan. 40CrNiMoA biasanya lebih mahal per kilogram dibandingkan 42CrMo karena kandungan nikel yang lebih tinggi dan terkadang persyaratan pemrosesan/pemeriksaan yang lebih ketat.
• Ketersediaan:
• 42CrMo diproduksi secara luas dan disimpan dalam berbagai ukuran batang dan penempaan; sering kali lebih tersedia secara global.
• 40CrNiMoA umumnya tersedia tetapi mungkin diproduksi dalam rentang produk yang lebih sempit dan dengan waktu tunggu yang lebih lama tergantung pada pabrik regional dan permintaan.
• Bentuk produk: Keduanya ditawarkan sebagai batang, penempaan, dan kadang-kadang pipa atau pelat yang digulung; tentukan sertifikat pabrik dan perlakuan panas lebih awal dalam pengadaan untuk menghindari keterlambatan.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel ringkasan:

Kriteria	42CrMo	40CrNiMoA
Kemampuan pengelasan	Sedang (memerlukan pemanasan awal/PWHT untuk bagian tebal)	Sedang–lebih baik ketangguhan HAZ karena Ni, masih memerlukan pengelasan yang hati-hati
Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan	Kekuatan tinggi; ketangguhan baik dengan tempering yang tepat	Kekuatan sebanding dengan ketangguhan impak dan ketahanan kelelahan yang superior
Biaya	Lebih rendah (umumnya lebih ekonomis)	Lebih tinggi (nikel meningkatkan biaya material)
Ketersediaan	Luas	Umumnya tersedia, mungkin kurang umum di beberapa pasar

Rekomendasi akhir: - Pilih 42CrMo jika: - Desain memerlukan kekuatan statis tinggi dan ketahanan aus dengan harga yang lebih ekonomis. - Komponen adalah tugas menengah, prosedur pengelasan dapat dikelola, dan suhu layanan/permintaan ketangguhan sedang. - Anda memerlukan ketersediaan yang luas dalam banyak ukuran batang dan penempaan.

• Pilih 40CrNiMoA jika:
• Komponen harus menggabungkan kekuatan tinggi dengan ketangguhan impak yang superior, ketahanan patah, atau kinerja suhu rendah (misalnya, bagian berputar tugas tinggi, komponen keselamatan kritis, atau layanan di mana umur kelelahan sangat penting).
• Kemampuan pengelasan dan ketangguhan HAZ sangat penting dan membenarkan premi material.
• Anda dapat mengakomodasi waktu tunggu yang mungkin lebih lama atau biaya pengadaan yang sedikit lebih tinggi untuk meningkatkan keandalan dalam layanan.

Ketika menentukan salah satu grade, selalu definisikan kondisi perlakuan panas yang dibutuhkan, sifat mekanik yang ditargetkan, batas kekerasan yang dapat diterima, dan sertifikasi yang diperlukan. Untuk pengelasan, gunakan analisis kimia yang diukur untuk menghitung $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ dan kualifikasi prosedur pengelasan; untuk aplikasi yang sensitif terhadap korosi, pertimbangkan opsi stainless daripada mengandalkan nikel dalam baja paduan.