431 vs 440C – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

AISI/SAE 431 dan 440C adalah dua baja tahan karat martensitik yang banyak digunakan dan biasanya bersaing untuk aplikasi yang memerlukan keseimbangan antara kekuatan, ketahanan aus, dan kinerja korosi. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur menghadapi dilema pemilihan antara memprioritaskan kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi versus keseimbangan yang lebih baik antara ketangguhan dan ketahanan korosi dengan biaya yang wajar. Konteks keputusan yang umum termasuk bantalan, komponen katup, pengikat, poros, dan aplikasi pisau atau alat di mana rute perlakuan panas, penyelesaian permukaan, dan lingkungan menentukan pilihan yang optimal.

Perbedaan utama antara kelas ini adalah strategi paduannya: satu dirumuskan untuk memberikan kekerasan dan ketahanan aus yang sangat tinggi melalui karbon dan kromium yang tinggi (440C), sementara yang lainnya mengorbankan beberapa potensi kekerasan puncak untuk mencapai ketangguhan yang lebih baik dan ketahanan korosi yang lebih tinggi melalui paduan tambahan (431). Trade-off tersebut mendasari perbedaan dalam respons perlakuan panas, kemampuan mesin, kemampuan pengelasan, dan penggunaan yang umum.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar dan penunjukan internasional yang umum:
• AISI/SAE: 431, 440C
• ASTM/ASME: Berbagai spesifikasi ASTM merujuk pada paduan ini dalam produk batang, kawat, atau tarik (konsultasikan standar produk ASTM tertentu)
• EN: Ekivalen terdekat kadang-kadang dipetakan ke kategori stainless martensitik EN (periksa lembar data produsen)

• JIS/GB: Standar Jepang dan Cina memiliki kelas stainless martensitik yang serupa; konsultasikan tabel konversi ketika ekivalen yang tepat diperlukan.

• Klasifikasi:

• 431: Baja tahan karat martensitik (paduan stainless dengan kromium sedang hingga tinggi, dengan tambahan nikel dan sedikit Mo) — digunakan di mana diperlukan kekuatan dan ketahanan korosi yang lebih tinggi dibandingkan baja karbon biasa.
• 440C: Baja tahan karat martensitik karbon tinggi / stainless grade alat — dioptimalkan untuk kekerasan dan ketahanan aus; dianggap sebagai baja alat stainless.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Di bawah ini adalah tabel komposisi ringkas yang menunjukkan rentang nominal tipikal yang ditemukan dalam data pemasok dan spesifikasi umum. Ini adalah rentang perkiraan — selalu verifikasi terhadap sertifikat pabrik tertentu atau standar yang dirujuk untuk bentuk produk yang dimaksud.

Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Karbon: Perbedaan yang menentukan — karbon tinggi dalam 440C menghasilkan fraksi volume martensit yang lebih tinggi dengan karbida, memungkinkan kekerasan dan ketahanan aus yang jauh lebih tinggi setelah pendinginan/perlakuan panas. Karbon yang lebih rendah dalam 431 mengatur kekerasan puncak untuk mempertahankan ketangguhan. - Kromium: Kedua kelas adalah stainless martensitik dengan kromium yang sebanding untuk pasivitas; dikombinasikan dengan karbon, Cr mempengaruhi pembentukan karbida dan kemampuan pengerasan. - Nikel dan molibdenum: Hadir dalam 431 untuk meningkatkan ketahanan korosi dan ketangguhan; 440C biasanya menghilangkan Ni dan Mo yang signifikan untuk mendukung pembentukan karbida Cr dan karbon tinggi untuk ketahanan aus. - Pembentuk karbida (Cr, V): Mendorong karbida keras dalam 440C, meningkatkan ketahanan aus tetapi mengurangi ketangguhan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

• Mikrostruktur tipikal:
• 431: Matriks martensitik dengan karbida besar yang relatif lebih sedikit. Ketika diustenitkan dengan benar, didinginkan dan diperlakukan, 431 menawarkan martensit yang diperlakukan dengan ketangguhan yang baik dan jumlah karbida halus yang moderat. Ini merespons dengan baik terhadap perlakuan panas untuk mencapai keseimbangan antara kekuatan dan duktilitas.

• 440C: Matriks martensitik yang banyak dihuni oleh karbida kaya kromium (M23C6 dan jenis serupa) karena karbon dan kromium yang tinggi. Setelah pengerasan, mikrostruktur mengandung fraksi volume tinggi karbida keras yang terbenam dalam martensit, menghasilkan kekerasan dan ketahanan aus yang tinggi tetapi ketangguhan impak yang lebih rendah.

• Sensitivitas perlakuan panas:

• Suhu austenitisasi dan kontrol waktu mempengaruhi pelarutan karbida. 440C memerlukan kontrol austenitisasi yang hati-hati untuk menghindari pertumbuhan butir yang berlebihan atau austenit yang tertahan. Pendinginan berikutnya untuk membentuk martensit keras diikuti oleh perlakuan pada suhu rendah hingga sedang mencapai kekerasan target; namun, perlakuan berlebihan mengurangi kekerasan secara signifikan.
• 431 mentolerir jendela perlakuan yang lebih luas, memungkinkan perlakuan pada suhu yang lebih tinggi untuk menukar kekuatan dengan ketangguhan sesuai kebutuhan.
• Proses termo-mekanis (penggulungan terkontrol, pendinginan terkontrol) dapat memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya dan meningkatkan ketangguhan untuk kedua kelas, tetapi karbon tinggi 440C membatasi derajat peningkatan duktilitas yang dapat dicapai.

4. Sifat Mekanis

Sifat sangat bergantung pada perlakuan panas. Perilaku komparatif tipikal (rentang kualitatif dan indikatif):

Interpretasi: - 440C mencapai kekerasan puncak dan ketahanan aus yang superior karena karbon tinggi dan populasi karbida. Ini juga menghasilkan kekuatan tarik yang lebih tinggi dalam kondisi yang dikeraskan tetapi dengan mengorbankan duktilitas dan ketangguhan impak. - 431 menawarkan keseimbangan kekuatan–ketangguhan yang lebih baik dan ketahanan yang lebih baik terhadap retak dalam layanan dinamis atau yang dibebani kelelahan dibandingkan dengan 440C yang sepenuhnya dikeraskan.

5. Kemampuan Pengelasan

Kemampuan pengelasan dipengaruhi oleh ekuivalen karbon, kemampuan pengerasan, dan mikro-paduan.

Indeks yang berguna: - Ekuivalen karbon International Institute of Welding: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Rumus Pcm yang populer untuk risiko pengelasan: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - 440C: Karbon tinggi menyebabkan nilai $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang tinggi — risiko pembentukan martensit, retak, dan retak dingin yang dibantu hidrogen di zona yang terpengaruh panas. Pemanasan awal, perlakuan panas pasca pengelasan, dan prosedur rendah-hidrogen biasanya diperlukan; pengelasan umumnya tidak dianjurkan untuk bagian yang memerlukan kekerasan penuh kecuali perlakuan panas pasca pengelasan yang substansial diterapkan. - 431: Karbon yang lebih rendah dan keberadaan Ni/Mo mengatur kemampuan pengerasan dan mengurangi kerentanan retak dibandingkan dengan 440C. Namun, masih tidak sebaik baja stainless austenitik karbon rendah dalam hal pengelasan; pemanasan awal dan pendinginan terkontrol dianjurkan, dan perlakuan pasca pengelasan mungkin diperlukan tergantung pada aplikasi.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Perilaku stainless:
• Kedua kelas adalah stainless martensitik dan dapat membentuk film pasif karena kromium. Namun, ketahanan korosi tergantung pada mikrostruktur, presipitasi karbida, dan tambahan paduan.
• Ni dan Mo yang moderat pada 431 memberikannya ketahanan korosi yang sedikit lebih baik di banyak lingkungan dibandingkan 440C, terutama ketika kromium 440C terikat dalam karbida.
• Penggunaan PREN:
• PREN umumnya digunakan untuk kelas stainless austenitik/ferritik; ini kurang berarti untuk paduan martensitik, paduan nitrogen rendah. Namun, rumusnya adalah: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Untuk kelas ini, nitrogen biasanya rendah, dan perhitungan PREN tidak akan menangkap fenomena spesifik martensitik (misalnya, presipitasi karbida).
• Perlindungan permukaan untuk lingkungan yang tidak ideal:
• 440C sering memerlukan perlindungan permukaan tambahan atau pasivasi, terutama jika digunakan di lingkungan yang mengandung klorida atau basah; pelapisan, pasivasi, pelapisan, atau toleransi korosi yang dirancang harus dipertimbangkan.
• Di mana ketahanan korosi yang lebih tinggi diperlukan, pertimbangkan baja tahan karat austenitik atau keluarga duplex daripada kelas martensitik.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas

• Kemampuan mesin:
• 440C: Lebih sulit untuk diproses dalam kondisi annealed (karena kandungan karbida yang tinggi) dan menjadi lebih sulit setelah pengerasan. Penggilingan umum dilakukan untuk penyelesaian; keausan alat lebih besar. Penggunaan alat karbida dan kecepatan pemotongan yang sesuai adalah standar.
• 431: Kemampuan mesin yang lebih baik dibandingkan 440C, terutama dalam kondisi annealed atau temper yang lebih lembut. Umur alat dan parameter pemotongan lebih toleran.
• Formabilitas:
• 440C memiliki formabilitas dingin yang terbatas; pembentukan biasanya dilakukan dalam kondisi annealed atau dengan pemesinan.
• 431 lebih mudah dibentuk dalam kondisi annealed; dapat dibentuk dan kemudian diperlakukan panas.
• Penyelesaian:
• Keduanya dapat menerima penyelesaian yang dipoles; 440C dapat mencapai polesan tinggi untuk permukaan bantalan/pisau karena karbida keras yang membantu ketahanan aus, tetapi pemolesan lebih memakan waktu.

8. Aplikasi Tipikal

Rasional pemilihan: - Ketika ada beban siklik, impak, atau paparan korosif sedang, 431 sering dipilih karena ketangguhan dan keseimbangan korosinya. - Di mana ketahanan aus, retensi tepi, dan kekerasan tinggi mendominasi persyaratan desain, 440C adalah pilihan yang lebih disukai meskipun proses yang lebih sulit dan ketangguhan yang lebih rendah.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya:
• 440C cenderung lebih mahal dalam bentuk yang sudah jadi, dikeraskan/digiling karena kandungan paduan yang lebih tinggi, persyaratan perlakuan panas dan penggilingan yang lebih ketat, serta peningkatan keausan alat dalam pemesinan.
• 431 biasanya lebih murah untuk diproduksi dan diproses, terutama ketika rute produksi menghindari pengerasan penuh dan hanya memerlukan perlakuan sedang.
• Ketersediaan:
• Kedua kelas tersedia secara luas dalam bentuk batang, pelat, dan kawat dari pemasok stainless dan baja alat khusus. 440C dalam bantalan dan blank pisau berdiameter kecil sangat umum; 431 umum untuk komponen batang dan tempa.
• Pertimbangan bentuk:
• Bagian yang sudah jadi dan dikeraskan dalam 440C dapat disuplai dalam keadaan digiling dan dipoles — bentuk bernilai tambah ini meningkatkan biaya dan waktu pengiriman.
• Tempa besar atau komponen dinding tebal dalam 440C kurang umum karena tantangan dalam mencapai sifat yang seragam; 431 lebih dapat disesuaikan untuk penampang yang lebih besar.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel ringkasan (kualitatif):

Kesimpulan — pilih berdasarkan prioritas fungsional: - Pilih 431 jika Anda memerlukan paduan seimbang yang menawarkan ketangguhan yang lebih baik, ketahanan korosi yang lebih baik di banyak lingkungan layanan, dan fabrikasi/pengelasan yang lebih mudah — untuk poros berputar, komponen katup, pengikat, dan bagian yang terkena impak atau kelelahan. - Pilih 440C jika kekerasan maksimum, ketahanan aus, dan retensi tepi adalah pendorong utama dan Anda dapat mengelola pelapisan, penyelesaian, dan batasan perlakuan panas serta pengelasan yang lebih ketat — untuk bantalan, tepi pemotongan, komponen yang banyak aus, dan alat presisi.

Catatan akhir: Kedua paduan memerlukan pencocokan perlakuan panas, pemrosesan pasca, dan persiapan permukaan yang hati-hati untuk mencapai kombinasi sifat mekanis dan kinerja korosi yang dimaksudkan. Selalu konsultasikan sertifikat pabrik, lembar data pemasok, dan lakukan pengujian spesifik aplikasi (kelelahan, aus, korosi) sebelum pemilihan akhir.