45# vs 40Cr – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering menghadapi pilihan antara baja karbon biasa dan baja paduan rendah untuk poros berputar, roda gigi, pin, dan komponen mesin. 45# (umumnya ditunjuk sebagai baja karbon sedang biasa) dan 40Cr (baja karbon sedang yang dipaduan kromium) sering dibandingkan karena mereka menempati ruang komposisi yang berdekatan tetapi memberikan ketahanan pengerasan, kekuatan, dan respons perlakuan panas yang berbeda.
Perbedaan mendasar adalah bahwa penambahan kromium pada 40Cr meningkatkan ketahanan pengerasan dan kekuatan yang dapat dicapai setelah pendinginan dan penempaan, sementara 45# bergantung pada kandungan karbon dan ukuran penampang untuk mencapai kekerasan dan kekuatan. Perbedaan ini mendorong pemilihan di mana pengerasan melalui, ketebalan penampang, dan target mekanis pasca-perlakuan panas sangat penting.
1. Standar dan Penunjukan
- 45#: Sering ditemukan sebagai grade GB/T "45#" (Cina). Grade Barat yang setara: kira-kira AISI/SAE 1045 (baja karbon sedang). Diklasifikasikan sebagai baja karbon biasa (non-paduan).
- 40Cr: Ditemukan dalam GB/T sebagai "40Cr." Kira-kira setara: keluarga AISI/SAE 5140/4140 (baja kromium paduan rendah). Diklasifikasikan sebagai baja paduan rendah.
Sistem standar relevan lainnya yang mungkin mencakup baja yang sebanding: - ASTM/ASME: seri SAE/AISI (misalnya, 1045, 4140). - EN: EN 8 / C45 (terdekat untuk 45#); 40Cr mendekati varian EN 19/42CrMo4 tergantung pada kimia yang tepat. - JIS: JIS menunjukkan baja karbon sedang dan baja paduan serupa di bawah kode numerik yang berbeda. - GB: spesifikasi GB/T Cina untuk 45# dan 40Cr.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: rentang komposisi tipikal (wt%). Batas spesifikasi aktual tergantung pada standar dan pabrik.
| Elemen | 45# (tipikal) | 40Cr (tipikal) |
|---|---|---|
| C | 0.42–0.50 | 0.37–0.44 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | — (jejak) | 0.80–1.20 |
| Ni | — (jejak) | ≤0.30 (mungkin tidak ada) |
| Mo | — (jejak) | ≤0.08 (kecil atau tidak ada) |
| V, Nb, Ti, B, N | jejak/dikendalikan | jejak/dikendalikan |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon: ketahanan pengerasan utama dan kekuatan suhu ruangan; C yang lebih tinggi meningkatkan kekerasan yang dapat dicapai tetapi mengurangi ketangguhan dan kemampuan pengelasan. - Kromium (dalam 40Cr): meningkatkan ketahanan pengerasan dan ketahanan penempaan, meningkatkan kekuatan dan ketahanan aus setelah pendinginan & penempaan; juga memperhalus struktur karbida. - Mangan dan silikon: deoksidasi dan kekuatan; Mn berkontribusi pada ketahanan pengerasan. - Fosfor dan belerang dijaga rendah untuk mempertahankan ketangguhan dan kemampuan mesin.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - 45#: Dalam kondisi yang dinormalisasi atau dinormalisasi, mikrostruktur adalah ferit + perlit dengan fraksi perlit sedang yang konsisten dengan ~0.45%C. Pendinginan + penempaan menghasilkan martensit yang ditempa hingga kekerasan yang diinginkan, tetapi karena 45# tidak memiliki elemen paduan yang kuat, ketahanan pengerasannya terbatas—martensit inti hanya dapat dicapai dalam penampang yang relatif kecil. - 40Cr: Dalam kondisi dinormalisasi, ferit + perlit dengan karbida paduan; setelah pendinginan, ia mampu membentuk martensit dalam penampang yang lebih besar dibandingkan dengan 45# karena Cr. Penempaan menghasilkan martensit yang ditempa dengan keseimbangan kekuatan–ketangguhan yang lebih baik dan ketahanan penempaan yang lebih baik.
Efek dari pemrosesan umum: - Normalisasi: kedua grade memperhalus ukuran butir dan menghasilkan mikrostruktur ferit/perlit yang dapat diprediksi; 40Cr mungkin membentuk dispersi karbida yang lebih halus. - Pendinginan & penempaan: 40Cr mencapai kekuatan dan ketangguhan yang lebih tinggi dalam penampang yang lebih tebal; 45# dapat mencapai kekerasan yang sebanding dalam penampang kecil tetapi akan memerlukan kontrol yang hati-hati untuk menghindari perilaku rapuh. - Penguatan permukaan (induksi, karburisasi): Kedua grade cocok; 40Cr lebih disukai ketika inti yang tangguh diperlukan dengan permukaan yang mengeras, dan dapat dikarburasi untuk meningkatkan ketahanan aus permukaan.
4. Sifat Mekanis
Catatan: sifat mekanis bervariasi secara signifikan dengan perlakuan panas dan ukuran penampang. Nilai di bawah ini adalah rentang tipikal yang digunakan untuk perbandingan rekayasa daripada nilai spesifikasi definitif.
| Sifat (rentang tipikal) | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | 520–750 | 600–1100 |
| Kekuatan luluh (MPa) | 300–500 | 400–950 |
| Peregangan (%) | 10–18 | 8–16 |
| Ketangguhan impak (Charpy V, J) | 15–60 (tergantung perlakuan panas) | 20–80 (lebih baik dalam keadaan ditempa setelah pendinginan) |
| Kekerasan (HB atau HRC) | HB 160–250 (HRC ~15–30) | HB 180–320 (HRC ~18–36) |
Interpretasi: - Kekuatan: 40Cr biasanya dapat mencapai kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang lebih tinggi setelah pendinginan & penempaan karena ketahanan pengerasan yang ditingkatkan oleh Cr dan stabilitas martensit yang ditempa. - Ketangguhan: Ketika ditempa dengan benar, 40Cr sering memberikan keseimbangan kekuatan–ketangguhan yang lebih baik dalam penampang yang lebih besar. Dalam penampang kecil atau kondisi yang dinormalisasi, 45# dapat menunjukkan ketangguhan yang sebanding. - Duktibilitas: 45# yang dinormalisasi cenderung menunjukkan peregangan yang sedikit lebih tinggi; 40Cr setelah perlakuan panas kekuatan tinggi akan kurang duktile.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan tergantung pada kandungan karbon, elemen paduan, dan ketebalan (kecenderungan pengerasan). Indeks keparahan yang berguna:
- Institut Internasional Pengelasan setara karbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-parameter kemampuan pengelasan austenitik (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - 45#: Dengan C ≈ 0.45% dan kandungan paduan yang sangat rendah, $CE_{IIW}$ adalah sedang; pemanasan awal dan pendinginan yang terkontrol disarankan untuk penampang yang lebih tebal untuk menghindari retak, tetapi secara keseluruhan kemampuan pengelasan lebih baik daripada baja paduan dengan kekerasan yang sama karena ada lebih sedikit elemen yang mendorong pengerasan. - 40Cr: Kromium meningkatkan kontribusi $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ melalui istilah $(Cr+Mo+V)$; sehingga 40Cr memiliki kecenderungan yang lebih tinggi untuk HAZ martensitik yang keras dalam penampang yang lebih tebal dan biasanya memerlukan pemanasan awal, kontrol suhu antar-lapis, atau perlakuan panas pasca-las (PWHT). Penggunaan elektroda hidrogen rendah dan prosedur pengelasan yang terkontrol disarankan.
Rekomendasi: Untuk pengelasan kritis atau penampang tebal, pilih prosedur yang memperhitungkan ketahanan pengerasan yang lebih tinggi dari 40Cr; untuk komponen kecil atau ketika pengelasan jarang, 45# lebih mudah untuk dilas.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 45# maupun 40Cr tidak tahan karat atau tahan korosi berdasarkan komposisi kimia. Ketahanan korosi serupa dalam bulk kecuali ada paduan khusus (misalnya, Cr atau Mo yang lebih tinggi) yang hadir.
- Perlindungan umum: pengecatan, pelumasan, fosfatasi, dan galvanisasi untuk paparan atmosfer; pelapisan atau pelapis untuk lingkungan aus-korosi. Untuk bagian 40Cr yang diperlakukan panas, pilih pelapis yang kompatibel dengan pemrosesan pasca-perlakuan panas.
- PREN (angka setara ketahanan pitting) tidak berlaku untuk baja non-tahan karat ini; untuk referensi: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ tetapi indeks ini relevan hanya untuk paduan tahan karat dengan Cr, Mo, dan N yang signifikan.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Dapat Dibentuk
- Kemampuan mesin: 45# (1045) dalam kondisi yang dinormalisasi dapat diproses dengan baik; karbon yang lebih tinggi meningkatkan keausan alat saat memotong material yang mengeras. 40Cr cenderung lebih tangguh dan mungkin lebih abrasif pada alat saat mengeras; dalam kondisi dinormalisasi atau dinormalisasi, pemesinan dapat dikelola.
- Dapat dibentuk/membengkok: 45# yang dinormalisasi lebih mudah dibentuk; 40Cr dalam kondisi dinormalisasi akan kurang duktile dibandingkan 45# yang dinormalisasi dan memerlukan jari-jari bengkok yang lebih besar, atau pemanasan awal untuk pembentukan jika dalam kondisi yang mengeras.
- Penyelesaian permukaan: keduanya merespons dengan baik terhadap penggilingan, pembubutan, dan pemolesan ketika diperlakukan panas dengan benar; pemilihan kecepatan pemotongan dan bahan alat harus memperhitungkan kekerasan dan penempaan.
8. Aplikasi Tipikal
| 45# (penggunaan tipikal) | 40Cr (penggunaan tipikal) |
|---|---|
| Poros, sumbu, baut, pin, komponen engkol dalam beban rendah hingga sedang | Poros yang sangat terbebani, roda gigi, poros engkol, pin kekuatan tinggi, blank gear |
| Bagian yang diproses secara umum di mana kekuatan sedang diperlukan dan biaya menjadi perhatian | Bagian yang memerlukan pengerasan yang lebih dalam dan kekuatan kelelahan yang lebih tinggi dalam penampang yang lebih besar |
| Baut dan komponen yang dibor setelah pendinginan/penempaan dalam penampang kecil | Komponen yang ditempa, komponen yang dikarburasi/dipendinginkan untuk ketahanan aus |
Alasan pemilihan: - Pilih 45# di mana biaya, kekuatan sedang, dan perlakuan panas atau pengelasan yang lebih sederhana menjadi prioritas dan penampang kecil. - Pilih 40Cr di mana pengerasan melalui yang lebih tinggi, stabilitas penempaan yang lebih baik, dan kapasitas beban yang lebih tinggi—terutama untuk penampang yang lebih besar—diperlukan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 45# biasanya lebih murah per ton dibandingkan 40Cr karena tidak memiliki tambahan paduan. 40Cr memiliki premium untuk kandungan Cr dan untuk ditentukan sebagai baja paduan.
- Ketersediaan: Kedua grade umumnya tersedia di seluruh dunia dalam bentuk batang, pelat, tempa, dan stok bulat. 45# sangat umum untuk stok tujuan umum; 40Cr banyak disimpan untuk aplikasi rekayasa dan biasanya ditawarkan dalam kondisi dinormalisasi, dipendinginkan & ditempa, dan ditempa.
- Waktu tunggu: Batang dan tempa metrik standar tersedia dengan mudah; kimia khusus atau tempa toleransi ketat dapat meningkatkan waktu tunggu.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif tingkat tinggi):
| Karakteristik | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Baik (dengan pemanasan awal untuk penampang tebal) | Lebih menantang (pemanasan awal/PWHT yang lebih tinggi sering diperlukan) |
| Kekuatan–Ketangguhan (pasca HT) | Sedang | Lebih tinggi (respons pengerasan & penempaan yang lebih baik) |
| Biaya | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Pilih 45# jika: - Anda memerlukan baja karbon sedang yang hemat biaya untuk penampang kecil hingga sedang. - Kemudahan pengelasan dan prosedur perlakuan panas yang lebih sederhana menjadi prioritas. - Aplikasi memerlukan kekuatan yang wajar dengan kemampuan mesin dan dapat dibentuk yang baik (setelah dinormalisasi atau dinormalisasi).
Pilih 40Cr jika: - Anda memerlukan ketahanan pengerasan yang lebih tinggi dan kekuatan/ketangguhan yang lebih besar setelah pendinginan & penempaan, terutama dalam penampang yang lebih besar. - Bagian-bagian tersebut terkena beban kelelahan yang lebih tinggi, layanan yang lebih berat, atau memerlukan inti yang lebih tangguh dengan permukaan yang mengeras. - Anda menentukan komponen di mana kinerja yang dapat diprediksi setelah perlakuan panas dan ketahanan penempaan yang lebih baik cukup penting untuk membenarkan biaya material yang lebih tinggi.
Catatan penutup: Pemilihan akhir harus didorong oleh target mekanis yang diperlukan, ketebalan penampang, kemampuan perlakuan panas, persyaratan pengelasan, dan total biaya siklus hidup. Ketika ragu, tentukan sifat mekanis yang diperlukan dan keadaan perlakuan panas daripada hanya grade; seorang insinyur material kemudian dapat memilih grade dan proses yang paling ekonomis untuk mencapai target tersebut.