45# vs 55# – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali harus memilih antara baja karbon sedang di mana keseimbangan antara kekuatan, ketangguhan, biaya, dan kemampuan manufaktur diperlukan. Dua kelas yang sering dipertimbangkan dalam domain tersebut adalah penunjukan Cina 45# dan 55# (kira-kira sesuai dengan baja dengan kandungan karbon nominal sekitar 0,45% dan 0,55% masing-masing). Konteks keputusan yang khas mencakup desain poros dan sumbu, forging dan bagian yang dicetak, komponen yang diperlakukan panas, dan situasi di mana kemampuan pengelasan harus seimbang dengan kekuatan dan ketahanan aus.
Perbedaan praktis utama antara kedua kelas ini adalah bahwa kandungan karbon yang lebih tinggi pada 55# umumnya menghasilkan kekuatan dan kemampuan pengerasan yang lebih besar dengan mengorbankan duktilitas dan kemampuan pengelasan. Trade-off itulah yang membuat desainer membandingkan kelas-kelas ini saat menentukan komponen yang memerlukan pengerasan melalui atau kekerasan permukaan yang lebih tinggi dibandingkan dengan komponen yang memprioritaskan ketangguhan, pembentukan, dan kemudahan penyambungan.
1. Standar dan Penunjukan
- GB/T (Cina): 45# dan 55# adalah kelas baja karbon biasa yang umum dalam GB/T 699 dan standar terkait untuk baja struktural karbon dan baja karbon sedang.
- Setara AISI/SAE (perkiraan): 45# ≈ AISI/SAE 1045; 55# ≈ AISI/SAE 1055 (secara nominal).
- EN (Eropa): Kelas-kelas ini termasuk dalam keluarga baja karbon non-aloy (misalnya, keluarga C45 dalam EN 10083) daripada kelas aloy, alat, stainless, atau HSLA.
- Klasifikasi: Keduanya adalah baja karbon biasa (bukan stainless, bukan HSLA, bukan baja alat). Mereka biasanya diperlakukan sebagai baja karbon sedang yang cocok untuk pendinginan dan tempering atau pengerasan permukaan.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | 45# (wt%) | 55# (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.42 – 0.50 | 0.52 – 0.60 |
| Mn | 0.50 – 0.80 | 0.50 – 0.90 |
| Si | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ≤ 0.25 (jejak) | ≤ 0.30 (jejak) |
| Ni | ≤ 0.30 (jejak) | ≤ 0.30 (jejak) |
| Mo | ≤ 0.08 (jejak) | ≤ 0.08 (jejak) |
| V, Nb, Ti, B, N | biasanya hanya tingkat jejak/ppm kecuali jika dipaduan mikro | biasanya hanya tingkat jejak/ppm kecuali jika dipaduan mikro |
Catatan: - Rentang komposisi di atas adalah representatif untuk kelas 45# dan 55# yang umum; batas yang tepat tergantung pada standar nasional spesifik dan produsen. - Kedua kelas ini terutama diperkuat karbon. Jumlah kecil Mn dan Si ada untuk deoksidasi dan penguatan; elemen lain biasanya berada pada tingkat jejak kecuali baja tersebut sengaja dipaduan mikro. - Strategi paduan: meningkatkan karbon meningkatkan kekuatan, kekerasan, dan kemampuan pengerasan (kemampuan untuk membentuk martensit melalui bagian yang lebih tebal). Mangan berkontribusi pada kekuatan tarik dan kemampuan pengerasan serta membantu deoksidasi; silikon terutama membantu kekuatan dan pemulihan tetapi dalam jumlah kecil.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Kondisi yang digulung atau dinormalisasi:
- Kedua kelas biasanya menunjukkan mikrostruktur ferrit + perlit. 55# akan memiliki fraksi volume perlit yang lebih besar karena karbon yang lebih tinggi, menghasilkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi saat dikirim tetapi dengan duktilitas yang lebih rendah.
- Normalisasi:
- Normalisasi memperhalus ukuran butir dan menghasilkan struktur perlitik/ferritik yang lebih seragam; kedua kelas merespons dengan baik, dengan 55# mempertahankan kekuatan yang lebih tinggi.
- Pemadaman dan tempering (Q&T):
- Pemadaman untuk membentuk martensit dan tempering berikutnya adalah rute standar untuk mencapai kombinasi kekuatan–ketangguhan yang tinggi pada kedua kelas.
- 55# mencapai kekerasan yang lebih tinggi setelah pemadaman dan pengerasan yang lebih dalam untuk tingkat pemadaman tertentu karena karbon yang lebih tinggi (dan sering kali sedikit lebih tinggi Mn), tetapi lebih rentan terhadap retak yang disebabkan oleh pemadaman dan memerlukan tempering yang hati-hati untuk memulihkan ketangguhan.
- Proses termo-mekanis:
- Forging dan penggulungan terkontrol dapat memperhalus mikrostruktur dan meningkatkan ketangguhan untuk kedua kelas; paduan mikro (V, Nb, Ti) akan mengubah respons secara signifikan jika ada.
- Kemampuan pengerasan:
- Kemampuan pengerasan adalah fungsi dari karbon dan paduan; dengan karbon dan Mn yang lebih tinggi, 55# umumnya memiliki kemampuan pengerasan yang lebih besar dibandingkan 45#, memungkinkan mikrostruktur yang lebih keras pada penampang yang lebih besar.
4. Sifat Mekanik
Tabel menunjukkan rentang sifat mekanik yang khas. Nilai sangat tergantung pada komposisi nominal, ukuran penampang, dan perlakuan panas.
| Sifat (rentang khas) | 45# (dinormalisasi / Q&T khas) | 55# (dinormalisasi / Q&T khas) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | Dinormalisasi: 550 – 700; Q&T: 700 – 1000+ | Dinormalisasi: 650 – 820; Q&T: 800 – 1100+ |
| Kekuatan luluh (0.2% offset, MPa) | Dinormalisasi: 320 – 430; Q&T: 500 – 900 | Dinormalisasi: 420 – 620; Q&T: 600 – 1000 |
| Peregangan (A%) | Dinormalisasi: 12 – 18%; Q&T: 8 – 16% | Dinormalisasi: 8 – 14%; Q&T: 6 – 12% |
| Ketangguhan impak (Charpy V, suhu ruang, J) | Variabel: 25 – 60 J (tergantung penampang) | Variabel: 15 – 45 J (tergantung penampang) |
| Kekerasan (HB) | Dinormalisasi: ~160 – 210 HB; Q&T: ~200 – 320 HB | Dinormalisasi: ~190 – 240 HB; Q&T: ~240 – 350 HB |
Interpretasi: - Kekuatan: 55# dapat mencapai kekuatan ultimat dan kekuatan luluh yang lebih tinggi dalam kondisi yang setara karena karbon yang lebih tinggi (dan fraksi perlit/martensit yang lebih besar). - Ketangguhan & duktilitas: 45# umumnya lebih duktil dan lebih tangguh dalam keadaan dinormalisasi dan kurang mungkin mengalami kerapuhan setelah pemadaman dan tempering—terutama untuk bagian yang lebih besar atau tempering yang tidak tepat. - Kekerasan: 55# umumnya akan menghasilkan nilai kekerasan yang lebih tinggi baik dalam kondisi saat dikirim maupun yang diperlakukan panas. - Semua nilai tergantung pada perlakuan panas (tingkat pemadaman, suhu/waktu tempering), penampang, dan kimia spesifik.
5. Kemampuan Pengelasan
- Kandungan karbon dan kemampuan pengerasan adalah penggerak utama kemampuan pengelasan pada baja karbon biasa. Karbon yang lebih tinggi dan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi meningkatkan risiko pembentukan martensit yang keras dan rapuh di zona yang terpengaruh panas (HAZ), menyebabkan retak dingin kecuali pemanasan awal/pemanasan pasca dan bahan pengisi yang sesuai digunakan.
- Indeks prediktif umum:
- Institut Internasional Pengelasan setara karbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Dearden–O’Neill (Pcm) untuk pemilihan bahan habis pakai: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretasi kualitatif:
- 55# akan mencatat setara karbon yang lebih tinggi dibandingkan 45# terutama karena karbon yang lebih tinggi (dan mungkin sedikit lebih tinggi Mn), sehingga 55# kurang dapat dilas tanpa pemanasan awal atau perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT).
- Untuk struktur yang dilas kritis, pilih bahan habis pakai rendah hidrogen, terapkan pemanasan awal, kontrol suhu antar proses, dan pertimbangkan PWHT untuk 55# untuk menghindari retak HAZ.
- 45# lebih mudah disambung dan dalam banyak aplikasi bengkel dapat dilas dengan pemanasan awal yang moderat dan bahan habis pakai standar.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Keduanya 45# dan 55# adalah baja karbon non-stainless; ketahanan korosi intrinsik rendah.
- Strategi perlindungan yang khas:
- Galvanisasi celup panas untuk perlindungan luar/atmosfer.
- Pelapis organik (epoksi, poliuretan) atau cat untuk lingkungan ringan.
- Perlakuan permukaan seperti fosfatasi atau pelumasan untuk bagian dalam ruangan yang tidak kritis.
- Untuk permukaan yang aus atau gesekan, pengerasan permukaan atau pengerasan kasus (karburisasi/nitriding diikuti dengan penyelesaian) dapat diterapkan—karburisasi dapat digunakan untuk 45# tetapi kurang umum untuk 55# karena sudah memiliki karbon yang lebih tinggi.
- PREN (angka setara ketahanan pitting) hanya relevan untuk baja stainless: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN tidak berlaku untuk baja karbon biasa seperti 45# dan 55#.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan
- Kemudahan pemesinan:
- Kandungan karbon yang lebih tinggi pada 55# meningkatkan keausan alat dan mengurangi kemudahan pemesinan dibandingkan 45#. Di mana kecepatan pemesinan dan umur alat sangat penting, 45# lebih menguntungkan.
- Kekerasan yang diperlakukan panas lebih lanjut mengurangi kemudahan pemesinan; pertimbangkan pemotongan terputus dan alat yang sesuai untuk kondisi yang dikeraskan.
- Kemudahan pembentukan dan pengerjaan dingin:
- 45# memiliki kemudahan pembentukan dingin, pembengkokan, dan karakteristik penarikan yang lebih baik karena kemampuan pengerasan yang lebih rendah dan duktilitas yang lebih besar.
- 55# lebih rentan terhadap retak selama pembentukan dan memerlukan regangan pembentukan yang lebih rendah atau metode pembentukan suhu tinggi.
- Penggilingan, pengeboran, dan penyelesaian:
- Keduanya dapat diselesaikan dengan toleransi tinggi, tetapi parameter pemotongan yang optimal tergantung pada kekerasan akhir. Biaya penyelesaian permukaan meningkat seiring dengan kekerasan (bagian 55# yang diperlakukan panas lebih mahal untuk diselesaikan).
- Keterbatasan perlakuan panas:
- 55# memerlukan kontrol pendinginan dan rejim tempering yang lebih hati-hati untuk menghindari distorsi/retak pada forging dan bagian besar.
8. Aplikasi Khas
| 45# (Penggunaan Khas) | 55# (Penggunaan Khas) |
|---|---|
| Poros, sumbu (beban sedang), poros engkol (ketika ditempa/ditemper), kopling, bagian mekanis umum yang memerlukan kemudahan pemesinan yang baik dan kekuatan yang wajar | Poros tugas berat, pin, beberapa jenis blank gear, bagian aus, komponen yang memerlukan pengerasan melalui yang lebih tinggi atau kekerasan layanan yang lebih tinggi |
| Komponen yang ditempa dan diproses yang akan dinormalisasi atau Q&T untuk kekuatan sedang dan ketangguhan yang baik | Komponen yang dimaksudkan untuk kekerasan yang lebih tinggi setelah pemadaman & temper, termasuk beberapa bagian pertanian dan konstruksi |
| Bagian yang dibentuk dingin di mana duktilitas dan pembengkokan diperlukan | Bagian yang terkena tegangan kontak yang lebih tinggi atau di mana kekuatan statis/ketahanan aus yang lebih tinggi diprioritaskan |
Rasional pemilihan: - Pilih 45# di mana kemudahan manufaktur, kemampuan pengelasan, dan ketangguhan adalah prioritas dan ukuran penampang sedang. - Pilih 55# di mana kekuatan yang lebih tinggi atau pengerasan yang lebih dalam diperlukan, dan proses produksi dapat mengelola persyaratan perlakuan panas, pengelasan, dan pemesinan yang lebih ketat.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya:
- Kedua kelas adalah baja karbon biasa komoditas. 45# biasanya sedikit lebih murah karena penggunaan yang lebih luas dan kandungan karbon yang sedikit lebih rendah (dan karena itu lebih mudah diproses).
- 55# dapat sedikit lebih mahal karena karbon yang lebih tinggi dan potensi kontrol kualitas yang lebih ketat untuk aplikasi perlakuan panas.
- Ketersediaan:
- 45# sangat umum dalam bentuk batang, pelat, dan stok forging. 55# juga tersedia secara luas tetapi kurang umum dibandingkan 45# di beberapa pasar dan bentuk produk.
- Waktu tunggu untuk bagian 55# yang diperlakukan panas, diperlakukan permukaan, atau dengan penampang besar mungkin lebih lama karena perhatian proses (jadwal pemanasan awal, tempering, pendinginan terkontrol).
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | 45# | 55# |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik (CE lebih rendah) | Lebih rendah (CE lebih tinggi; memerlukan pemanasan awal/PWHT) |
| Keseimbangan kekuatan–ketangguhan | Ketangguhan yang baik dengan kekuatan sedang | Kekuatan yang dapat dicapai lebih tinggi, duktilitas lebih rendah jika tidak ditemper dengan benar |
| Biaya | Sedikit lebih rendah, lebih tersedia | Sedikit lebih tinggi, mungkin memerlukan kontrol perlakuan panas yang lebih ketat |
Pilih 45# jika: - Desain menekankan duktilitas, ketangguhan impak, kemudahan pemesinan, atau pengelasan yang sering. - Bagian memiliki penampang sedang dan memerlukan produksi yang ekonomis serta ketersediaan yang luas. - Anda menginginkan jendela perlakuan panas yang lebih toleran dan penanganan di lantai pabrik yang lebih mudah.
Pilih 55# jika: - Kekerasan yang lebih tinggi saat dikirim, kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang lebih besar, atau pengerasan melalui yang lebih baik dari bagian yang lebih tebal diperlukan. - Rencana manufaktur mencakup pendinginan dan tempering yang terkontrol, atau pengerasan permukaan di mana karbon dasar menguntungkan. - Anda menerima tindakan pencegahan tambahan untuk pengelasan dan pemesinan dan mungkin sedikit premi dalam biaya material dan pemrosesan.
Catatan penutup: spesifikasi harus mempertimbangkan geometri, perlakuan panas yang dimaksudkan, penyelesaian permukaan yang diperlukan, persyaratan pengelasan, dan beban dalam layanan. Ketika ragu, minta sampel kupon uji yang diperlakukan panas atau lakukan percobaan kekerasan/ketangguhan pada bagian yang representatif sebelum melakukan produksi penuh.