4Cr13 vs 9Cr18 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

4Cr13 dan 9Cr18 adalah dua jenis baja tahan karat martensitik yang banyak digunakan dalam praktik di Tiongkok dan internasional. Insinyur dan profesional pengadaan sering menghadapi dilema pemilihan antara keduanya: menyeimbangkan ketahanan aus dan daya tahan tepi (baja karbon tinggi, kromium tinggi) terhadap biaya, ketangguhan, dan kemudahan fabrikasi (martensitik karbon lebih rendah). Konteks keputusan yang umum termasuk komponen pisau dan alat, bagian katup dan pompa, komponen aus untuk peralatan industri, dan aplikasi di mana ketahanan korosi yang terkontrol diperlukan dengan permukaan yang mengeras.

Perbedaan teknis utama adalah bahwa 9Cr18 adalah baja tahan karat martensitik dengan karbon dan kromium yang lebih tinggi yang dioptimalkan untuk kekerasan dan ketahanan aus, sementara 4Cr13 adalah baja tahan karat martensitik dengan karbon lebih rendah yang mengorbankan beberapa ketahanan aus untuk meningkatkan ketangguhan, kemampuan pengelasan, dan biaya material yang lebih rendah. Karakteristik ini mendorong perbandingan umum dalam desain dan manufaktur, terutama di mana keausan permukaan, retensi tepi, dan ketahanan korosi sedang bertentangan dengan persyaratan pembentukan, penyambungan, dan dampak.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar umum dan ekuivalen yang dirujuk dalam perdagangan internasional dan dokumentasi teknik:
• GB/T (Tiongkok): 4Cr13, 9Cr18 (penunjukan grade Tiongkok)
• JIS/AISI/SAE: 4Cr13 sering dianggap mirip dengan keluarga AISI 420/420J2; 9Cr18 sering dibandingkan dengan AISI 440C/9Cr (baja tahan karat martensitik karbon tinggi) dalam fungsi meskipun komposisi tepatnya berbeda menurut standar.
• EN/ASTM: Tidak ada nama EN atau ASTM satu-ke-satu yang cocok sempurna; ekuivalensi biasanya ditangani dengan mencocokkan persyaratan kimia dan mekanis daripada penunjukan yang tepat.
• Klasifikasi:
• 4Cr13: Baja tahan karat martensitik (alat/struktur martensitik tahan karat)
• 9Cr18: Baja tahan karat martensitik karbon tinggi (alat/martensitik tahan aus)

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel berikut menunjukkan rentang komposisi nominal yang umum digunakan dalam lembar spesifikasi dan data pemasok untuk grade ini. Nilai-nilai ini bersifat indikatif dan akan bervariasi menurut standar atau pemasok yang tepat; periksa spesifikasi pembelian untuk batasan yang sensitif terhadap kontrak.

Elemen	Rentang tipikal — 4Cr13 (nominal)	Rentang tipikal — 9Cr18 (nominal)
C	0.30–0.45 wt%	0.80–1.05 wt%
Mn	≤ 1.0–1.2 wt%	≤ 1.0 wt%
Si	≤ 1.0 wt%	≤ 1.0 wt%
P	≤ 0.03–0.04 wt%	≤ 0.03–0.04 wt%
S	≤ 0.03 wt%	≤ 0.03 wt%
Cr	12–14 wt%	17–19 wt%
Ni	biasanya jejak	biasanya jejak
Mo	biasanya jejak/tidak ada	biasanya jejak/tidak ada
V, Nb, Ti, B, N	umumnya tidak sengaja dipadu; residu kecil mungkin ada	umumnya tidak sengaja dipadu; residu kecil mungkin ada

Strategi paduan dan efek: - Karbon: Elemen utama yang memberikan kemampuan pengerasan dan pembentukan martensit. Karbon yang lebih tinggi pada 9Cr18 meningkatkan kekerasan yang dapat dicapai, ketahanan aus, dan fraksi volume karbida; juga meningkatkan kerentanan terhadap perilaku rapuh dan retak pengelasan tanpa kontrol yang hati-hati. - Kromium: Memberikan ketahanan korosi dan berkontribusi pada kemampuan pengerasan. Kandungan kromium yang lebih tinggi pada 9Cr18 meningkatkan ketahanan korosi umum dibandingkan dengan 4Cr13 dan mendukung pembentukan karbida kaya kromium yang lebih keras, meningkatkan ketahanan aus. - Mangan dan silikon: Deoksidator dan penstabil austenit dalam jumlah kecil; Mn yang lebih tinggi meningkatkan kemampuan pengerasan secara moderat. - Elemen pengotor (P, S): Dijaga rendah untuk mempertahankan ketangguhan dan menghindari kerapuhan; S mungkin sengaja sedikit ditingkatkan dalam varian pemrosesan bebas, tetapi 4Cr13/9Cr18 yang tipikal bukan tipe sulfid tinggi.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur tipikal untuk kedua grade adalah martensitik setelah austenitisasi dan pendinginan yang tepat, tetapi distribusi karbida dan kandungan karbon matriks berbeda secara substansial.

• 4Cr13:
• Setelah perlakuan larutan dan pendinginan, matriks yang didominasi martensitik dengan volume karbida yang relatif rendah. Karbida umumnya lebih kecil dan lebih terdispersi karena kandungan karbon yang lebih rendah.
• Pemadatan mengurangi kerapuhan dan menghasilkan martensit yang dipadatkan; kekerasan yang dapat dicapai adalah moderat dan dapat disesuaikan untuk keseimbangan antara ketangguhan dan kekuatan.

• Normalisasi memberikan struktur yang lebih seragam untuk pemesinan atau penyelesaian selanjutnya.

• 9Cr18:

• Setelah austenitisasi dan pendinginan, martensit dengan fraksi karbida kromium yang lebih tinggi (M23C6 dan karbida kaya Cr lainnya) adalah tipikal karena karbon tinggi dan kromium tinggi. Jaringan karbida atau partikel yang lebih besar meningkatkan ketahanan aus tetapi mengurangi ketangguhan.
• Pemadatan mengurangi stres internal dan menyesuaikan kekerasan tetapi pemadatan berlebihan dapat melemahkan karbida dan mengurangi ketahanan aus.
• Mencapai sifat optimal memerlukan kontrol yang lebih ketat terhadap suhu dan waktu austenitisasi untuk mengontrol pelarutan dan distribusi karbida.

Efek pemrosesan: - Normalisasi/memperhalus ukuran butir berguna untuk kedua grade sebelum perlakuan panas akhir. - Media pendinginan, ketebalan bagian, dan suhu austenitisasi sangat mempengaruhi austenit yang tersisa dan kekerasan—terutama kritis pada 9Cr18 karena kemampuan pengerasan yang tinggi. - Perlakuan kriogenik kadang-kadang digunakan pada baja tahan karat martensitik karbon tinggi (seperti analog 9Cr18) untuk mengurangi austenit yang tersisa dan menstabilkan kekerasan.

4. Sifat Mekanis

Sifat mekanis yang dilaporkan sangat bergantung pada perlakuan panas, suhu pemadatan, dan bentuk produk. Tabel berikut memberikan rentang indikatif untuk kondisi perlakuan panas yang umum ditentukan (pendinginan dan pemadatan). Nilai-nilai ini bersifat ilustratif; tentukan persyaratan sifat pasca-perlakuan panas yang tepat dalam dokumen pengadaan.

Sifat	4Cr13 — tipikal (pendinginan & pemadatan)	9Cr18 — tipikal (pendinginan & pemadatan)
Kekuatan tarik (MPa)	~600–1200 MPa (tergantung kondisi)	~800–1600 MPa (tergantung kondisi)
Kekuatan luluh (0.2% offset, MPa)	~400–900 MPa	~600–1400 MPa
Peregangan (%)	~8–20%	~5–15%
Ketangguhan impak (J, terpotong)	Sedang; lebih tinggi dari 9Cr18 untuk kekerasan yang sebanding	Lebih rendah, terutama pada tingkat kekerasan tinggi
Kekerasan (HRC)	~40–56 HRC (tergantung pada pemadatan)	~55–64 HRC (kekerasan yang dapat dicapai lebih tinggi)

Interpretasi: - Kekuatan dan kekerasan: 9Cr18 dapat dikeraskan hingga tingkat kekerasan dan tarik yang lebih tinggi karena karbon dan karbida kromium abrasif yang lebih tinggi; oleh karena itu, lebih unggul untuk komponen yang kritis terhadap aus. - Ketangguhan dan duktilitas: 4Cr13 biasanya memberikan ketangguhan dan peregangan yang lebih baik pada tingkat kekerasan tertentu karena kandungan karbon yang lebih rendah dan kandungan karbida yang lebih rendah. - Pertukaran adalah klasik: 9Cr18 lebih mengutamakan ketahanan aus/retensi tepi; 4Cr13 lebih mengutamakan ketangguhan dan kemudahan pemrosesan pasca.

5. Kemampuan Pengelasan

Kemampuan pengelasan dipengaruhi oleh ekuivalen karbon dan kandungan paduan yang mendorong kemampuan pengerasan dan pembentukan martensit di zona yang terpengaruh panas (HAZ). Dua ungkapan prediktif yang umum digunakan adalah:

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

dan

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

Interpretasi kualitatif: - Karbon tinggi dan kromium yang tinggi pada 9Cr18 menghasilkan ekuivalen karbon yang lebih tinggi dan $P_{cm}$, menunjukkan kecenderungan yang lebih tinggi untuk retak dingin, HAZ martensitik yang keras, dan kebutuhan untuk pemanasan awal, suhu antar-passing yang terkontrol, dan perlakuan panas pasca-las untuk memadatkan martensit HAZ. - 4Cr13, dengan karbon yang lebih rendah, biasanya menunjukkan CE yang lebih rendah dan kemampuan pengelasan yang lebih baik; namun, ini masih merupakan baja tahan karat martensitik dan mungkin memerlukan pemanasan awal dan pemadatan setelah pengelasan pada bagian yang lebih tebal untuk menghindari retak HAZ. Penggunaan elektroda hidrogen rendah dan input panas yang terkontrol disarankan untuk kedua grade.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Baik 4Cr13 maupun 9Cr18 diklasifikasikan sebagai baja tahan karat martensitik dan memperoleh ketahanan korosi mereka terutama dari kandungan kromium. Mereka tidak sekuat baja tahan karat austenitik (misalnya, 304/316) atau grade duplex di lingkungan kaya klorida atau sangat oksidatif.
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) sering digunakan untuk membandingkan ketahanan korosi lokal:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Untuk grade ini, Mo dan N biasanya tidak ada atau rendah, sehingga PREN terutama dipengaruhi oleh Cr. Kromium yang lebih tinggi pada 9Cr18 secara nominal menghasilkan PREN yang lebih tinggi dibandingkan 4Cr13, yang menunjukkan ketahanan pitting yang sedikit lebih baik di lingkungan netral hingga sedikit korosif. Namun, tidak ada grade yang dirancang untuk layanan laut yang parah atau klorida tanpa perlindungan permukaan.
• Ketika ketahanan korosi tidak mencukupi, perlindungan permukaan konvensional diterapkan:
• Pasivasi (asam nitrat atau asam sitrat) untuk mengembalikan film pasif setelah pemesinan.
• Pelapisan seperti elektroplating atau PVD untuk permukaan gesekan/aus, atau cat pelindung, jika sesuai.
• Galvanisasi umumnya tidak diterapkan pada substrat tahan karat untuk perbaikan korosi dan mungkin tidak menempel dengan baik; penyelesaian permukaan dan pasivasi lebih disukai.

7. Fabrikasi, Kemudahan Pemrosesan, dan Kemudahan Pembentukan

• Kemudahan pemrosesan:
• 4Cr13 umumnya lebih mudah diproses dibandingkan 9Cr18 karena kekerasan yang lebih rendah dalam kondisi yang dinormalisasi/dipadatkan dan kandungan karbida yang lebih rendah. Varian pemrosesan bebas mungkin tersedia, tetapi 4Cr13 standar bukanlah paduan pemrosesan bebas.
• 9Cr18, dengan karbon yang lebih tinggi dan karbida keras, meningkatkan keausan alat dan mungkin memerlukan alat karbida, umpan yang lebih lambat, dan strategi pembentukan chip yang terkontrol.
• Kemudahan pembentukan:
• Keduanya adalah baja tahan karat martensitik dan memiliki kemampuan pembentukan dingin yang terbatas dalam kondisi yang mengeras. Pembentukan paling mudah dilakukan dalam kondisi yang dinormalisasi atau dinormalisasi sebelum pendinginan akhir dan pemadatan.
• Penyelesaian permukaan:
• Polishing dan penggilingan umum untuk keduanya; 9Cr18 sering memerlukan abrasif yang lebih agresif dan pertimbangan umur alat.

8. Aplikasi Tipikal

4Cr13 — Penggunaan umum	9Cr18 — Penggunaan umum
Bilah pisau di mana ketangguhan yang baik dan ketahanan korosi yang wajar diperlukan (bilah biaya rendah, pisau utilitas)	Bilah pisau dan peralatan makan yang memerlukan retensi tepi dan ketahanan aus yang lebih tinggi (bilah premium yang mempertahankan tepi)
Komponen katup, poros pompa, dan perangkat keras yang memerlukan ketahanan korosi sedang dengan ketangguhan yang baik	Komponen bantalan dan bagian aus di mana kekerasan tinggi dan ketahanan abrasi diperlukan
Bagian yang dikeraskan untuk tujuan umum (kopling, komponen struktural kecil)	Instrumen medis dan bedah (terbatas pada instrumen tertentu di mana kekerasan tinggi diperlukan dan pasivasi permukaan diterapkan)
Komponen dekoratif dan teknik di mana penyelesaian pasca-proses dan pengelasan diperlukan	Peralatan untuk pekerjaan dingin dan komponen alat kecil dengan permintaan aus yang tinggi

Alasan pemilihan: - Pilih 4Cr13 untuk bagian yang memerlukan campuran ketangguhan, ketahanan korosi yang wajar, dan biaya lebih rendah, atau di mana pengelasan dan pembentukan sering terjadi. - Pilih 9Cr18 untuk bagian yang mengutamakan kekerasan, ketahanan abrasi, dan retensi tepi, menerima biaya pemrosesan yang lebih tinggi dan kontrol perlakuan panas/pengelasan yang lebih ketat.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya:
• 9Cr18 biasanya lebih mahal per kilogram dibandingkan 4Cr13 karena kandungan kromium dan karbon yang lebih tinggi serta perlakuan panas yang lebih menuntut untuk mencapai kekerasan tinggi.
• Biaya pemrosesan (penguatan, penggilingan, keausan alat) untuk 9Cr18 juga lebih tinggi.
• Ketersediaan:
• Kedua grade tersedia secara luas dalam bentuk produk umum (batang, lembaran, strip, pelat, pengecoran), tetapi ukuran tertentu, penyelesaian permukaan, dan batang stok yang diperlakukan panas dengan toleransi ketat mungkin kurang umum untuk 9Cr18 dan lebih banyak tersedia di pemasok spesialis.
• Untuk pengadaan volume tinggi, varian 4Cr13 umumnya lebih mudah diperoleh dari beberapa pabrik; 9Cr18 mungkin memerlukan kerja sama dengan pemasok baja alat tahan karat khusus untuk bentuk produk tertentu.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel ringkasan (kualitatif):

Atribut	4Cr13	9Cr18
Kemampuan pengelasan	Baik hingga sedang; risiko lebih rendah dibandingkan 9Cr18	Sedang hingga buruk; kebutuhan pemanasan awal dan PWHT lebih tinggi
Seimbang Kekuatan–Ketangguhan	Kekuatan sedang; ketangguhan dan duktilitas lebih baik	Kekuatan dan kekerasan lebih tinggi; ketangguhan berkurang
Biaya	Biaya material dan pemrosesan lebih rendah	Biaya material dan pemrosesan lebih tinggi

Rekomendasi: - Pilih 4Cr13 jika: - Anda memerlukan baja tahan karat martensitik yang cukup tahan korosi dengan ketangguhan yang lebih baik dan biaya total yang lebih rendah. - Pengelasan, pembentukan, atau pekerjaan pasca-fabrikasi sering terjadi atau kritis. - Kondisi layanan mencakup beban impak sedang atau di mana kegagalan rapuh yang katastrofik tidak dapat diterima.

• Pilih 9Cr18 jika:
• Kekerasan tinggi, ketahanan aus, dan retensi tepi adalah pendorong desain utama.
• Anda dapat mengontrol perlakuan panas, proses pemesinan, dan prosedur pengelasan (atau menghindari pengelasan dengan desain).
• Aplikasi dapat mentolerir ketangguhan impak yang lebih rendah dan biaya pemrosesan yang lebih tinggi demi manfaat umur pakai yang lebih lama atau kinerja pemotongan yang lebih baik.

Catatan akhir: Kedua grade adalah baja tahan karat martensitik dan kinerja mereka dalam layanan sangat bergantung pada komposisi yang tepat, ketebalan bagian, dan perlakuan panas yang dikontrol dengan hati-hati. Untuk spesifikasi pengadaan dan teknik, tentukan target kekerasan/ketangguhan yang diperlukan, persyaratan perlakuan panas pasca-las, dan harapan korosi secara eksplisit untuk memastikan pemasok memberikan material yang dikondisikan untuk aplikasi yang dimaksud.