50Mn vs 65Mn – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
50Mn dan 65Mn adalah dua baja pegas karbon tinggi yang banyak digunakan yang biasanya dipertimbangkan oleh desainer dan insinyur proses saat menentukan bagian untuk pegas, klip, komponen aus, dan perangkat tegangan/kompresi lainnya. Dilema pemilihan biasanya berpusat pada mencocokkan kekuatan, umur lelah, dan biaya dengan kemampuan produksi dan tuntutan layanan — misalnya, apakah kekuatan statis dan lelah yang lebih tinggi lebih penting daripada biaya finishing tambahan dan pengurangan kemampuan las. Perbedaan teknis utama antara keduanya adalah kandungan karbon dan efek hilirnya pada kemampuan pengerasan dan kekuatan yang ditempa: kelas karbon yang lebih tinggi (65Mn) mencapai kekerasan dan kekuatan tarik yang lebih tinggi setelah pendinginan dan penempaan, sementara kelas karbon yang lebih rendah (50Mn) umumnya menawarkan duktilitas yang lebih baik dan kemudahan fabrikasi.
1. Standar dan Penunjukan
- Penunjukan nasional/klasik umum:
- GB (Cina): 50Mn, 65Mn (digunakan secara eksplisit dalam standar dan praktik industri Cina).
- EN / JIS / ASTM: Tidak ada satu setara numerik universal satu-ke-satu; setara fungsional dipilih dengan mencocokkan komposisi kimia dan sifat mekanis daripada nama.
- Klasifikasi:
- Kedua 50Mn dan 65Mn adalah baja pegas karbon tinggi, non-stainless (yaitu, baja pegas karbon). Mereka bukan baja alat, baja stainless, atau kelas HSLA modern.
- Catatan praktis: Saat mencari sumber secara internasional, insinyur harus membandingkan rentang komposisi kimia dan sifat mekanis yang dijamin daripada hanya mengandalkan nama kelas.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: Rentang komposisi nominal tipikal (wt%). Nilai bersifat indikatif dan tergantung pada batas spesifikasi/nasional tertentu — selalu konsultasikan spesifikasi pembelian.
| Elemen | 50Mn (rentang tipikal) | 65Mn (rentang tipikal) |
|---|---|---|
| C | 0.47 – 0.55 | 0.62 – 0.70 |
| Mn | 0.60 – 1.10 | 0.60 – 1.00 |
| Si | 0.15 – 0.40 | 0.15 – 0.40 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ≤ 0.25 (jejak) | ≤ 0.25 (jejak) |
| Ni | ≤ 0.30 (jejak) | ≤ 0.30 (jejak) |
| Mo | ≤ 0.08 (jejak) | ≤ 0.08 (jejak) |
| V | ≤ 0.08 (jejak) | ≤ 0.08 (jejak) |
| Nb, Ti, B | biasanya tidak ditentukan / jejak | biasanya tidak ditentukan / jejak |
| N | jejak | jejak |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon (C): Pengungkit utama untuk kekuatan dan kekerasan. Karbon yang lebih tinggi meningkatkan kekerasan martensit dan kekuatan tarik setelah pendinginan/penempaan tetapi mengurangi duktilitas dan kemampuan las. - Mangan (Mn): Menghilangkan oksigen dan meningkatkan kemampuan pengerasan serta sifat tarik; kedua kelas memiliki Mn sedang untuk membantu kemampuan pengerasan. - Silikon (Si): Penghilang oksigen dan modifikasi kekuatan; penambahan kecil membantu kekuatan tanpa sangat merugikan ketangguhan. - Unsur jejak (Cr, Ni, Mo, V): Jika ada, mereka meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan temper; sebagian besar kelas 50Mn/65Mn dijaga rendah dalam unsur ini untuk mempertahankan perilaku pegas dan mengontrol biaya.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- Mikrostruktur setelah digulung/ditempa: Kedua kelas biasanya memiliki mikrostruktur ferrit + perlit setelah dinormalisasi atau ditempa lunak, yang memberikan formabilitas dan kemampuan mesin yang baik sebelum perlakuan panas akhir.
- Respons pendinginan:
- 65Mn (karbon lebih tinggi) membentuk martensit karbon lebih tinggi dengan kekerasan setelah pendinginan yang lebih tinggi dan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi (untuk ukuran bagian tertentu), menghasilkan kekuatan akhir yang lebih tinggi setelah penempaan.
- 50Mn membentuk martensit karbon lebih rendah (martensit yang lebih lunak) yang lebih mudah ditempa untuk kombinasi kekuatan dan ketangguhan.
- Perilaku penempaan:
- Kedua kelas biasanya dikuenching dan ditempa; suhu penempaan mengontrol trade-off kekuatan–ketangguhan. Suhu penempaan yang lebih tinggi mengurangi kekerasan dan meningkatkan duktilitas/ketangguhan.
- 65Mn mempertahankan kekuatan lebih tinggi pada suhu penempaan tertentu karena kandungan karbon yang lebih tinggi, tetapi juga lebih sensitif terhadap efek over-tempering pada ketangguhan dan kelelahan.
- Proses lainnya:
- Normalisasi memperhalus ukuran butir dan menstabilkan mikrostruktur sebelum pengerjaan dingin atau pengerasan akhir.
- Perlakuan termo-mekanis (penggulungan terkontrol) kurang umum untuk kelas ini tetapi dapat meningkatkan keseragaman dan umur lelah di mana diterapkan.
4. Sifat Mekanis
Nilai sangat tergantung pada perlakuan panas, ukuran bagian, dan praktik penempaan. Rentang berikut bersifat indikatif untuk kondisi dikuenching & ditempa yang digunakan untuk pegas dan komponen berkekuatan tinggi.
| Sifat | 50Mn (tipikal setelah Q & T) | 65Mn (tipikal setelah Q & T) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~800 – 1,100 | ~1,100 – 1,600 |
| Kekuatan luluh (MPa) | ~600 – 900 | ~900 – 1,400 |
| Panjang regangan (A%, % dalam 50 mm) | ~8 – 16 | ~6 – 12 |
| Ketangguhan impak (kualitatif) | sedang | lebih rendah (pada kekerasan yang sama) |
| Kekerasan (HRC) | ~30 – 48 (tergantung pada temper) | ~40 – 60 (tergantung pada temper) |
Interpretasi: - Kekuatan: 65Mn biasanya mencapai kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang lebih tinggi setelah pengerasan dan penempaan karena kandungan karbonnya yang lebih tinggi. - Ketangguhan/Duktilitas: 50Mn biasanya memberikan duktilitas dan ketahanan impak yang lebih baik pada kekerasan yang sebanding. Insinyur harus menempakan 65Mn dengan hati-hati untuk menghindari perilaku rapuh. - Kelelahan: Untuk pegas yang kritis terhadap kelelahan, 65Mn dapat memberikan batas ketahanan yang lebih tinggi pada kekerasan desain yang sebanding, tetapi proses finishing (shot peening, kualitas permukaan) dan penempaan yang benar sangat menentukan untuk umur.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las dikendalikan terutama oleh kandungan karbon dan kemampuan pengerasan. Karbon yang lebih tinggi meningkatkan risiko martensit keras dan rapuh di zona yang terpengaruh panas (HAZ) dan retak dingin.
Indeks empiris yang berguna (untuk interpretasi kualitatif): - Setara karbon (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Indeks 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: - 65Mn, dengan karbon yang jauh lebih tinggi, akan memiliki setara karbon yang lebih tinggi daripada 50Mn di bawah kimia yang serupa, menunjukkan kemampuan las yang lebih buruk dan kebutuhan yang lebih tinggi untuk pemanasan awal, kontrol input panas, dan perlakuan panas pasca-las (PWHT). - Pengelasan umumnya tidak dianjurkan untuk baja pegas yang dikuenching dan ditempa kecuali prosesnya mencakup pemanasan awal, bahan habis pakai rendah hidrogen, dan PWHT yang sesuai. Untuk komponen yang memerlukan pengelasan, tentukan alternatif karbon rendah atau desain untuk menghindari sambungan las di bagian yang dikeraskan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Kedua 50Mn dan 65Mn adalah baja karbon non-stainless; ketahanan korosi terbatas dan tergantung pada lingkungan.
- Tindakan perlindungan yang umum:
- Galvanisasi celup panas atau elektroplating seng untuk perlindungan atmosfer umum.
- Pembungkus fosfat dan sistem cat untuk adhesi cat dan perlindungan korosi sedang.
- Minyak atau pelumas pelindung untuk pegas dan kawat untuk mengurangi korosi permukaan dan meningkatkan umur lelah.
- Indeks stainless seperti PREN tidak berlaku untuk kelas non-stainless ini. Contoh PREN (hanya untuk kelas stainless): $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Penyelesaian permukaan dan shot peening sering ditentukan untuk meningkatkan umur lelah. Setiap proses pelapisan harus kompatibel dengan perlakuan panas akhir untuk menghindari embrittlement hidrogen atau skala yang mengurangi kelelahan.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin:
- Dalam kondisi ditempa, kedua kelas dapat diproses dengan cara yang sama; dalam kondisi dikeraskan, keduanya menjadi menantang. 65Mn dalam keadaan kekerasan tinggi lebih sulit untuk diproses dibandingkan 50Mn.
- Formabilitas/penekukan:
- Pembentukan dingin cukup sederhana dalam kondisi ditempa. Setelah dikuenching & ditempa, pembentukan terbatas; penekukan/deformasi hiperelastis tidak dianjurkan dalam keadaan dikeraskan.
- Pemotongan/penyelesaian:
- Pemotongan abrasif atau penggilingan CNC berdaya tinggi dengan alat karbida/CBN umum untuk komponen yang dikeraskan. Penggilingan adalah proses penyelesaian tipikal untuk bagian yang dikeraskan dengan toleransi ketat.
- Pertimbangan perlakuan panas:
- Lakukan pembentukan dan pemesinan dalam kondisi lunak yang ditempa jika memungkinkan, kemudian pendinginan dan penempaan akhir.
- Perhatikan skala dan dekarbonisasi selama operasi suhu tinggi — atmosfer pelindung atau gas endotermik dapat digunakan untuk komponen kritis.
8. Aplikasi Tipikal
| 50Mn — Penggunaan Tipikal | 65Mn — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Pegas daun untuk kendaraan ringan, klip, batang torsi kecil, pegas serbaguna di mana duktilitas dan ekonomi penting | Pegas koil berkinerja tinggi, pegas suspensi otomotif, pengikat dan klip yang memerlukan kapasitas stres lebih tinggi, komponen aus beban tinggi |
| Pengikat dan pin yang memerlukan kekuatan sedang dengan beberapa formabilitas | Pegas presisi dan komponen kawat dalam alat, klip dan penahan berat di mana kekuatan lelah yang lebih tinggi diperlukan |
| Komponen di mana perlakuan panas pasca-las atau metode penyambungan lokal dihindari | Aplikasi di mana penyelesaian permukaan (shot peening, penggilingan) dan kontrol ketat perlakuan panas menghasilkan umur lelah yang tinggi |
Alasan pemilihan: - Pilih 50Mn di mana biaya, ketangguhan, dan fabrikasi yang lebih mudah (termasuk pembentukan dan beberapa penyambungan sedang) menjadi faktor penentu. - Pilih 65Mn di mana kekuatan maksimum yang dapat dicapai dan ketahanan lelah per unit volume menjadi faktor penentu dan di mana proses manufaktur (pengerasan, penempaan, penyelesaian permukaan) dikendalikan untuk mengurangi kerapuhan dan inisiasi kelelahan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 65Mn biasanya sedikit lebih mahal daripada 50Mn karena kandungan karbon yang lebih tinggi, kontrol pemrosesan dan perlakuan panas yang lebih ketat untuk pegas berkinerja tinggi, dan kemungkinan sensitivitas limbah yang lebih tinggi. Namun, perbedaan biaya relatif kecil per kilogram; total biaya bagian tergantung pada penyelesaian dan perlakuan pasca.
- Ketersediaan berdasarkan bentuk produk:
- Kedua kelas tersedia luas sebagai kawat, batang, bar, dan strip dari pemasok baja pegas. 65Mn sangat umum dalam kawat pegas dan pegas yang sudah jadi.
- Waktu pengiriman dan stabilitas pasokan tergantung pada produsen regional; spesifikasi kondisi perlakuan panas (dikuenching & ditempa, temper, toleransi) mempengaruhi ketersediaan dan harga.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Atribut | 50Mn | 65Mn |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Lebih baik (C lebih rendah) | Lebih buruk (C lebih tinggi) |
| Trade-off kekuatan–ketangguhan | Kekuatan sedang dengan ketangguhan relatif lebih baik | Kekuatan yang dapat dicapai lebih tinggi; ketangguhan lebih rendah pada kekerasan yang sama |
| Biaya (relatif) | Lebih rendah | Sedikit lebih tinggi |
Rekomendasi penutup: - Pilih 50Mn jika Anda memerlukan baja pegas yang hemat biaya dengan duktilitas yang lebih baik dan fabrikasi yang sedikit lebih mudah (misalnya, pegas tugas sedang, klip, bagian yang mungkin memerlukan pembentukan atau penyambungan terbatas, atau di mana ketahanan impak penting). - Pilih 65Mn jika desain Anda memerlukan kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang lebih tinggi serta batas ketahanan yang lebih tinggi (misalnya, pegas koil stres tinggi, komponen beban tinggi yang kompak), dan Anda dapat mengontrol perlakuan panas, penyelesaian permukaan, dan menghindari atau mengelola pengelasan dengan hati-hati.
Tips praktis akhir: - Tentukan sifat mekanis akhir yang diperlukan dan umur lelah daripada hanya nama kelas; ini memungkinkan pemasok untuk mengusulkan jadwal penempaan dan bentuk produk yang optimal. - Untuk las atau rakitan, pertimbangkan alternatif desain (pengikatan mekanis, selongsong) atau kelas karbon rendah untuk menghindari prosedur pemanasan awal/PWHT yang kompleks. - Selalu minta sertifikat pabrik dan catatan perlakuan panas untuk komponen pegas kritis, dan validasi kinerja kelelahan dengan pengujian representatif ketika umur sangat penting.