55Si2Mn vs 60Si2Mn – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
55Si2Mn dan 60Si2Mn adalah baja silikon-mangan tinggi karbon yang banyak digunakan, biasanya ditentukan untuk pegas, kawat, pengikat, dan komponen yang memerlukan batas elastis tinggi dan ketahanan terhadap kelelahan. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana produksi sering menghadapi dilema pemilihan: apakah memprioritaskan kekuatan yang sedikit lebih tinggi setelah pendinginan dengan mengorbankan peningkatan kemampuan pengerasan dan tantangan potensi las, atau menerima tingkat karbon yang lebih rendah untuk mendapatkan duktilitas yang lebih baik dan kemudahan fabrikasi.
Perbedaan utama antara kelas ini adalah kandungan karbon dan perbedaan batas elastis serta kemampuan pengerasan yang dihasilkan. Karena tingkat karbon secara signifikan mempengaruhi kekerasan, kekuatan hasil (elastis), dan sensitivitas terhadap perlakuan panas, kedua kelas ini biasanya dibandingkan saat merancang bagian yang menahan beban dan tahan kelelahan atau memilih baja pegas dan kawat untuk produksi.
1. Standar dan Penunjukan
- Penunjukan dan standar nasional serta internasional yang umum yang mungkin mencakup kelas ini (atau ekuivalen dekat):
- GB (Cina): kelas yang biasanya terdaftar sebagai 55Si2Mn, 60Si2Mn dalam standar nasional Cina dan katalog produk.
- EN (Eropa): baja pegas yang sebanding ditemukan di bawah seri EN 47 / EN 10089 dan penunjukan baja pegas lainnya (catatan: nama numerik langsung 55/60Si2Mn bukan penunjukan normatif EN tetapi sering dirujuk silang).
- JIS (Jepang): baja pegas ditunjuk secara berbeda (misalnya, SUP6, SUP7 adalah baja pegas/daun).
- ASTM/ASME: ASTM tidak menggunakan singkatan numerik yang sama; ekuivalen ditentukan oleh komposisi dan persyaratan mekanis.
- Kelas material: Keduanya adalah baja pegas paduan karbon (paduan silikon-mangan tinggi karbon). Mereka bukan baja tahan karat, alat, atau baja HSLA dalam pengertian modern; mereka biasanya diperlakukan sebagai baja paduan karbon tinggi untuk pegas dan kawat.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | Rentang tipikal — 55Si2Mn (wt%) | Rentang tipikal — 60Si2Mn (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.50 – 0.58 | 0.57 – 0.64 |
| Si | 1.50 – 2.10 | 1.50 – 2.10 |
| Mn | 0.50 – 1.05 | 0.50 – 1.05 |
| P | ≤ 0.035 (maks) | ≤ 0.035 (maks) |
| S | ≤ 0.035 (maks) | ≤ 0.035 (maks) |
| Cr | ≤ 0.30 (sering tidak ada) | ≤ 0.30 (sering tidak ada) |
| Ni | ≤ 0.30 (biasanya tidak ada) | ≤ 0.30 (biasanya tidak ada) |
| Mo | ≤ 0.10 (biasanya tidak ada) | ≤ 0.10 (biasanya tidak ada) |
| V, Nb, Ti, B, N | Jejak/dikendalikan jika ditambahkan untuk mikro-paduan | Jejak/dikendalikan jika ditambahkan untuk mikro-paduan |
Catatan: - Ini adalah rentang nominal representatif yang digunakan dalam praktik industri. Batas pasti bervariasi berdasarkan standar penyedia, praktik pabrik, dan apakah material tersebut ditarik dingin atau dimaksudkan untuk komponen bagian berat. - Si sengaja tinggi untuk meningkatkan elastisitas dan sifat pegas; Mn membantu kemampuan pengerasan dan kekuatan. Tingkat karbon adalah variabel utama yang membedakan kedua kelas.
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Karbon: meningkatkan kekuatan tarik, batas hasil (elastis), kemampuan pengerasan dan kekerasan setelah pendinginan; karbon yang lebih tinggi mengurangi duktilitas dan meningkatkan sensitivitas terhadap las. - Silikon: memperkuat ferit, meningkatkan batas elastis (kelenturan), dan meningkatkan ketahanan temper; Si yang berlebihan dapat mengurangi kemampuan mesin. - Mangan: meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan tarik, memberikan deoksidasi selama pembuatan baja; Mn yang berlebihan dapat meningkatkan risiko austenit yang tertahan setelah pendinginan jika tidak diperlakukan dengan benar. - Elemen mikro-paduan jejak (V, Nb, Ti) ketika ada memperhalus ukuran butir dan meningkatkan kekuatan tanpa kehilangan ketangguhan yang proporsional.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Kondisi yang dinormalisasi: struktur yang didominasi oleh pearlitik/feritik dengan karbida spheroid dalam baja pegas yang dinormalisasi dengan baik untuk kemampuan mesin dan pembentukan yang baik. - Kondisi yang didinginkan: matriks martensitik dengan jumlah austenit yang tertahan yang bervariasi tergantung pada ketebalan bagian dan kandungan karbon. - Kondisi yang ditemper: martensit yang ditemper ditambah karbida halus; suhu temper mengontrol keseimbangan kekerasan dan ketangguhan.
Bagaimana rute pemrosesan mempengaruhi kedua kelas: - Normalisasi: memperhalus ukuran butir dan menghasilkan mikrostruktur yang lebih homogen; berguna sebelum pembentukan dingin atau perlakuan panas lebih lanjut. - Pendinginan & tempering (Q&T): Pendekatan standar untuk mencapai batas elastis yang diperlukan. Suhu austenitisasi yang tipikal berada dalam rentang $830–880^\circ$C (tergantung pada penyedia dan ukuran bagian) diikuti oleh pendinginan minyak atau garam untuk menghasilkan martensit, kemudian temper untuk mencapai kekerasan/kekuatan yang diinginkan. Karbon yang lebih tinggi dalam 60Si2Mn mendorong kekerasan martensitik yang lebih tinggi setelah pendinginan dan dengan demikian kemampuan kekuatan temper yang lebih tinggi. - Pemrosesan termo-mekanis (penggulungan panas dengan pendinginan terkontrol): dapat meningkatkan ketangguhan dan keseragaman; kedua kelas merespons pendinginan terkontrol, tetapi kelas karbon yang lebih tinggi menunjukkan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dan lebih banyak martensit untuk laju pendinginan tertentu.
Implikasi praktis: 60Si2Mn mencapai batas elastis yang lebih tinggi dengan perlakuan panas yang sama tetapi memerlukan pendinginan dan tempering yang lebih terkontrol untuk menghindari kerapuhan dan mengelola tegangan sisa.
4. Sifat Mekanik
| Sifat (tipikal, kondisi Q&T atau pegas yang ditemper) | 55Si2Mn (rentang kira-kira) | 60Si2Mn (rentang kira-kira) |
|---|---|---|
| Kekuatan Tarik (MPa) | ~800 – 1400 | ~900 – 1600 |
| Kekuatan Hasil / Batas Elastis (MPa) | ~600 – 1200 | ~700 – 1400 |
| Peregangan (%) | ~8 – 18 | ~6 – 15 |
| Dampak Charpy (J) | Bervariasi; biasanya sedang ketika ditemper dengan benar (misalnya, 5–30 J tergantung pada temper) | Umumnya lebih rendah dari 55Si2Mn untuk kekerasan yang setara; sensitif terhadap temper dan ukuran bagian |
| Kekerasan (HRC atau HB) | ~28 HRC – 58 HRC (atau HB 280–650) | ~30 HRC – 60 HRC (atau HB 300–700) |
Perhatian: - Rentang ini bersifat ilustratif untuk kondisi yang biasanya didinginkan dan ditemper yang digunakan untuk pegas dan kawat. Nilai aktual tergantung pada komposisi yang tepat, suhu perlakuan panas, ukuran bagian, dan praktik tempering. - Secara umum, 60Si2Mn memberikan kekuatan/kekerasan yang lebih tinggi dan batas elastis yang lebih tinggi; 55Si2Mn relatif lebih duktil dan lebih mudah untuk mencapai ketangguhan yang seimbang untuk kekuatan tertentu.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las sangat dipengaruhi oleh tingkat karbon dan paduan serta oleh geometri bagian dan manajemen termal. Dua indeks empiris umum untuk penilaian kualitatif:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi (kualitatif): - Karbon yang lebih tinggi dalam 60Si2Mn meningkatkan nilai $CE$ dan $P_{cm}$ relatif terhadap 55Si2Mn, menunjukkan risiko retak dingin yang lebih besar di zona yang terpengaruh panas (HAZ) dan kecenderungan yang lebih tinggi untuk mikrostruktur yang keras dan rapuh setelah pengelasan. - Kedua kelas tidak ideal untuk pengelasan fusi tanpa pemanasan awal dan perlakuan panas pasca-las (PWHT). Mitigasi yang umum: gunakan pemanasan awal, kontrol suhu antar proses, dan terapkan PWHT (tempering penghilang tegangan) untuk mengurangi kekerasan HAZ dan tegangan sisa. - Jika pengelasan diperlukan, 55Si2Mn umumnya lebih mudah dilas dibandingkan 60Si2Mn karena kandungan karbonnya yang lebih rendah, tetapi keduanya memerlukan prosedur pengelasan yang dirancang untuk pegas karbon tinggi (logam pengisi yang sesuai, kontrol hidrogen, dan siklus termal).
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Kelas ini bukan tahan karat; ketahanan korosi terbatas dan mirip dengan baja karbon umum.
- Strategi perlindungan umum: pengecatan, fosfatasi, pelumasan, elektroplating, dan galvanisasi celup panas — pilihan tergantung pada aplikasi, lingkungan, dan perubahan dimensi/perlakuan panas yang diizinkan.
- Indeks untuk ketahanan korosi tahan karat (PREN) tidak berlaku karena tingkat Cr, Mo, dan N dapat diabaikan: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Rumus ini tidak berlaku untuk 55Si2Mn atau 60Si2Mn karena mereka bukan kelas tahan karat.
Catatan praktis: - Galvanisasi dapat digunakan untuk perlindungan korosi pada bagian yang dibentuk tetapi dapat mengubah kondisi permukaan dan memperkenalkan hidrogen; untuk komponen yang didinginkan dan ditemper, pertimbangkan efek proses pelapisan pada sifat mekanis akhir dan tegangan sisa.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin: Karbon dan kekerasan yang lebih tinggi (seperti pada 60Si2Mn) mengurangi kemampuan mesin. Material yang dinormalisasi atau spheroid lebih disukai untuk pemesinan. Finishing yang ditarik dingin meningkatkan akurasi dimensi tetapi meningkatkan gaya pemotongan.
- Pembentukan/bending dingin: Kedua kelas memerlukan normalisasi atau tempering terkontrol untuk mencapai formabilitas yang dapat diterima. 55Si2Mn sedikit lebih mudah dibentuk karena kandungan karbon yang lebih rendah.
- Penggilingan dan finishing: Kekerasan yang lebih tinggi memerlukan abrasif dan alat yang lebih agresif. Penggilingan permukaan dan peening tembakan umum untuk pegas untuk meningkatkan umur kelelahan.
- Distorsi perlakuan panas dan manajemen tegangan sisa lebih kritis dengan 60Si2Mn karena kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dan pembentukan martensit yang lebih besar.
8. Aplikasi Tipikal
| 55Si2Mn — Penggunaan Tipikal | 60Si2Mn — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Pegas daun otomotif, pegas koil kecil, klip, pengikat di mana ketangguhan dan umur kelelahan yang seimbang diperlukan | Pegas koil beban tinggi, pegas katup, batang torsi dan kawat elastisitas tinggi di mana batas elastis maksimum diperlukan |
| Kawat pegas tujuan umum dan komponen yang dibentuk di mana beberapa operasi pasca-las atau bending diperlukan | Pegas dan komponen berat yang terkena beban siklik yang lebih tinggi atau di mana desain kompak memerlukan kapasitas stres yang lebih tinggi |
| Komponen di mana fabrikasi yang lebih mudah (pengelasan/bending) dan duktilitas yang lebih baik bermanfaat | Aplikasi yang memprioritaskan tingkat stres yang lebih tinggi, penampang yang lebih kecil dengan laju pendinginan yang dapat didinginkan, dan gaya pegas maksimum per volume |
Rasional pemilihan: - Pilih kelas yang memberikan batas elastis yang diperlukan dengan rute perlakuan panas dan pemrosesan yang paling ekonomis sambil memenuhi persyaratan kelelahan dan ketangguhan. 60Si2Mn dipilih untuk desain kapasitas beban yang lebih tinggi, 55Si2Mn ketika duktilitas, sensitivitas fabrikasi yang lebih rendah, atau biaya memimpin keputusan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: 60Si2Mn biasanya memiliki premi yang moderat dibandingkan 55Si2Mn karena kandungan karbon yang lebih tinggi dan kontrol pemrosesan yang sering diperlukan untuk memenuhi spesifikasi kekerasan dan kelelahan. Namun, perbedaan biaya biasanya kecil dibandingkan dengan biaya pemrosesan dan finishing.
- Ketersediaan: Kedua kelas diproduksi secara luas dalam bentuk batang, kawat, strip pegas, dan bentuk ditarik dingin di daerah dengan infrastruktur pembuatan baja pegas yang substansial. Ketersediaan berdasarkan bentuk produk tertentu (misalnya, diameter kawat, lebar strip, keadaan perlakuan panas) tergantung pada inventaris pabrik lokal dan volume pembeli.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | 55Si2Mn | 60Si2Mn |
|---|---|---|
| Kemampuan Las | Lebih baik (karbon lebih rendah → risiko kekerasan HAZ lebih rendah) | Lebih menantang (karbon lebih tinggi → lebih tinggi $CE/P_{cm}$) |
| Kesimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Kompromi yang baik; lebih mudah mencapai ketangguhan dengan kekuatan sedang | Kekuatan maksimum dan batas elastis yang lebih tinggi; perhatian lebih besar diperlukan untuk menjaga ketangguhan |
| Biaya | Sedikit lebih rendah di banyak pasar | Sedikit lebih tinggi karena permintaan pemrosesan dan QC |
Rekomendasi: - Pilih 55Si2Mn jika: - Anda memerlukan keseimbangan antara kekuatan dan duktilitas dengan fabrikasi yang lebih mudah (pengelasan, pembentukan). - Desain memerlukan ketangguhan yang lebih baik atau penampang yang lebih besar yang mendingin perlahan selama pendinginan. - Sensitivitas biaya dan kontrol perlakuan panas yang lebih sederhana adalah prioritas.
- Pilih 60Si2Mn jika:
- Pendorong desain utama adalah batas elastis yang lebih tinggi, kekuatan tarik yang lebih tinggi atau memaksimalkan gaya pegas per unit volume.
- Bagian kecil atau ukuran penampang memungkinkan pendinginan cepat (kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dapat dimanfaatkan) dan perlakuan panas yang hati-hati dapat diterapkan.
- Aplikasi melibatkan stres siklik tinggi di mana kekuatan statis dan elastis yang lebih tinggi meningkatkan umur kelelahan, dan Anda dapat mengontrol prosedur pengelasan/perlakuan panas.
Catatan akhir: Kedua kelas berfungsi dengan baik ketika dipadukan dengan perlakuan panas yang tepat, perlindungan permukaan, dan kontrol produksi. Untuk setiap komponen kritis, minta sertifikat pabrik, lakukan pengujian mekanis yang representatif, dan validasi prosedur pengelasan serta jadwal tempering pada sampel yang mewakili produksi sebelum penerapan skala penuh.