60Si2Mn vs 55CrSi – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali memilih antara baja pegas karbon tinggi yang memberikan kekuatan tinggi, ketahanan terhadap kelelahan, dan respons perlakuan panas yang dapat diprediksi. Dua kelas yang sering dibandingkan dalam kategori ini adalah 60Si2Mn dan 55CrSi. Dilema pemilihan biasanya berkisar pada trade-off antara kemampuan pengerasan untuk bagian yang lebih tebal, kekuatan dan umur kelelahan yang dapat dicapai, kemampuan pengelasan dan kemudahan fabrikasi, serta biaya material.
Perbedaan utama antara kelas-kelas ini terletak pada strategi paduan: satu menekankan kimia silikon-mangan untuk meningkatkan kekuatan dan elastisitas pada tingkat karbon tinggi, sementara yang lainnya menggabungkan kromium dengan silikon untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan temper. Karena itu, mereka sering dibandingkan untuk pegas, pengikat, dan komponen dengan stres tinggi di mana kinerja mekanis dan kemampuan manufaktur sama-sama penting.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan penunjukan umum yang ditemui di industri:
- GB (Cina): 60Si2Mn, 55CrSi (nomenklatur yang umum digunakan dalam standar Cina dan rantai pasokan).
- EN/ISO: Kelas baja EN yang sebanding untuk baja pegas termasuk ekuivalen 60Si2Mn dan analog SAE/ASTM (misalnya, SAE 9254/55 untuk baja pegas SiCr), tetapi referensi silang yang tepat tergantung pada rincian spesifikasi.
- JIS: Baja pegas JIS (misalnya, keluarga SUP9/SUP10) dapat digunakan sebagai ekuivalen fungsional dalam beberapa aplikasi.
- ASTM/ASME: Tidak ada penunjukan universal ASTM tunggal untuk baja pegas komersial ini; pasokan biasanya diatur oleh standar spesifik pelanggan atau nasional.
- Klasifikasi:
- Baik 60Si2Mn maupun 55CrSi adalah baja pegas paduan karbon tinggi (non-stainless). Mereka bukan baja alat, baja tahan karat, atau HSLA dalam pengertian konvensional.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Catatan: komposisi bervariasi berdasarkan standar dan pemasok. Tabel di bawah ini memberikan rentang komposisi tipikal (perkiraan) untuk menggambarkan strategi paduan daripada batas spesifikasi yang tepat.
| Elemen (%) | 60Si2Mn (rentang tipikal) | 55CrSi (rentang tipikal) |
|---|---|---|
| C | 0.56–0.64 | 0.50–0.60 |
| Mn | 0.50–1.00 | 0.30–0.80 |
| Si | 1.60–2.00 | 0.90–1.50 |
| P | ≤ 0.03 (maks) | ≤ 0.03 (maks) |
| S | ≤ 0.03 (maks) | ≤ 0.03 (maks) |
| Cr | ≤ 0.25 (jejak) | 0.80–1.30 |
| Ni | ≤ 0.30 (jejak) | ≤ 0.30 (jejak) |
| Mo | — | ≤ 0.10 (minor) |
| V, Nb, Ti | — (biasanya tidak ada) | — (biasanya tidak ada) |
| B, N | — | — |
Efek paduan: - Karbon adalah elemen pengerasan utama: C yang lebih tinggi meningkatkan kekerasan dan kekuatan yang dapat dicapai setelah pendinginan dan temper, tetapi mengurangi kemampuan pengelasan dan duktilitas. - Silikon meningkatkan kekuatan, elastisitas, dan kinerja pegas; juga menstabilkan ferit dan dapat meningkatkan ketangguhan dalam beberapa temper. - Mangan meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan tarik serta bertindak sebagai deoksidator. - Kromium meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan temper—penting untuk bagian yang lebih tebal dan suhu layanan yang lebih tinggi. - Elemen jejak dan kontrol ketat P/S meningkatkan umur kelelahan dan mengurangi inklusi.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal dan perilaku perlakuan panas berbeda karena keseimbangan paduan: - 60Si2Mn (didominasi Si–Mn): - Dalam kondisi dinormalisasi: struktur pearlitik/ferritik yang dominan untuk kekuatan sedang. - Setelah pendinginan dan temper: matriks martensitik yang di-temper hingga kekerasan yang diinginkan; tingkat silikon membantu mempertahankan sifat elastis untuk aplikasi pegas. - Sensitivitas ketebalan: sedang; mangan memberikan beberapa kemampuan pengerasan tetapi kurang efektif dibandingkan kromium, sehingga komponen yang lebih tebal mungkin menunjukkan pengerasan yang tidak lengkap kecuali disesuaikan. - 55CrSi (didominasi Cr–Si): - Dalam kondisi dinormalisasi: pearlite + ferrite tergantung pada pendinginan. - Setelah pendinginan dan temper: martensit yang di-temper; kromium meningkatkan kemampuan pengerasan dan mendorong transformasi martensitik yang lebih seragam di bagian yang lebih tebal. - Ketahanan temper: meningkat karena Cr; memungkinkan retensi kekuatan yang lebih baik pada suhu tempering yang lebih tinggi dan meningkatkan ketahanan terhadap pelunakan seiring waktu.
Rute pemrosesan: - Normalisasi/memperbaiki ukuran butir: keduanya merespons dengan baik, tetapi pilihan suhu normalisasi tergantung pada kandungan karbon dan ukuran bagian. - Pendinginan & temper: umum untuk baja pegas. Medium pendinginan, suhu austenitisasi, dan profil tempering mengontrol kekerasan dan ketangguhan akhir. - Pemrosesan termo-mekanis (untuk kawat atau penggulungan pegas): pendinginan terkontrol dan pengerjaan dingin ditambah tempering pelepasan stres adalah standar.
4. Sifat Mekanis
Sifat mekanis bervariasi secara luas dengan perlakuan panas dan ukuran bagian. Tabel di bawah ini menunjukkan rentang tipikal yang dapat dicapai setelah siklus pendinginan dan temper yang umum di industri untuk aplikasi pegas dan kekuatan tinggi.
| Sifat | 60Si2Mn (tipikal) | 55CrSi (tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | 900–1600 (tergantung pada temper) | 900–1700 (lebih baik di bagian yang lebih tebal) |
| Kekuatan luluh (MPa) | 700–1400 | 700–1450 |
| Peregangan (%) | 6–18 (lebih rendah pada kekuatan yang lebih tinggi) | 6–18 (rentang serupa) |
| Ketangguhan impak (J, Charpy) | Rendah hingga sedang saat dalam kondisi kekerasan tinggi; meningkat dengan tempering | Tren serupa; Cr dapat meningkatkan ketangguhan yang dipertahankan pada kekerasan yang sama |
| Kekerasan (HRC) | ~30–65 (tergantung pada temper) | ~30–65 (dapat dipertahankan di bagian yang lebih tebal karena Cr) |
Interpretasi: - Kedua kelas dapat mencapai kekuatan tarik yang sangat tinggi ketika dikeraskan dan di-temper; perbedaan sering kali tergantung pada aplikasi dan geometri. - 55CrSi umumnya menawarkan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dan sifat yang lebih konsisten di bagian yang lebih tebal, menjadikannya lebih disukai ketika pengerasan menyeluruh dari komponen yang lebih besar diperlukan. - 60Si2Mn efektif untuk kawat, pegas diameter kecil, dan komponen di mana elastisitas yang sangat tinggi dan kinerja kelelahan pada bagian kecil diperlukan.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan terutama dipengaruhi oleh ekuivalen karbon dan kemampuan pengerasan. Dua indeks yang umum digunakan adalah ekuivalen karbon IIW dan Pcm (indeks aeronautik/fabrikasi):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - C yang lebih tinggi dan nilai CE/Pcm yang lebih tinggi menunjukkan peningkatan kerentanan terhadap retak dingin dan kebutuhan untuk perlakuan panas sebelum/pasca pengelasan. - 60Si2Mn biasanya memiliki sedikit lebih banyak silikon dan karbon yang sebanding atau lebih tinggi tetapi kurang kromium; kemampuan pengerasan sedang. Untuk bagian kecil, pengelasan dapat dilakukan dengan kontrol ketat (pemanasan awal, elektroda rendah hidrogen). Untuk baja pegas dengan kekerasan tinggi, pengelasan umumnya dihindari kecuali dilakukan annealing lokal dan tempering. - 55CrSi, karena kromium, sering memiliki CE yang lebih tinggi untuk kandungan karbon tertentu dan menunjukkan kemampuan pengerasan yang lebih besar. Ini membuat kemampuan pengelasan lebih menantang di bagian yang lebih tebal karena HAZ martensitik yang keras dapat terbentuk. Pemanasan awal dan PWHT biasanya diperlukan; banyak aplikasi lebih memilih penyambungan mekanis atau pembentukan dingin daripada pengelasan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik 60Si2Mn maupun 55CrSi bukanlah stainless. Ketahanan korosi terbatas dan bergantung pada perlindungan permukaan:
- Perlindungan umum termasuk galvanisasi, elektroplating, pelapisan fosfat, pengecatan, atau pelapisan polimer.
- Untuk aplikasi pegas di mana pelapisan dapat mempengaruhi kinerja, alternatif stainless atau fitur desain pelindung harus dipertimbangkan.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) berlaku untuk paduan stainless:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN tidak berlaku untuk baja pegas non-stainless ini karena tingkat Cr dan desain paduan mereka tidak mencukupi untuk menghasilkan perlindungan korosi pasif.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin:
- Kandungan karbon tinggi dan kekerasan tinggi dari kedua kelas dalam kondisi dikeraskan mengurangi kemampuan mesin. Pembubutan pra-kekerasan terbatas; menggunakan alat dan kecepatan yang sesuai serta tempering untuk menurunkan kekerasan sebelum pemesinan berat adalah standar.
- 60Si2Mn mungkin sedikit lebih mudah dikerjakan dalam keadaan annealed atau dinormalisasi karena kandungan Cr yang lebih rendah.
- Formabilitas:
- Pembentukan dingin dan penggulungan: keduanya dirancang untuk pembentukan pegas; 60Si2Mn banyak digunakan untuk pegas diameter kecil karena elastisitas tinggi.
- Pembengkokan dan heading dingin: dilakukan dalam kondisi annealed; hindari pembentukan saat dalam kekerasan tinggi.
- Penyelesaian permukaan:
- Penggilingan dan peening tembakan umum untuk bagian kelelahan; kedua baja merespons dengan baik terhadap peening tembakan untuk meningkatkan umur kelelahan.
8. Aplikasi Tipikal
| 60Si2Mn (penggunaan umum) | 55CrSi (penggunaan umum) |
|---|---|
| Pegas koil elastisitas tinggi (diameter kecil), pegas suspensi untuk komponen kecil, kawat pegas, pegas torsi beban ringan | Pegas koil beban berat, pegas daun, pegas peredam, pegas suspensi dan getaran diameter lebih besar |
| Pegas presisi dan komponen mekanis kecil yang memerlukan ketahanan tinggi | Komponen yang lebih berat dan lebih tebal di mana pengerasan menyeluruh dan kekuatan yang di-temper diperlukan |
| Kawat karbon tinggi dan pengikat kecil di lingkungan kelelahan tinggi | Komponen yang memerlukan kemampuan pengerasan yang unggul, kinerja HAZ yang lebih tangguh, dan ketahanan tempering yang lebih baik |
Rasional pemilihan: - Pilih berdasarkan besarnya beban, geometri komponen (ketebalan bagian), umur kelelahan yang diperlukan, dan apakah pengerasan menyeluruh diperlukan. 60Si2Mn efisien biaya untuk bagian kecil dengan elastisitas tinggi; 55CrSi lebih disukai untuk komponen besar dengan stres tinggi di mana pengerasan dan ketahanan tempering yang seragam penting.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif:
- 60Si2Mn biasanya lebih murah per kilogram karena tidak mengandung tambahan kromium yang signifikan dan diproduksi secara luas sebagai baja pegas.
- 55CrSi sedikit lebih mahal karena kandungan kromium dan kontrol yang lebih ketat yang mungkin diperlukan untuk aplikasi pegas.
- Ketersediaan:
- Kedua kelas umumnya tersedia dalam bentuk batang, kawat, dan bilah melalui pemasok baja pegas; ketersediaan lokal tergantung pada produksi regional dan penggunaan standar (misalnya, 55CrSi mungkin lebih umum dalam rantai pasokan otomotif di mana bagian yang lebih tebal diperlukan).
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 60Si2Mn | 55CrSi |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik untuk bagian kecil (dengan kontrol) | Lebih menantang karena kemampuan pengerasan yang lebih tinggi |
| Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan tinggi untuk bagian kecil; elastisitas yang sangat baik | Kekuatan sebanding atau lebih tinggi di bagian yang lebih tebal; ketahanan tempering yang lebih baik |
| Biaya | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Rekomendasi penutup: - Pilih 60Si2Mn jika: - Anda memerlukan batas elastis tinggi dan kinerja kelelahan dalam pegas atau kawat bagian kecil. - Sensitivitas biaya dan volume produksi tinggi untuk komponen kecil adalah kunci. - Pengerasan menyeluruh dari bagian tebal tidak diperlukan dan pengelasan minimal atau terkontrol. - Pilih 55CrSi jika: - Komponen memiliki penampang yang lebih besar atau memerlukan pengerasan seragam melalui penampang. - Ketahanan tempering yang lebih baik dan sifat yang lebih baik setelah tempering atau paparan suhu tinggi diperlukan. - Aplikasi dapat mentolerir biaya material yang sedikit lebih tinggi dan Anda dapat mengontrol prosedur pengelasan/perlakuan panas untuk keselamatan.
Kedua material ini terbukti sebagai pekerja keras dalam desain komponen pegas dan kekuatan tinggi. Pilihan akhir harus didorong oleh ketebalan bagian, profil tempering yang diperlukan, persyaratan inisiasi kelelahan dan retak kelelahan, serta batasan fabrikasi hilir seperti pengelasan dan penyelesaian permukaan.