A2 vs D2 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
A2 dan D2 adalah dua jenis baja alat kerja dingin yang paling umum ditentukan. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur secara teratur mempertimbangkan trade-off antara ketahanan aus, ketangguhan, biaya, dan kemampuan manufaktur saat memilih di antara keduanya — misalnya, memilih antara alat yang harus tahan terhadap aus abrasif pada produksi jangka panjang versus yang harus bertahan dari beban benturan dan tepi tanpa pecah.
Perbedaan utama adalah bahwa D2 dioptimalkan untuk ketahanan aus maksimum melalui mikrostruktur karbon tinggi, kromium tinggi, dan karbida tinggi, sementara A2 diformulasikan untuk menyeimbangkan ketahanan aus dengan ketangguhan yang lebih tinggi dan stabilitas dimensi yang lebih baik. Kontras ini mendorong perbandingan mereka yang sering dalam aplikasi cetakan, pemotongan, dan alat potong.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar umum dan referensi silang:
- A2: AISI/SAE A2, ASTM A681 (spesifikasi kelas baja alat), EN 1.2363, JIS SKD11 (sering dipetakan berbeda di seluruh standar), GB T? (referensi silang regional bervariasi).
- D2: AISI/SAE D2, ASTM A681, EN 1.2379, JIS SKD11 (catatan penamaan JIS berbeda), GB T? (referensi silang regional bervariasi).
- Klasifikasi:
- A2: Baja alat pengerasan udara (baja paduan karbon tinggi, kromium-molibdenum); diklasifikasikan sebagai baja alat untuk kerja dingin.
- D2: Baja cetakan/baja alat karbon tinggi, kromium tinggi (kerja dingin, baja alat tahan aus tinggi); sering digambarkan sebagai baja alat paduan tinggi (tidak tahan karat dalam layanan praktis).
Catatan: Standar memiliki batasan kimia dan mekanik yang spesifik — konsultasikan standar yang berlaku untuk spesifikasi pengadaan dan instruksi perlakuan panas.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | A2 Tipikal (rentang nominal)* | D2 Tipikal (rentang nominal)* |
|---|---|---|
| C (Karbon) | 0.9–1.1% | 1.4–1.6% |
| Mn (Mangan) | 0.2–0.6% | 0.3–0.6% |
| Si (Silikon) | 0.2–0.6% | 0.2–0.6% |
| P (Fosfor) | ≤0.03% (jejak) | ≤0.03% (jejak) |
| S (Belerang) | ≤0.03% (jejak) | ≤0.03% (jejak) |
| Cr (Krom) | 4.0–5.0% | 11–13% |
| Ni (Nikel) | ≤0.3% (biasanya tidak ada) | ≤0.3% (biasanya tidak ada) |
| Mo (Molibdenum) | ~0.9–1.4% | ~0.7–1.5% |
| V (Vanadium) | 0.1–0.3% | 0.3–1.0% |
| Nb/Ti/B/N (jejak) | Biasanya tidak ada atau jejak | Biasanya tidak ada atau jejak |
*Rentang adalah komposisi tipikal nominal untuk baja alat A2 dan D2 komersial; persyaratan yang tepat harus merujuk pada standar pengadaan.
Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Karbon: Karbon yang lebih tinggi di D2 meningkatkan fraksi karbida dan kekerasan/ketahanan aus tetapi mengurangi ketangguhan matriks dan kemampuan pengelasan. A2 menggunakan karbon yang lebih rendah untuk mempertahankan martensit yang lebih tangguh/martensit yang dikeraskan. - Kromium: Kromium tinggi D2 membentuk karbida kromium keras yang melimpah (tipe M7C3/M23C6), mendorong ketahanan aus dan stabilitas dimensi tetapi mengurangi ketahanan korosi dan kemampuan pengelasan. Kromium sedang A2 meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan temper tanpa pembentukan karbida yang berlebihan. - Molibdenum dan vanadium: Mendorong kemampuan pengerasan dan membentuk karbida paduan halus yang tahan deformasi; V khususnya memperhalus karbida dan meningkatkan ketahanan aus di D2. - Elemen minor: Mn dan Si mempengaruhi deoksidasi dan kemampuan pengerasan; P dan S dijaga rendah untuk mempertahankan ketangguhan dan kemampuan mesin.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - A2 (setelah perlakuan panas yang tepat): Sebagian besar martensit yang dikeraskan dengan fraksi volume karbida paduan yang relatif rendah (karbida Mo/Cr/V halus). Kecenderungan pengerasan udara menghasilkan matriks martensitik yang seragam dengan dispersi karbida yang moderat. - D2 (setelah perlakuan panas yang tepat): Matriks martensitik yang banyak dihuni oleh karbida kromium kasar dan halus. Matriks mungkin lebih rapuh karena karbon yang lebih tinggi dan jaringan karbida yang lebih besar.
Perilaku perlakuan panas: - Annealing/soft anneal: Kedua baja dikeraskan sebelum pemesinan hingga kelembutan yang memungkinkan pembentukan — A2 dikeraskan hingga ductility yang relatif lebih tinggi dibandingkan D2 karena kandungan karbida yang lebih rendah. - Pengerasan (A2): A2 adalah pengerasan udara dan mencapai pengerasan penuh dengan austenitisasi yang hati-hati dan pendinginan udara; ia menunjukkan kontrol dimensi yang baik dan distorsi yang lebih sedikit dibandingkan dengan kelas yang dikeraskan dengan air. - Pengerasan (D2): D2 memerlukan kontrol suhu austenitisasi yang tepat untuk melarutkan karbida dengan tepat; pendinginan biasanya dalam minyak/udara tergantung pada ukuran bagian dan jadwal tempering. Kandungan karbida tinggi D2 membatasi jumlah karbon yang tersedia untuk martensit, tetapi martensit yang tersisa sangat keras. - Tempering: Tempering menukar kekerasan dengan ketangguhan. A2 umumnya mencapai kompromi ketangguhan-kekerasan yang lebih baik setelah tempering; D2 mempertahankan kekerasan lebih baik pada suhu tinggi karena penguatan karbida tetapi menghasilkan ketangguhan yang lebih rendah. - Masalah embrittlement temper dan austenit yang tersisa harus dikelola melalui siklus tempering, perlakuan sub-zero, dan perlakuan kriogenik jika diperlukan.
4. Sifat Mekanik
| Sifat | A2 (tipikal, tergantung perlakuan panas) | D2 (tipikal, tergantung perlakuan panas) |
|---|---|---|
| Kekuatan Tarik (perkiraan) | Sedang–tinggi (rentang layanan bervariasi luas; tergantung pada temper) | Tinggi (lebih tinggi dalam kondisi dikeraskan karena kekuatan karbida/matriks) |
| Kekuatan Luluh (perkiraan) | Sedang–tinggi | Lebih tinggi dari A2 dalam kondisi dikeraskan |
| Peregangan (%) | Lebih tinggi (ductility yang lebih baik dalam kondisi dikeraskan; misalnya, beberapa % dalam bagian yang dikeraskan untuk layanan) | Lebih rendah (ductility berkurang karena karbida; sering 1–4% dalam kondisi layanan yang dikeraskan) |
| Ketangguhan Impak (Charpy V, kualitatif) | Jauh lebih baik (lebih tahan terhadap pecah dan retak) | Lebih rendah (lebih rentan terhadap kegagalan rapuh di bawah impak) |
| Kekerasan (HRC, rentang layanan yang dikeraskan tipikal) | ~56–62 HRC (tergantung pada tempering) | ~58–64+ HRC (kekerasan permukaan yang lebih tinggi dapat dicapai) |
Catatan: - Angka absolut sangat tergantung pada jadwal perlakuan panas yang tepat, ketebalan bagian, dan tempering. Tabel ini menekankan kecenderungan relatif: D2 mencapai kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi; A2 memberikan ketangguhan dan ductility yang lebih baik untuk kekerasan nominal yang sama. - Untuk desain, pertimbangkan baik kekerasan permukaan maupun ketangguhan inti — A2 sering dipilih di mana risiko benturan/pecah ada; D2 dipilih untuk ketahanan aus.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan terutama dipengaruhi oleh ekuivalen karbon dan elemen paduan yang mendorong kemampuan pengerasan dan pembentukan karbida. Dua indeks empiris yang umum digunakan adalah:
Tampilkan ekuivalen karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Dan Pcm dari International Institute of Welding: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - Ekuivalen $CE_{IIW}$ atau $P_{cm}$ yang lebih tinggi menunjukkan kecenderungan yang lebih besar untuk pengerasan dan retak hidrogen di zona yang terpengaruh panas, dan oleh karena itu kemampuan pengelasan yang lebih buruk tanpa perlakuan panas sebelum/pasca pengelasan. - A2, dengan karbon dan paduan yang moderat, umumnya lebih mudah dilas dibandingkan D2 tetapi tetap memerlukan perlakuan panas, kontrol suhu antar-passing, dan tempering pasca pengelasan untuk alat yang kritis. - D2 memiliki kandungan karbon dan kromium yang tinggi yang meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ secara signifikan, meningkatkan risiko pembentukan martensit HAZ, retak, dan embrittlement jaringan karbida. Mengelas D2 adalah tantangan; praktik umum adalah menghindari pengelasan alat yang sudah jadi jika memungkinkan, atau menggunakan logam pengisi khusus, perlakuan panas, kontrol antar-passing, tempering pasca pengelasan, atau merancang sekitar pengikatan mekanis.
Rekomendasi praktis: - Untuk pengelasan perbaikan, gunakan proses hidrogen rendah, panaskan hingga suhu yang direkomendasikan, dan lakukan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) untuk menemper martensit dan mengurangi stres sisa. Pertimbangkan metode perbaikan alternatif (brazing, pengikatan adhesif, perbaikan mekanis) jika memungkinkan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik A2 maupun D2 tidak boleh dianggap tahan korosi dalam arti baja tahan karat untuk sebagian besar lingkungan layanan. Kandungan kromium D2 cukup tinggi untuk membentuk karbida kromium tetapi tidak untuk memberikan pasivasi yang dapat diandalkan di banyak lingkungan korosif — kromium terikat dalam karbida, mengurangi ketahanan korosi matriks.
- Metode perlindungan umum untuk kedua kelas: pengecatan, pelapisan bubuk, pelapisan (nikel, krom), fosfatasi, atau pelapisan pengorbanan lokal. Untuk alat yang terkena korosi di mana perilaku tahan karat diperlukan, pilih baja alat tahan karat atau terapkan pelapisan yang sesuai.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) relevan untuk kelas tahan karat: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini tidak berlaku secara umum untuk A2 atau D2 untuk prediksi korosi karena mikrostruktur karbon tinggi dan karbida mereka membatalkan asumsi di balik PREN.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Kemampuan mesin:
- Dalam kondisi yang dikeraskan (lunak), kedua baja dapat diproses dengan cukup baik; D2 dalam kondisi dikeraskan lebih sulit untuk diproses dibandingkan A2 karena volume karbida yang lebih tinggi.
- Dalam kondisi dikeraskan, D2 jauh lebih abrasif pada alat pemotong karena karbida kromium; umur alat lebih pendek dan umpan pemotongan harus dikurangi. A2 lebih mudah untuk diasah dan dipotong dalam kondisi dikeraskan.
- Kemampuan pembentukan/bending:
- Pembentukan dingin atau penarikan dalam dengan baja ini terbatas; A2 memberikan ketangguhan dan kinerja bending yang sedikit lebih baik dibandingkan D2 tetapi keduanya terutama digunakan untuk alat daripada operasi pembentukan.
- Penyelesaian permukaan:
- D2 lebih sulit untuk dipoles hingga tepi/penyelesaian yang halus karena karbida; A2 lebih mudah mencapai penyelesaian cermin yang lebih baik.
- EDM (Electro Discharge Machining): Kedua kelas umumnya diproses dengan EDM untuk geometri kompleks; karbida di D2 mungkin sedikit mempengaruhi laju keausan elektroda.
8. Aplikasi Tipikal
| A2 – Penggunaan Tipikal | D2 – Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Pukulan serbaguna, cetakan untuk produksi jangka pendek hingga menengah | Cetakan stamping untuk produksi jangka panjang, cetakan blanking di mana aus mendominasi |
| Bilah pemotong, alat trim di mana umur tepi dan ketangguhan sama-sama penting | Piringan tahan aus, pisau pemotong yang memerlukan ketahanan abrasi tinggi |
| Cetakan pembentukan dingin di mana ketahanan terhadap deformasi dan stabilitas dimensi diperlukan | Bilah pemotong, alat ekstrusi untuk bahan abrasif |
| Broaches, alat pembentuk dengan beban benturan intermiten | Pisau industri tahan aus tinggi, alat pemotong die-cast di mana aus > kekhawatiran retak |
Alasan pemilihan: - Pilih A2 ketika alat terkena benturan, guncangan, atau beban intermiten di mana risiko pecah atau retak ada, atau ketika pemesinan/polishing hilir signifikan. - Pilih D2 ketika aus abrasif mendominasi dan umur tepi terpanjang yang mungkin diperlukan, menerima kebutuhan untuk perlakuan panas yang hati-hati dan risiko kegagalan rapuh yang lebih tinggi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: D2 biasanya lebih mahal per kilogram dibandingkan A2 karena kandungan paduan yang lebih tinggi (terutama kromium dan vanadium). Biaya pemrosesan (perlakuan panas, penggilingan) untuk D2 juga bisa lebih tinggi karena keausan karbida abrasif.
- Ketersediaan: Kedua kelas tersedia luas dalam bentuk pelat, batang, dan blank alat yang telah dipanaskan sebelumnya dari pemasok baja alat utama. Bentuk dan ukuran produk standar biasanya tersedia; ukuran khusus atau bagian yang diperlakukan panas dengan spesifikasi ketat dapat meningkatkan waktu pengiriman.
- Tip pengadaan: Pertimbangkan total biaya siklus hidup (waktu henti penggantian alat, siklus penggilingan ulang, limbah) — biaya awal D2 yang lebih tinggi dapat diimbangi dengan umur pakai yang lebih lama dalam layanan abrasif.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | A2 | D2 |
|---|---|---|
| Kemampuan Pengelasan | Lebih baik (masih memerlukan perhatian) | Lebih buruk (CE tinggi, sulit dilas) |
| Seimbang Kekuatan–Ketangguhan | Baik (ketangguhan lebih tinggi pada kekerasan yang sebanding) | Kekerasan tinggi / ketahanan aus tetapi ketangguhan lebih rendah |
| Biaya (tipikal) | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Kesimpulan: - Pilih A2 jika Anda memerlukan baja alat yang seimbang dengan ketangguhan yang baik, ketahanan aus yang wajar, kemampuan mesin yang lebih baik dalam kondisi dikeraskan dan lunak, serta perlakuan panas yang lebih mudah — cocok untuk alat yang terkena benturan, risiko pecah, atau di mana penyelesaian permukaan dan stabilitas dimensi menjadi prioritas. - Pilih D2 jika ketahanan aus maksimum dan retensi tepi adalah persyaratan utama untuk produksi jangka panjang, dan Anda dapat menerima ketangguhan yang berkurang, pemesinan/penyelesaian yang lebih sulit, serta protokol perlakuan panas dan perbaikan yang lebih ketat.
Rekomendasi akhir: Spesifikasikan kelas yang sesuai dengan mode kegagalan dominan dari aplikasi Anda. Jika pecah/retak membatasi umur, prioritaskan A2; jika aus abrasif mendominasi siklus hidup, prioritaskan D2 — dan pastikan perlakuan panas, fixture, dan strategi perbaikan direncanakan sesuai.