D3 vs D2 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

D2 dan D3 adalah baja alat kerja dingin yang banyak digunakan, dipilih untuk pisau, cetakan, bilah pemotong, dan bagian yang mengalami keausan di mana ketahanan terhadap abrasi sangat penting. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur berulang kali menghadapi pilihan antara baja alat dengan krom tinggi dan karbon tinggi yang sedikit berbeda saat menentukan komponen yang harus menyeimbangkan umur pakai, retensi tepi, kemampuan manufaktur, dan biaya.

Perbedaan operasional utama antara kedua jenis adalah bahwa satu memiliki proporsi karbida pengerasan yang lebih tinggi (didorong oleh lebih banyak karbon dan elemen pembentuk karbida) dengan mengorbankan ketangguhan bulk, sementara yang lain menyeimbangkan ketahanan aus yang tinggi dengan ketangguhan dan stabilitas dimensi yang sedikit lebih baik. Karena keduanya sering tersedia dalam bentuk produk yang serupa (batang, pelat, dan blanko yang telah dipanaskan sebelumnya) mereka biasanya dibandingkan dalam desain karena perubahan kecil dalam kimia atau perlakuan panas dapat secara material mengubah umur layanan, risiko kegagalan rapuh, dan biaya fabrikasi hilir.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar umum di mana D2 dan D3 muncul:
• ASTM / ASME: A681 (baja alat), referensi seri A600 untuk spesifikasi baja alat
• EN: Penunjukan baja alat EN ISO (ekivalen dapat bervariasi)
• JIS: Standar Industri Jepang (kelas baja alat)
• GB: standar Cina untuk baja alat
• Klasifikasi:
• Kedua D2 dan D3 adalah baja alat kerja dingin dengan karbon tinggi dan krom tinggi (keluarga baja alat, tipe “D” — kerja dingin, krom tinggi).
• Mereka bukan baja alat tahan karat dalam arti tahan korosi, juga bukan baja karbon HSLA atau struktural.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

• Tabel berikut memberikan rentang komposisi tipikal yang digunakan dalam industri. Nilai pasti tergantung pada spesifikasi atau pembuat panas; anggap rentang tersebut sebagai representatif daripada preskriptif.

Catatan: - D2 biasanya menargetkan keseimbangan antara krom tinggi dan molibdenum sedang dengan vanadium yang moderat; ia membentuk campuran karbida kompleks (terutama tipe M7C3, M23C6 dan MC). - D3 umumnya mengandung lebih banyak karbon dan sering kali lebih banyak vanadium atau pembentuk karbida lainnya dalam proporsi yang meningkatkan karbida primer (besar) dan fraksi volume keseluruhan karbida keras, yang meningkatkan ketahanan abrasi tetapi mengurangi ketangguhan matriks.

Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon, Cr, V, Mo: mempengaruhi fraksi volume karbida, kekerasan, dan kemampuan pengerasan. Lebih banyak karbon dan vanadium → karbida yang lebih stabil dan keras → ketahanan aus yang lebih tinggi. - Krom pada level 11–14% meningkatkan kemampuan pengerasan dan mendorong pembentukan karbida tetapi tidak memberikan kinerja tahan karat untuk kelas ini (matriks kontinu masih rentan terhadap korosi tanpa pelapisan pelindung). - Molibdenum dan vanadium memperhalus ukuran dan distribusi karbida serta meningkatkan pengerasan sekunder dan ketahanan temper.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

• Mikrostruktur tipikal:
• Kedua jenis dalam kondisi yang dinormalisasi memiliki matriks feritik (atau bainitik tergantung pada pemrosesan) dengan dispersi karbida kaya krom. D3 cenderung menunjukkan fraksi volume yang lebih tinggi dari karbida primer yang lebih besar karena kandungan karbon dan/atau pembentuk karbida yang lebih tinggi.
• Perilaku perlakuan panas:
• D2: pengerasan udara; merespons dengan baik terhadap pemanasan awal, austenitisasi (biasanya dalam rentang 1000–1020 °C tergantung pada pedoman pemasok), pendinginan lambat untuk meminimalkan distorsi, dan siklus temper untuk menargetkan kekerasan dan ketangguhan yang diinginkan. D2 menunjukkan stabilitas dimensi yang baik ketika didinginkan dalam udara diam atau minyak, dan mengembangkan pengerasan sekunder dari paduan Mo/V.
• D3: memerlukan kontrol yang hati-hati terhadap austenitisasi dan temper karena fraksi karbida yang lebih tinggi mengurangi volume matriks yang ductile. Ia dapat mencapai kekerasan yang lebih tinggi saat temper tetapi lebih sensitif terhadap retak selama pendinginan/temper dan dapat menunjukkan kerentanan yang lebih besar terhadap kegagalan rapuh yang katastrofik jika temper tidak memadai.
• Rute pemrosesan:
• Normalisasi/perbaikan: keduanya mendapat manfaat dari siklus normalisasi yang tepat untuk memecah karbida yang dicetak dan menciptakan ukuran butir austenit yang lebih seragam sebelumnya.
• Pengolahan termo-mekanis: kontrol butir halus dan homogenisasi mengurangi risiko karbida primer besar bertindak sebagai situs inisiasi retak, yang sangat penting untuk D3.

4. Sifat Mekanik

• Nilai sangat tergantung pada target perlakuan panas (kekerasan) dan bentuk produk. Tabel di bawah ini merangkum rentang tipikal yang dikuatkan/ditemper yang digunakan dalam praktik produksi.

Interpretasi: - D3 biasanya mencapai kekerasan tepi dan ketahanan aus yang lebih tinggi karena kandungan karbida yang lebih tinggi dan tingkat karbon keseluruhan yang lebih tinggi, tetapi ini mengorbankan ductility dan ketangguhan impak. - D2 biasanya dipilih di mana keseimbangan yang lebih kuat antara ketangguhan dan ketahanan aus diperlukan; ia akan kurang rentan terhadap pecah atau kegagalan rapuh dalam banyak aplikasi alat kerja dingin.

5. Kemampuan Las

• Kemampuan las dibatasi oleh karbon tinggi dan paduan pembentuk karbida yang kuat di kedua jenis yang mendorong zona terpengaruh panas (HAZ) yang keras dan rapuh serta retak jika prosedur tidak dikendalikan.
• Dua indeks kemampuan las empiris yang umum digunakan:
• Setara karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm (parameter kemampuan las): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Interpretasi kualitatif:
• Kedua D2 dan D3 biasanya memberikan nilai $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang tinggi relatif terhadap baja lunak; karbon yang lebih tinggi dan Cr/Mo/V yang lebih tinggi mendorong indeks ke atas, menunjukkan kebutuhan pemanasan awal, kontrol suhu antar proses, dan perlakuan panas pasca-las yang lebih ketat.
• D3 (karbon lebih tinggi dan mungkin lebih banyak V) biasanya akan memiliki peringkat kemampuan las yang lebih buruk dibandingkan D2 dan sering kali memerlukan pemanasan awal yang lebih agresif, prosedur pengelasan dengan input panas yang lebih rendah, atau menghindari pengelasan dengan pengencangan mekanis atau material pengganti untuk rakitan yang dilas.
• Panduan praktis: pengelasan perbaikan harus dilakukan hanya oleh pengelas yang berkualitas dengan prosedur tertentu (pemanasan awal yang terkontrol, peening yang dibatasi dihindari, paduan pengisi yang sesuai, dan tempering pasca-las/stress-relief).

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Baik D2 maupun D3 bukanlah baja tahan karat yang tahan korosi meskipun memiliki kandungan krom yang substansial. Mereka akan berkarat di lingkungan lembab atau berair kecuali dilindungi.
• Strategi perlindungan umum:
• Pelapis pelindung: pengecatan, pelapisan bubuk, atau pelapis tahan aus khusus (misalnya, krom keras, PVD pada permukaan sub-kritis).
• Galvanisasi dimungkinkan untuk beberapa bentuk tetapi tidak biasa untuk komponen baja alat karena pelapisan seng mungkin tidak bertahan terhadap keausan berat dan siklus tempering suhu tinggi.
• Pelumasan dan lingkungan yang terkontrol memperpanjang umur layanan untuk alat.
• Indeks PREN tidak berlaku di sini karena ini bukan kelas tahan karat yang dirancang untuk ketahanan korosi, tetapi untuk referensi: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Perhitungan PREN yang tipikal hanya berarti untuk kelas stainless austenitik/dupleks, bukan untuk baja alat kerja dingin seri D.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas

• Kemampuan mesin:
• Keduanya lebih sulit untuk diproses dibandingkan baja paduan rendah; pemesinan biasanya dilakukan dalam keadaan dinormalisasi. D3 biasanya lebih abrasif pada alat karena fraksi volume karbida yang lebih tinggi dan mungkin memerlukan umpan yang lebih lambat, alat yang lebih berat, dan perubahan alat yang lebih sering.
• Formabilitas:
• Pembentukan dingin terbatas dalam kondisi yang diperlakukan panas; pembentukan harus dilakukan dalam keadaan dinormalisasi. Kandungan karbida D3 yang lebih tinggi mengurangi ductility dan formabilitas dibandingkan D2.
• Penggilingan dan penyelesaian:
• D3 membutuhkan strategi penggilingan yang lebih agresif dan abrasif berkualitas lebih tinggi karena karbida mengurangi umur abrasif dan dapat menyebabkan roda yang mengkilap.
• Penyelesaian permukaan:
• Polishing hingga hasil akhir yang halus dapat dicapai tetapi mungkin memerlukan beberapa langkah grit; penarikan karbida menjadi perhatian jika penggilingan/panas yang tidak tepat diterapkan.

8. Aplikasi Tipikal

Rasional pemilihan: - Pilih jenis berdasarkan apakah layanan memerlukan ketahanan terhadap keausan abrasif (lebih memilih kandungan karbida yang lebih tinggi) atau membutuhkan ketahanan terhadap pecah dan patah di bawah beban kejutan (lebih memilih opsi yang lebih tangguh, dengan fraksi matriks yang sedikit lebih rendah). - Pertimbangkan pemrosesan hilir: jika pengelasan, pembentukan, atau pembengkokan ketat diperlukan, opsi yang kurang kaya karbida mengurangi risiko fabrikasi.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya:
• D3 sering kali sedikit lebih mahal per kg dibandingkan D2 karena kandungan paduan yang lebih tinggi dan kesulitan pemrosesan yang meningkat (lebih sulit untuk diproses dan digiling). Namun, perbedaannya biasanya moderat dan tergantung pasar.
• Ketersediaan:
• Keduanya adalah baja alat yang matang dan banyak diproduksi serta umumnya tersedia dalam bentuk produk umum (batang, datar, blanko yang telah dipanaskan sebelumnya). Waktu tunggu dapat bervariasi berdasarkan ukuran, penyelesaian, dan kimia khusus.
• Total biaya kepemilikan:
• Pertimbangkan siklus hidup: komponen D3 yang lebih mahal yang bertahan jauh lebih lama antara penggilingan ulang atau penggantian mungkin lebih ekonomis meskipun biaya awalnya lebih tinggi.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Rekomendasi: - Pilih D2 jika Anda membutuhkan kompromi praktis antara ketahanan aus yang tinggi dengan ketangguhan yang lebih baik, fabrikasi yang lebih mudah, dan risiko pecah yang lebih rendah — tipikal untuk alat kerja dingin tujuan umum (gunting, cetakan, pisau) di mana ketahanan terhadap dampak sesekali diperlukan. - Pilih D3 jika memaksimalkan ketahanan terhadap keausan abrasif dan retensi tepi adalah tujuan utama dan desain atau proses dapat mentolerir ketangguhan yang berkurang serta kontrol fabrikasi/pengelasan yang lebih ketat — tipikal untuk cetakan blanking jangka panjang dan volume tinggi di mana penggilingan ulang mahal dan pecah adalah trade-off yang diterima.

Catatan akhir: kinerja yang tepat tergantung pada kimia yang tepat, siklus perlakuan panas, dan geometri komponen. Untuk aplikasi kritis, validasi baja kandidat dengan lembar data perlakuan panas pemasok, komponen percobaan, dan di mana sesuai, pengujian keausan dan patah di bawah kondisi yang mewakili layanan.