GCr15 vs GCr15Mo – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

GCr15 dan GCr15Mo adalah dua baja bantalan yang sangat terkait yang biasanya ditentukan untuk bantalan elemen bergulir, poros, dan komponen lain yang rentan terhadap kontak tinggi dan keausan. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana produksi secara rutin mempertimbangkan trade-off seperti biaya, umur lelah, kemampuan pengerasan, dan pemrosesan pasca-welding saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum termasuk memilih material yang paling hemat biaya untuk bantalan standar versus menentukan baja yang sedikit lebih paduan ketika ketahanan terhadap tempering yang lebih tinggi atau kinerja lelah yang lebih baik diperlukan.

Perbedaan teknis utama adalah penambahan molibdenum dalam GCr15Mo; elemen paduan ini meningkatkan kemampuan pengerasan dan memperbaiki ketahanan tempering, yang dapat diterjemahkan menjadi kinerja lelah yang lebih baik di bawah stres kontak tinggi. Karena komposisi dan perlakuan panas mengatur mikrostruktur, kedua grade sering dibandingkan untuk dimensi dan kondisi beban yang identik untuk menentukan apakah biaya material marginal untuk molibdenum dibenarkan.

1. Standar dan Penunjukan

• GB (Cina): GCr15, GCr15Mo (atau GCr15SiMn dalam varian)
• JIS (Jepang) / ekuivalen AISI: GCr15 ≈ JIS SUJ2 / AISI 52100 (baja bantalan)
• EN: Ekuivalen EN ISO sering dirujuk sebagai 1.3505 (52100) untuk baja seperti GCr15; ekuivalen yang mengandung Mo dapat diklasifikasikan di bawah nomor EN lain tergantung pada kimia dan penamaan yang tepat
• ASTM/ASME: Tidak ada penunjukan ASTM yang tepat untuk GCr15; AISI 52100 biasanya digunakan dalam konteks internasional

Klasifikasi: - Kedua grade adalah baja bantalan krom karbon tinggi (baja alat/bantalan bergulir), bukan baja tahan karat atau HSLA. GCr15 adalah baja paduan krom karbon tinggi; GCr15Mo adalah kimia dasar yang sama dengan penambahan molibdenum yang terkontrol (peningkatan paduan).

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Elemen	GCr15 Tipikal (rentang representatif)	GCr15Mo Tipikal (rentang representatif)
C	0.95 – 1.05 wt%	0.95 – 1.05 wt%
Mn	0.25 – 0.45 wt%	0.25 – 0.45 wt%
Si	0.15 – 0.35 wt%	0.15 – 0.35 wt%
P	≤ 0.025 wt%	≤ 0.025 wt%
S	≤ 0.025 wt%	≤ 0.025 wt%
Cr	1.30 – 1.65 wt%	1.30 – 1.65 wt%
Ni	≤ 0.30 wt%	≤ 0.30 wt%
Mo	~ 0 wt% (jejak)	0.06 – 0.25 wt% (rentang tipikal)
V, Nb, Ti, B, N	Biasanya dikendalikan pada tingkat rendah; dapat hadir dalam jumlah mikro-paduan jejak tergantung pada pemasok	Sama, dengan Mo sebagai penambahan utama yang disengaja

Catatan: Tabel memberikan rentang representatif yang biasanya ditemukan dalam lembar data pemasok dan standar nasional. Batasan yang tepat tergantung pada standar spesifik dan produsen; selalu konsultasikan spesifikasi material yang berlaku untuk pengadaan.

Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Karbon (C): Menyediakan matriks untuk pembentukan martensit dan kekerasan tinggi setelah pendinginan; karbon yang lebih tinggi meningkatkan kekerasan yang dapat dicapai dan ketahanan terhadap keausan tetapi mengurangi kemampuan pengelasan dan keuletan. - Kromium (Cr): Meningkatkan kemampuan pengerasan, ketahanan terhadap keausan, dan perilaku tempering; 1–1.6% Cr adalah tipikal untuk baja bantalan klasik. - Mangan (Mn) dan Silikon (Si): Deoksidator dan penambahan paduan yang secara moderat mempengaruhi kemampuan pengerasan dan kekuatan. - Molybdenum (Mo): Meningkatkan kemampuan pengerasan dan memperbaiki ketahanan terhadap tempering (yaitu, mempertahankan ketangguhan dan kekerasan pada suhu tempering yang tinggi). Mo juga memperhalus perilaku pengerasan sekunder dan dapat meningkatkan umur lelah kontak bergulir. - Sulfur dan fosfor dikendalikan pada tingkat rendah untuk menghindari kerapuhan dan mempertahankan kinerja lelah.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur awal dan respons yang tipikal:

• Kondisi Annealed / Soft‑annealed:
• Kedua grade biasanya disuplai dalam keadaan soft‑annealed untuk pemesinan, menghasilkan karbida spheroidized dalam matriks ferritik. Ini meningkatkan kemampuan pemesinan dan formabilitas sebelum pengerasan akhir.
• Kondisi Quenched dan tempered:
• Setelah austenitizing dan pendinginan minyak atau terkontrol, kedua baja membentuk matriks martensitik yang didominasi dengan partikel karbida (terutama karbida krom dan semen). Tempering mengurangi stres internal dan menyesuaikan keseimbangan kekerasan–ketangguhan.
• GCr15Mo menunjukkan ketahanan tempering yang sedikit lebih baik: setelah tempering pada suhu tertentu, kekerasan yang dipertahankan dan kecenderungan pengerasan sekunder meningkat dibandingkan dengan GCr15 biasa. Ini memungkinkan GCr15Mo untuk mempertahankan mikrostruktur yang lebih tangguh dan kurang over-tempered pada suhu tempering yang tinggi atau selama paparan suhu operasi yang lebih tinggi.
• Normalisasi dan pemrosesan thermo‑mechanical:
• Normalisasi memperhalus ukuran butir di kedua grade; keberadaan Mo memperlambat rekristalisasi dan dapat membantu menekan pertumbuhan butir selama siklus suhu tinggi, membantu dalam komponen yang lebih besar yang memerlukan kemampuan pengerasan yang dalam.
• Kemampuan pengerasan:
• GCr15Mo menunjukkan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dibandingkan GCr15 karena Mo; ini sangat menguntungkan untuk penampang yang lebih besar di mana pengerasan menyeluruh diperlukan untuk mencapai kekerasan inti yang konsisten dan ketahanan lelah.

4. Sifat Mekanis

Sifat mekanis representatif setelah siklus pendinginan dan tempering yang tipikal (nilai adalah rentang pedoman; pemasok dan perlakuan panas menghasilkan nilai spesifik):

Sifat	GCr15 (tipikal setelah Q&T)	GCr15Mo (tipikal setelah Q&T)
Kekuatan tarik (MPa)	1400 – 2100	1500 – 2200
Kekuatan luluh (MPa)	800 – 1400	900 – 1500
Peregangan (%)	4 – 12	4 – 12 (rentang serupa; dapat sedikit lebih tinggi pada kekerasan yang sama)
Ketangguhan impak (Charpy, J)	Sangat tergantung pada perlakuan panas; rendah pada kekerasan yang sangat tinggi (angka tunggal hingga 20-an)	Biasanya sebanding atau sedikit lebih baik pada kekerasan yang setara karena Mo meningkatkan ketahanan tempering
Kekerasan (HRC)	58 – 66 (kondisi jalur bantalan/dikeraskan)	58 – 66 (dapat mencapai kekerasan serupa dengan stabilitas tempering yang lebih baik)

Interpretasi: - Kekuatan: Kedua grade dapat mencapai kekerasan puncak dan kekuatan tarik yang serupa setelah pengerasan yang tepat. GCr15Mo cenderung memberikan kekuatan yang dipertahankan sedikit lebih tinggi dalam layanan atau setelah tempering yang lebih tinggi karena Mo. - Ketangguhan: Pada tingkat kekerasan yang setara, GCr15Mo biasanya menawarkan ketahanan lelah dan ketangguhan yang sedikit lebih baik karena Mo menstabilkan martensit yang ditemper dan memperlambat pelunakan selama tempering — menguntungkan untuk kelelahan kontak bergulir. - Ductility: Keduanya mempertahankan ductility rendah pada tingkat kekerasan tinggi; desain harus mempertimbangkan plastisitas terbatas dalam komponen bantalan.

5. Kemampuan Pengelasan

Kemampuan pengelasan terutama dipengaruhi oleh kandungan karbon dan elemen paduan yang memicu kemampuan pengerasan. Baik GCr15 maupun GCr15Mo adalah baja bantalan karbon tinggi dan dianggap sulit untuk dilas tanpa prosedur khusus.

Dua rumus empiris kemampuan pengelasan yang umum:

• IIW Carbon Equivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Rumus Pcm Internasional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - Kedua grade memiliki $C$ tinggi dan Cr yang tidak dapat diabaikan; penambahan Mo dalam GCr15Mo meningkatkan istilah $(Cr+Mo+V)$ dalam $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$, sehingga GCr15Mo umumnya memberikan ekuivalen karbon yang lebih tinggi dan oleh karena itu kecenderungan yang lebih tinggi untuk pengerasan dan retak yang diinduksi pengelasan. - Implikasi praktis: pemanasan awal, suhu interpass yang terkontrol, bahan habis pakai rendah-hidrogen, dan perlakuan panas pasca-welding (PWHT) biasanya diperlukan. Untuk komponen kritis, metode penyambungan alternatif (pengencangan mekanis atau pengikatan adhesif di zona non-beban) atau fitur pemesinan yang dirancang untuk menghindari sambungan las adalah hal yang umum. - Rekomendasi: hindari pengelasan untuk permukaan yang menanggung beban, kelelahan tinggi, atau jalur bantalan kapan pun memungkinkan. Jika pengelasan tidak dapat dihindari, konsultasikan spesifikasi prosedur pengelasan dan lakukan PWHT untuk memulihkan ductility dan mengurangi stres residual.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Baik GCr15 maupun GCr15Mo bukanlah baja tahan karat; mereka memiliki ketahanan korosi yang terbatas di lingkungan basah atau korosif.
• Metode perlindungan standar:
• Penyelesaian permukaan mekanis (polishing, superfinishing) untuk meminimalkan lokasi inisiasi untuk kelelahan korosi.
• Pelapisan: elektroplating, thermal spray, physical vapor deposition (PVD) untuk lingkungan keausan/korosi, dan galvanisasi seng atau pengecatan untuk perlindungan korosi umum.
• Karburisasi permukaan atau pengerasan induksi kadang-kadang digunakan untuk permukaan kontak; ini memerlukan desain proses untuk mempertahankan ketangguhan inti.
• Rumus PREN tidak berlaku untuk baja non-tahan karat ini, tetapi untuk kejelasan: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini digunakan untuk grade tahan karat untuk mengukur ketahanan terhadap pitting; ini tidak berlaku secara berarti untuk baja bantalan karbon tinggi dengan hanya ~1–1.6% Cr.

7. Fabrikasi, Kemampuan Pemesinan, dan Formabilitas

• Kemampuan pemesinan:
• Dalam kondisi annealed (soft‑annealed), kedua baja dapat diproses; kekerasan pra-pengerasan yang tipikal dijaga rendah melalui spheroidization. GCr15Mo mungkin sedikit kurang dapat diproses jika tidak sepenuhnya spheroidized karena karbida yang distabilkan oleh Mo.
• Setelah pengerasan, kemampuan pemesinan buruk; penggilingan, pemotongan keras, dan superfinishing adalah operasi penyelesaian utama.
• Formabilitas:
• Pembentukan dingin terbatas karena karbon tinggi; pembentukan panas atau penempaan dalam rentang suhu yang sesuai adalah standar untuk memproduksi blank sebelum perlakuan panas akhir.
• Penyelesaian permukaan:
• Penggilingan dan superfinishing adalah tipikal untuk permukaan bantalan; GCr15Mo mungkin memerlukan siklus tempering/penyelesaian yang sedikit berbeda untuk mencapai integritas permukaan yang setara karena respons tempering-nya.

8. Aplikasi Tipikal

GCr15 (penggunaan tipikal)	GCr15Mo (penggunaan tipikal)
Bantalan bola alur dalam, bantalan rol, cincin dan bola bantalan untuk mesin industri umum	Bantalan berat (turbin angin, gearbox industri besar), bantalan kelelahan tinggi
Poros, spindle, dan kerah yang dikeraskan untuk alat mesin dan peralatan rotasi kecil	Bantalan dan komponen di mana kemampuan pengerasan yang lebih tinggi atau stabilitas tempering yang lebih baik diperlukan (bagian yang lebih tebal)
Gigi kecil, poros presisi, dan suku cadang yang aus untuk tugas sedang	Komponen driveline otomotif dan jurnal yang lebih besar yang terkena stres kontak siklik
Aplikasi di mana sensitivitas biaya dan ketersediaan luas adalah prioritas	Aplikasi di mana peningkatan kinerja marginal dalam umur lelah membenarkan biaya material yang sedikit lebih tinggi

Rasional pemilihan: - Pilih GCr15 ketika sensitivitas biaya, ukuran bantalan standar, dan rute perlakuan panas yang sudah mapan adalah prioritas. - Pilih GCr15Mo ketika penampang yang lebih besar, suhu tempering yang lebih tinggi, atau peningkatan kecil dalam umur lelah kontak bergulir membenarkan biaya paduan tambahan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya: GCr15 umumnya lebih murah daripada GCr15Mo karena tidak memiliki penambahan molibdenum yang disengaja. Molybdenum adalah elemen paduan yang lebih mahal dan menambah harga material.
• Ketersediaan: GCr15 diproduksi secara luas dan disimpan dalam bentuk produk bantalan umum (batang, cincin, preform). GCr15Mo juga tersedia secara luas tetapi mungkin diproduksi berdasarkan pesanan untuk bentuk produk tertentu atau kontrol kimia yang lebih ketat.
• Bentuk produk: Kedua grade tersedia dalam bentuk batang, cincin, blank, dan forging; waktu tunggu dapat meningkat untuk item besar atau volume rendah yang memerlukan kimia khusus atau kontrol inklusi yang lebih ketat.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel ringkasan (kualitatif):

Karakteristik	GCr15	GCr15Mo
Kemampuan pengelasan	Buruk (C tinggi, perlu pemanasan awal/PWHT)	Sedikit lebih buruk (CE lebih tinggi karena Mo)
Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan	Kekerasan tinggi dapat dicapai; kinerja lelah yang baik pada bagian standar	Serupa atau sedikit lebih baik dalam ketahanan lelah dan tempering, terutama pada bagian yang lebih tebal
Biaya	Lebih rendah	Lebih tinggi (karena Mo)
Ketersediaan	Sangat baik	Sangat baik, kadang lebih terkontrol spesifikasi

Rekomendasi akhir: - Pilih GCr15 jika Anda memerlukan baja bantalan yang terbukti baik dan hemat biaya untuk elemen bergulir dan komponen berukuran standar di mana kemampuan pengerasan dan kinerja lelah standar sudah cukup. - Pilih GCr15Mo jika aplikasi melibatkan bagian yang lebih tebal, suhu tempering yang lebih tinggi, bantalan atau komponen yang lebih besar yang memerlukan ketahanan tempering yang lebih baik dan umur lelah kontak bergulir, atau di mana pengerasan menyeluruh yang konsisten sangat penting dan membenarkan biaya material yang sedikit lebih tinggi.

Catatan praktis: pemilihan material akhir harus selalu divalidasi dengan geometri komponen spesifik, spektrum beban operasi, persyaratan penyelesaian permukaan, dan siklus perlakuan panas yang tepat. Konsultasikan sertifikat material pemasok dan lakukan pengujian kelelahan atau ketahanan yang representatif untuk aplikasi ketika kinerja siklus hidup sangat penting.