GCr15 vs ZGCr15 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pendahuluan

GCr15 dan ZGCr15 adalah dua baja bantalan krom tinggi karbon yang saling terkait dan sering ditemui oleh desainer, perencana manufaktur, manajer pengadaan, dan metalurgis. Dilema pemilihan biasanya berpusat pada kinerja kelelahan dan keausan versus geometri komponen dan efisiensi produksi: satu varian dioptimalkan sebagai baja bantalan yang ditempa/diforged dengan kontrol kebersihan dan mikrostruktur yang ketat, sementara yang lainnya diproduksi sebagai varian cor yang ditujukan untuk bentuk yang lebih besar atau kompleks di mana pengecoran menawarkan keuntungan biaya atau manufaktur. Kedua kelas dibandingkan karena secara nominal memiliki komposisi paduan yang sama tetapi berbeda dalam jalur produksi dan mikrostruktur, kinerja mekanis, dan batasan pemrosesan yang dihasilkan.

Insinyur mengevaluasi kelas-kelas ini saat menentukan bantalan, rol, poros, rumah, atau komponen keausan besar di mana biaya, pengiriman, umur kelelahan, dan kemampuan mesin harus dipertimbangkan satu sama lain.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar utama yang merujuk pada kimia dan aplikasi ini termasuk: GB (standar nasional Tiongkok), JIS (Standar Industri Jepang), dan konvensi baja bantalan internasional di mana GCr15 diakui secara luas sebagai penunjukan Tiongkok yang sesuai dengan baja bantalan yang mirip dengan AISI 52100. Standar ASTM/ASME dan EN tidak menggunakan label GCr15 yang tepat tetapi menggunakan penunjukan baja bantalan yang setara dalam sistem tersebut.
• Klasifikasi berdasarkan keluarga:
• GCr15: Baja bantalan krom tinggi karbon (paduan tipe ditempa/alat yang digunakan untuk bantalan).
• ZGCr15: Varian cor dari komposisi paduan nominal yang sama yang ditujukan untuk komponen cor (baja karbon-krom cor).

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: strategi paduan tipikal dan keberadaan elemen untuk setiap kelas

Elemen	GCr15 (strategi tipikal)	ZGCr15 (varian cor — strategi tipikal)
C	Karbon tinggi — elemen penguat utama untuk keausan dan kemampuan pengerasan martensitik
Mn	Ada pada tingkat rendah hingga sedang untuk membantu kemampuan pengerasan dan deoksidasi
Si	Rendah hingga sedang; bertindak sebagai deoksidator dan mempengaruhi fluiditas pada varian cor
P	Dijaga rendah (kontrol kotoran) untuk kinerja kelelahan
S	Dijaga rendah; terkadang sedikit lebih tinggi pada varian cor tetapi dikontrol untuk menghindari embrittlement
Cr	Penambahan paduan utama (≈1–2%) untuk meningkatkan kemampuan pengerasan, ketahanan terhadap keausan dan tempering
Ni	Tidak biasanya ditambahkan
Mo	Tidak biasanya ditambahkan dalam versi standar; mungkin ada dalam varian yang dimodifikasi
V	Tidak biasanya ditambahkan dalam kelas dasar; terkadang mikro paduan dalam varian khusus
Nb, Ti, B	Tidak umum dalam kelas standar; mungkin muncul dalam pembuatan baja khusus untuk kontrol butir
N	Bukan penambahan paduan desain; dikontrol untuk menghindari nitride yang mempengaruhi kemampuan mesin

Catatan: - Strategi paduan untuk kedua kelas berfokus pada karbon tinggi dan krom untuk memungkinkan matriks martensitik yang dapat dikeraskan yang cocok untuk kelelahan kontak bergulir dan ketahanan terhadap keausan. - Varian cor dapat memiliki penyesuaian kecil yang disengaja (misalnya, silikon sedikit lebih tinggi untuk fluiditas pengecoran atau praktik deoksidasi yang dimodifikasi), tetapi filosofi paduan secara keseluruhan adalah sama: C tinggi + ~1,3–1,6% Cr dengan elemen pengotor rendah.

Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Karbon meningkatkan kekerasan yang dapat dicapai dan ketahanan terhadap keausan tetapi mengurangi kemampuan pengelasan dan meningkatkan kemampuan pengerasan. - Krom meningkatkan kemampuan pengerasan, retensi kekerasan pada tempering, dan ketahanan terhadap keausan tetapi tidak cukup pada tingkat yang digunakan untuk memberikan ketahanan terhadap korosi. - Tingkat Mn dan Si yang rendah seimbang dengan kemampuan pengerasan dan kontrol inklusi. P atau S yang berlebihan mengurangi umur kelelahan dan ketangguhan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur di bawah jalur pemrosesan standar: - GCr15 (ditempa/diforged/digulung): Biasanya diproses untuk memperhalus dan menghomogenkan austenit sebelum pendinginan. Setelah perlakuan panas standar (austenitisasi, pendinginan minyak/air, dan tempering), mikrostruktur yang diharapkan adalah martensit yang dikeraskan dengan distribusi karbida yang halus dan terkontrol (karbida Fe‑Cr). Penempaan dan penggulungan memecah segregasi cor dan mengurangi inklusi non-logam yang besar, meningkatkan ketahanan terhadap kelelahan. - ZGCr15 (cor): Mikrostruktur as-cast mengandung segregasi dendritik, karbida as-cast, dan kemungkinan lebih tinggi dari inklusi non-logam yang lebih besar atau porositas jika tidak dikontrol dengan baik. Perlakuan panas selanjutnya (normalisasi, pendinginan & tempering, dan terkadang annealing untuk kemampuan mesin) dapat mengubah matriks menjadi martensit yang dikeraskan, tetapi beberapa cacat cor dan jaringan karbida mungkin tetap ada dan membatasi kinerja kelelahan dibandingkan dengan material yang ditempa.

Efek perlakuan panas umum: - Normalisasi: Memperhalus mikrostruktur cor dan mengurangi segregasi—sangat penting untuk ZGCr15 cor sebelum perlakuan pendinginan akhir. - Pendinginan & tempering: Menghasilkan mikrostruktur dengan kekerasan tinggi dan tahan kelelahan di kedua kelas; material ditempa/diforged biasanya mencapai ukuran butir austenit yang lebih halus dan ketangguhan yang lebih baik. - Pemrosesan termo-mekanis (penggulungan/penempaan ditambah perlakuan panas): Di GCr15, deformasi yang terkontrol sebelum perlakuan panas meningkatkan aliran butir, menutup rongga, dan menghasilkan ketahanan terhadap kelelahan kontak bergulir dan ketangguhan yang lebih baik dibandingkan dengan varian cor.

4. Sifat Mekanis

Tabel: perbandingan kualitatif kecenderungan sifat mekanis (tergantung perlakuan panas)

Sifat	GCr15 (ditempa/diforged)	ZGCr15 (cor)
Kekuatan Tarik	Tinggi saat didinginkan & dikeraskan; mampu memiliki kekuatan kelelahan tinggi karena mikrostruktur ditempa yang bersih
Kekuatan Luluh	Tinggi setelah perlakuan panas yang sesuai; konsisten di seluruh bagian
Peregangan	Sedang hingga rendah (baja karbon tinggi) tetapi umumnya lebih baik dipertahankan dalam material ditempa
Ketangguhan Impak	Lebih baik di GCr15 yang ditempa/diforged karena lebih sedikit cacat cor dan mikrostruktur yang lebih halus
Kekerasan	Dapat mencapai kekerasan tinggi (kelas bantalan) di keduanya; kekerasan yang dapat dicapai serupa tetapi ketangguhan pada kekerasan tertentu biasanya lebih baik di GCr15

Penjelasan: - GCr15 biasanya menawarkan ketangguhan efektif yang lebih tinggi dan umur kelelahan yang lebih dapat diandalkan pada kekerasan yang sebanding karena penempaan dan penggulungan meminimalkan segregasi dan cacat serta menghasilkan distribusi karbida yang terkontrol. - ZGCr15 dapat mencapai kekerasan dan kekuatan lokal yang sebanding ketika diperlakukan panas dengan benar, tetapi bagian cor yang besar dan cacat cor membuat umur kelelahan dan ketangguhan impak kurang dapat diprediksi; perlakuan panas yang tepat dan kontrol kualitas (misalnya, perlakuan panas pasca-cor, homogenisasi, dan inspeksi) mengurangi kesenjangan.

5. Kemampuan Pengelasan

Pertimbangan kemampuan pengelasan: - Kedua kelas adalah karbon tinggi, dan kandungan karbon tinggi secara signifikan mengurangi kemampuan pengelasan karena kemampuan pengerasan yang tinggi (risiko retak HAZ, pembentukan martensit). - Mikro paduan dan kandungan krom lebih lanjut meningkatkan kemampuan pengerasan, meningkatkan risiko retak dingin jika pemanasan awal dan input panas yang terkontrol tidak digunakan.

Indeks berguna (untuk interpretasi kualitatif): - Setara karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (DIF) untuk penilaian kemampuan pengelasan umum: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi: - Kedua rumus menunjukkan bahwa nilai C, Cr, Mo, V yang lebih tinggi meningkatkan indeks dan menunjukkan kemampuan pengelasan yang lebih buruk. GCr15 dan ZGCr15 biasanya menghasilkan nilai CE dan Pcm yang lebih tinggi karena kandungan karbon dan krom mereka. - Panduan praktis: hindari pengelasan jika memungkinkan; jika pengelasan diperlukan, terapkan pemanasan awal, suhu antar proses yang terkontrol, prosedur hidrogen rendah, dan perlakuan panas pasca-pengelasan (PWHT). ZGCr15 cor mungkin lebih sulit untuk dilas dengan andal karena porositas atau inklusi kecuali kualitas cor tinggi dan prosedur pengelasan dioptimalkan.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Kelas-kelas ini bukan baja tahan karat. Krom pada ~1–2% memberikan kemampuan pengerasan yang lebih baik dan beberapa ketahanan oksidasi pada suhu tinggi, tetapi tidak memberikan ketahanan korosi yang signifikan di lingkungan atmosfer atau air.
• Strategi perlindungan permukaan meliputi:
• Pelapis pelindung (cat, pelapisan bubuk)
• Galvanisasi (untuk bagian yang lebih kecil atau di mana adhesi dapat diterima)
• Pelapisan krom keras tipis, nitriding, atau carburizing untuk permukaan yang aus (permukaan bantalan sering digiling dan terkadang dilapisi atau diperlakukan secara kimia)
• PREN (angka setara ketahanan pitting) tidak berlaku untuk baja tahan karat ini. Sebagai referensi, PREN dihitung sebagai: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ tetapi indeks ini hanya berarti untuk paduan tahan karat dengan Cr, Mo, dan N yang signifikan.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan

• Kemampuan mesin:
• GCr15 yang dinormalisasi (batang ditempa) dapat diproses dengan baik untuk baja karbon tinggi ketika kekerasannya dikurangi; ukuran karbida dan kontrol inklusi mempengaruhi umur alat.
• ZGCr15 cor mungkin memiliki kemampuan mesin yang bervariasi karena jaringan karbida lokal dan inklusi; bagian cor terkadang memerlukan operasi penyelesaian yang agresif.
• Kemampuan pembentukan:
• Kedua kelas memiliki kemampuan pembentukan dingin yang terbatas karena karbon tinggi. Pembentukan biasanya terjadi dalam kondisi dinormalisasi atau melalui pembentukan panas untuk material ditempa.
• Pemotongan dan penyelesaian:
• Keduanya biasanya digiling sesuai toleransi bantalan setelah perlakuan panas. GCr15 yang ditempa sering menghasilkan integritas permukaan yang lebih baik dan stabilitas dimensi yang dapat diprediksi.
• Perlakuan permukaan dan penyelesaian presisi adalah hal rutin untuk aplikasi bantalan; bagian cor mungkin memerlukan pemesinan kasar tambahan untuk menghilangkan ketidakteraturan pengecoran sebelum perlakuan panas akhir dan penggilingan.

8. Aplikasi Tipikal

GCr15 (ditempa/diforged)	ZGCr15 (cor)
Bantalan (cincin, rol, bola yang diproduksi dari batang ditempa/digulung)	Komponen keausan besar dan rumah di mana pengecoran mengurangi biaya fabrikasi (misalnya, blank roda gigi besar, rumah bantalan)
Poros, spindle, rol yang memerlukan umur kelelahan tinggi	Komponen dengan geometri kompleks yang sulit untuk diproses dari batang padat
Cincin bantalan presisi dan jalur setelah penggilingan dan perlakuan panas	Komponen pompa dan katup di mana ketahanan terhadap keausan diinginkan tetapi beban kelelahan lebih rendah
Rol presisi kecil hingga sedang, cam, dan poros	Cincin diameter besar atau suku cadang pengganti sementara di mana pengecoran menawarkan keuntungan waktu/biaya

Rasional pemilihan: - Pilih GCr15 yang ditempa/diforged ketika umur kelelahan, integritas permukaan, dan sifat mekanis yang dapat diprediksi sangat penting (misalnya, bantalan presisi, beban siklik tinggi). - Pilih ZGCr15 ketika geometri, ukuran, atau ekonomi produksi bagian mendukung pengecoran dan ketika beban layanan yang dapat diterima dan kontrol kualitas diterapkan untuk mengelola batasan kelelahan dan ketangguhan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya:
• Biaya bahan baku dari paduan serupa karena komposisi kimia yang sebanding. Perbedaan biaya muncul dari jalur manufaktur: penempaan/penggulungan dan pemesinan selanjutnya untuk GCr15 dibandingkan dengan pekerjaan pengecoran dan mungkin pemesinan bersih yang lebih sedikit untuk ZGCr15.
• Untuk geometri sederhana dan volume produksi tinggi, stok batang ditempa (GCr15) seringkali lebih ekonomis karena pasokan batang/roda yang sudah mapan. Untuk bentuk besar atau kompleks, pengecoran (ZGCr15) dapat mengurangi limbah material dan waktu pemesinan, mengimbangi biaya proses pengecoran.
• Ketersediaan:
• GCr15 tersedia secara luas sebagai batang, cincin, dan blank bantalan pra-finished dari banyak pemasok.
• ZGCr15 tersedia dari pabrik pengecoran; waktu tunggu tergantung pada ukuran pengecoran, alat, dan kebutuhan pemrosesan pasca-cor. Ketersediaan akan bervariasi lebih banyak dengan kapasitas pabrik pengecoran dan berat pengecoran.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel yang merangkum trade-off kunci

Kriteria	GCr15 (ditempa/diforged)	ZGCr15 (cor)
Kemampuan Pengelasan	Buruk (karbon tinggi, memerlukan prosedur khusus)	Buruk hingga menantang (menambah risiko cacat pengecoran)
Kekuatan–Ketangguhan (efektif)	Kekuatan kelelahan efektif tinggi dan ketangguhan pada kekerasan tertentu	Kekuatan lokal yang baik tetapi ketangguhan kelelahan efektif lebih rendah karena cacat cor
Biaya (tipikal)	Sedang untuk batang/cincin standar; ekonomis untuk bagian kecil/sedang	Sering ekonomis untuk bentuk besar/kompleks; variabilitas waktu tunggu lebih tinggi

Kesimpulan: - Pilih GCr15 jika: - Komponen memerlukan umur kelelahan kontak bergulir yang tinggi, ketangguhan yang dapat diprediksi, dan integritas permukaan (misalnya, bantalan presisi, poros, rol). - Toleransi dimensi yang ketat dan kebersihan metalurgi yang superior diperlukan. - Anda memiliki akses ke stok batang ditempa dan jalur pemesinan/perlakuan panas yang efisien.

• Pilih ZGCr15 jika:
• Geometri atau ukuran komponen membuat pemesinan dari batang tidak efisien atau tidak ekonomis (cincin besar, rumah kompleks).
• Ekonomi produksi dan waktu tunggu ditingkatkan dengan pengecoran, dan perlakuan panas pasca-pengecoran serta inspeksi kualitas dapat mengontrol cacat.
• Beban layanan sedang atau ketentuan desain mengurangi sensitivitas kelelahan (misalnya, perlakuan permukaan lokal, faktor keamanan konservatif, atau lingkungan beban siklik rendah).

Catatan akhir: Komposisi kimia untuk kedua kelas secara nominal serupa, jadi jalur manufaktur dan kontrol mikrostruktur, kebersihan, dan perlakuan panas adalah faktor penentu. Untuk aplikasi bantalan kritis atau siklus tinggi, GCr15 yang ditempa/diforged umumnya merupakan pilihan yang lebih aman; untuk suku cadang berskala besar, kompleks, atau tugas rendah hingga sedang di mana pengecoran menawarkan keuntungan manufaktur, ZGCr15 dapat menjadi pilihan yang tepat asalkan pemrosesan dan inspeksi pasca-cor mengurangi cacat terkait pengecoran.