GCr18 vs GCr18Mo – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pengenalan

GCr18 dan GCr18Mo adalah baja paduan/bearing krom karbon tinggi yang banyak digunakan untuk elemen penggulung, poros, dan bagian tahan aus. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur biasanya mempertimbangkan trade-off antara umur lelah, ketahanan aus, kemampuan pengerasan, kemampuan pengelasan, dan biaya saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum termasuk memilih grade untuk bearing bagian dalam, merancang komponen yang memerlukan pengerasan menyeluruh versus pengerasan permukaan, atau memilih material yang dapat diproduksi secara andal dalam penampang besar.

Perbedaan metalurgi utama adalah penambahan molibdenum secara sengaja ke GCr18Mo untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan memperbaiki ketahanan aus dan tempering dibandingkan dengan GCr18 biasa. Karena ini, kedua grade dibandingkan dalam desain dan manufaktur di mana ukuran penampang, respons perlakuan panas, dan keausan layanan sangat penting.

1. Standar dan Penunjukan

• Ekivalen dan standar nasional serta internasional yang umum:
• GB (Cina): GCr18, GCr18Mo (nomenklatur nasional Cina untuk baja bearing/paduan).
• EN (Eropa): Terkait erat dengan 100Cr6 / 1.3505 (untuk GCr18); varian yang mengandung Mo dapat ditentukan di bawah grade 1.3505 yang dimodifikasi atau penunjukan EN tertentu.
• AISI/SAE: 52100 / SAE 52100 mirip dengan GCr15/100Cr6; GCr18 sering dibandingkan dengan baja bearing ini dalam hal kimia dan aplikasi, tetapi kesetaraan yang tepat tergantung pada batasan.
• JIS (Jepang): Baja bearing serupa muncul di JIS tetapi pemetaan penunjukan satu-ke-satu langsung memerlukan pemeriksaan tabel komposisi.
• Klasifikasi:
• Kedua GCr18 dan GCr18Mo adalah baja paduan yang mengandung krom karbon tinggi yang biasanya digunakan sebagai baja bearing/alat/tahan aus daripada baja tahan karat atau baja struktural HSLA.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel di bawah ini menunjukkan rentang elemen tipikal untuk formulasi GCr18 dan GCr18Mo yang representatif. Batasan yang tepat bervariasi berdasarkan standar, produsen, dan spesifikasi perlakuan panas; pengguna harus merujuk pada sertifikat pabrik atau standar yang berlaku untuk pengadaan.

Catatan: - Karbon tinggi untuk memungkinkan kekerasan tinggi dan ketahanan aus setelah pendinginan dan tempering. - Krom memberikan kemampuan pengerasan, ketahanan aus, dan pembentukan karbida. - Molybdenum dalam GCr18Mo ditambahkan dalam jumlah kecil untuk meningkatkan kemampuan pengerasan dan ketahanan tempering; ini juga memperhalus respons tempering dan mengurangi risiko mikrostruktur pendinginan rapuh di bagian yang lebih besar. - Elemen minor (V, Nb, Ti) biasanya hanya hadir dalam jumlah jejak atau sebagai mikro paduan yang disengaja tergantung pada praktik pemasok.

Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - C dan Cr mengontrol kekerasan yang dapat dicapai dan struktur karbida—C yang lebih tinggi meningkatkan kekerasan tetapi mengurangi kemampuan pengelasan. - Cr pada level 1.3–1.7% berkontribusi pada pengerasan sekunder dan ketahanan aus tetapi tidak membuat baja tahan karat. - Mo meningkatkan kemampuan pengerasan, meningkatkan ketahanan tempering (mempertahankan kekerasan pada suhu tempering yang lebih tinggi), dan dapat meningkatkan umur lelah kontak bergulir. - Mn dan Si adalah deoksidator dan berkontribusi secara moderat terhadap kemampuan pengerasan dan kekuatan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur tipikal dan efek pemrosesan:

• Seperti digulung/dinormalisasi:

• Kedua grade menyajikan matriks karbida pearlitik atau spheroidized tergantung pada praktik annealing. Siklus normalisasi/pemurnian menghasilkan pearlite halus dan karbida yang terjaga yang cocok untuk perlakuan pendinginan dan tempering selanjutnya.

• Pemanasan dan tempering:

• Pengerasan tipikal: austenitizing (misalnya, 780–840°C, tergantung pada penampang dan spesifikasi) kemudian minyak/pendinginan atau udara/pendinginan untuk geometri tertentu. Tempering selanjutnya menghasilkan martensit yang ditemper dengan karbida krom yang terdispersi.
• GCr18: mencapai kekerasan tinggi dan distribusi karbida halus di bagian yang lebih kecil; di bagian yang lebih besar, lebih rentan terhadap transformasi yang tidak lengkap (inti lunak) dan risiko retak pendinginan yang lebih tinggi jika tidak dikendalikan dengan hati-hati.

• GCr18Mo: Mo meningkatkan kemampuan pengerasan, mendorong struktur martensitik yang lebih menyeluruh di penampang yang lebih besar. Mo juga menggeser ketahanan tempering, sehingga kekerasan yang ditemper lebih baik dipertahankan pada suhu tempering yang lebih tinggi.

• Pengolahan termo-mekanis:

• Pengolahan termo-mekanis yang terkontrol dan penggulungan panas mempengaruhi ukuran butir austenit sebelumnya. Butir austenit yang lebih halus meningkatkan ketangguhan dan mengurangi suhu austenitizing yang diperlukan; Mo membantu mempertahankan ketangguhan di bagian yang lebih kasar dengan meningkatkan kemampuan pengerasan.

Singkatnya, kontrol mikrostruktur untuk kedua grade berfokus pada pencapaian matriks martensitik dengan karbida krom yang terdispersi; GCr18Mo lebih toleran untuk bagian yang lebih besar dan suhu tempering yang lebih tinggi.

4. Sifat Mekanis

Sifat mekanis sangat bergantung pada perlakuan panas yang tepat. Tabel di bawah ini memberikan rentang tipikal pasca-pendinginan dan tempering yang digunakan untuk aplikasi bearing/tahan aus; anggap ini sebagai nilai representatif daripada nilai yang dijamin.

Interpretasi: - Kekerasan puncak dan kekuatan tarik terutama dikendalikan oleh karbon dan perlakuan panas. Kedua grade mencapai kekerasan puncak yang serupa pada komponen kecil. - GCr18Mo menawarkan kemampuan pengerasan yang lebih baik, sehingga di bagian yang lebih besar dapat mencapai kekerasan inti dan kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan GCr18 biasa yang diproses identik. - Perbedaan ketangguhan tergantung pada aplikasi dan perlakuan; Mo dapat meningkatkan ketangguhan di bagian yang lebih berat dengan memungkinkan respons martensitik yang lebih seragam dan stabilitas mikrostruktur tempering.

5. Kemampuan Pengelasan

Kemampuan pengelasan untuk baja karbon tinggi dan kekerasan tinggi memerlukan kontrol yang hati-hati karena setara karbon yang tinggi dan kecenderungan untuk membentuk martensit keras dan rapuh di zona yang terpengaruh panas (HAZ).

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

Interpretasi kualitatif: - Baik GCr18 maupun GCr18Mo memiliki karbon tinggi; nilai $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ mereka akan cukup tinggi untuk memerlukan pemanasan awal, kontrol suhu antar proses, dan perlakuan panas pasca pengelasan untuk aplikasi kritis. - Kehadiran Mo sedikit meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$; dengan kata lain, GCr18Mo sedikit lebih rentan terhadap pengerasan HAZ dan risiko retak dibandingkan GCr18 ketika dilas tanpa tindakan pencegahan. - Untuk perbaikan kecil atau sambungan non-kritis, gunakan logam pengisi yang cocok, pemanasan awal untuk mengurangi laju pendinginan, dan lakukan PWHT (perlakuan panas pasca pengelasan) untuk menemper martensit di HAZ. - Di mana pengelasan harus diminimalkan atau dihilangkan, penyambungan mekanis atau pemesinan untuk pemasangan lebih disukai.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Baik GCr18 maupun GCr18Mo bukanlah baja tahan karat; kandungan krom mereka tidak cukup untuk memberikan pasivasi di lingkungan berair.
• Strategi perlindungan permukaan yang umum:
• Pelapis pelindung: pengecatan, pelapisan (seng, nikel), atau pelapisan fosfat.
• Galvanisasi adalah opsi untuk komponen yang dibentuk atau struktural tertentu, meskipun perlakuan panas setelah galvanisasi tidak umum.
• Pelumasan dan desain untuk drainase umum untuk kontak bergulir untuk mengurangi keausan yang dibantu korosi.
• PREN (angka setara ketahanan pitting) tidak berlaku untuk baja bearing non-tahan karat ini karena PREN digunakan untuk menilai ketahanan korosi baja tahan karat: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Gunakan paduan tahan korosi (baja bearing tahan karat) ketika layanan memerlukan ketahanan korosi dan kinerja aus/kelelahan.

7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan

• Kemudahan pemesinan:
• Kemampuan karbon tinggi dan kekerasan tinggi berarti bahwa kedua grade lebih sulit untuk diproses dalam keadaan dikeraskan. Kondisi yang dinormalisasi atau spheroidized digunakan untuk pemesinan untuk meningkatkan umur alat.
• GCr18Mo dalam kondisi ditemper/dikeraskan mungkin sedikit lebih sulit karena efek penguatan Mo, tetapi perbedaan kecil untuk kondisi pra-pemesinan.
• Pembentukan dingin dan pembengkokan:
• Tidak menguntungkan dalam kondisi dikeraskan; pembentukan dilakukan dalam keadaan lunak yang dinormalisasi.
• Kandungan karbon tinggi membatasi penarikan dalam atau pembentukan ekstensif tanpa retak.
• Penggilingan dan penyelesaian:
• Keduanya merespons dengan baik terhadap penggilingan presisi setelah pengerasan. Distribusi karbida dan austenit yang terjaga dapat mempengaruhi perilaku penggilingan dan stabilitas dimensi akhir.
• Pertimbangan perlakuan panas:
• Annealing spheroidize untuk pemesinan: mengurangi gaya pemotongan dan mencegah chip tepi.
• Media pendinginan yang terkontrol, jadwal tempering, dan pelepasan stres sangat penting untuk meminimalkan distorsi.

8. Aplikasi Tipikal

Rasional pemilihan: - Pilih GCr18 untuk bearing dan bagian tahan aus ukuran kecil hingga sedang di mana perlakuan panas konvensional mencapai kekerasan dan umur lelah yang diperlukan secara ekonomis. - Pilih GCr18Mo ketika ukuran penampang, beban operasi yang diharapkan, atau suhu tempering yang lebih tinggi berarti pengerasan menyeluruh yang lebih baik, kekerasan yang lebih tinggi setelah tempering, atau umur lelah kontak bergulir yang sedikit lebih baik diperlukan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya:
• GCr18 biasanya lebih murah daripada GCr18Mo karena tidak adanya molibdenum, elemen paduan yang lebih mahal.
• Biaya tambahan GCr18Mo dibenarkan di mana kemampuan pengerasan, pengurangan limbah, atau peningkatan kinerja memberikan penghematan siklus hidup.
• Ketersediaan:
• Kedua grade umumnya tersedia dalam bentuk produk baja bearing (batang, cincin, lembaran, dan blank yang ditempa) melalui pemasok baja khusus.
• Waktu tunggu mungkin sedikit lebih lama untuk varian yang mengandung Mo dengan toleransi ketat atau untuk perlakuan panas tertentu; tentukan sertifikat pabrik dan perlakuan panas saat memesan.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Rekomendasi: - Pilih GCr18 jika Anda memerlukan baja bearing/tahan aus yang ekonomis untuk penampang kecil hingga sedang di mana perlakuan pendinginan dan tempering standar mencapai kekerasan dan umur lelah yang diperlukan. - Pilih GCr18Mo jika komponen Anda lebih besar dalam penampang, memerlukan pengerasan yang lebih seragam melalui penampang, membutuhkan ketahanan tempering yang lebih baik, atau akan mendapatkan manfaat dari peningkatan moderat dalam ketahanan aus dan umur lelah kontak bergulir yang diberikan oleh molibdenum.

Catatan praktis akhir: - Selalu tentukan batasan kimia yang tepat, jadwal perlakuan panas, dan pengujian penerimaan (kekerasan, mikrostruktur, pengujian non-destruktif) pada pesanan pembelian. - Untuk rakitan yang dilas atau komponen kelelahan kritis, libatkan insinyur proses metalurgi lebih awal untuk mendefinisikan pemanasan awal, suhu antar proses, dan PWHT yang diperlukan untuk menghindari kerapuhan HAZ dan kegagalan layanan.