H11 vs H13 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
H11 dan H13 adalah dua baja alat kerja panas yang banyak digunakan di industri yang memerlukan alat untuk beroperasi pada suhu tinggi seperti pengecoran, ekstrusi, penempaan, dan pencetakan panas. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur secara rutin menghadapi dilema pemilihan antara trade-off kinerja yang sedikit berbeda: ketangguhan dan ketahanan terhadap kejutan termal versus kekerasan panas dan ketahanan jangka panjang terhadap kelelahan termal dan aus. Pilihan ini mempengaruhi umur alat, interval pemeliharaan, parameter pemrosesan (pemanasan awal, tempering), dan total biaya kepemilikan.
Perbedaan teknis utama antara H11 dan H13 terletak pada keseimbangan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan terhadap siklus termal (kelelahan termal). H13 cenderung lebih disukai di mana kekerasan panas yang berkelanjutan dan ketahanan terhadap kelelahan termal sangat penting; H11 sering dipilih di mana ketangguhan dan duktilitas bulk yang sedikit lebih tinggi diperlukan dan di mana ketahanan terhadap retak di bawah kejutan mekanis berat diprioritaskan. Perbedaan ini berasal dari strategi paduan mereka dan struktur mikro yang dihasilkan setelah perlakuan panas.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan penunjukan internasional umum:
- AISI/SAE: H11, H13
- DIN/EN: 1.2343 (H11), 1.2344 (H13) — sering dirujuk dalam literatur Eropa
- JIS: SKD5, SKH? (bervariasi menurut negara dan pemetaan grade yang tepat)
- GB (Cina): penunjukan baja alat kerja panas yang setara
-
ASTM/ASME: merujuk pada spesifikasi baja alat yang relevan dan bentuk produk
-
Kelas material:
- Baik H11 maupun H13 adalah baja alat yang ditujukan untuk aplikasi kerja panas (baja alat kerja panas). Mereka bukan baja tahan karat atau HSLA. Mereka adalah baja kromium–molybdenum–vanadium yang dipaduan, dapat dikeraskan dengan udara atau minyak yang dirancang untuk stabilitas termal.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Persentase yang tepat bervariasi menurut standar dan produsen, tetapi kedua grade berbagi strategi paduan kerja panas yang umum—karbon sedang, kromium signifikan, ditambah molybdenum dan vanadium untuk memberikan ketahanan temper, kemampuan pengerasan, dan penguatan karbida. Untuk menghindari mengutip rentang numerik yang bersifat kepemilikan, tabel di bawah ini menggambarkan kehadiran/peran tipikal setiap elemen.
| Elemen | H11 — Tingkat / peran tipikal | H13 — Tingkat / peran tipikal |
|---|---|---|
| C (Karbon) | Sedang — memberikan kemampuan pengerasan martensitik dan kekuatan dasar | Sedang — mirip dengan H11; mengontrol kemampuan pengerasan dan respons temper |
| Mn (Mangan) | Rendah–sedang — deoksidator, membantu kemampuan pengerasan | Rendah–sedang — peran serupa |
| Si (Silikon) | Rendah–sedang — deoksidasi, kekuatan | Rendah–sedang — serupa |
| P (Fosfor) | Jejak — dijaga rendah untuk ketangguhan | Jejak — dijaga rendah |
| S (Belerang) | Jejak — dikontrol untuk kemampuan mesin | Jejak — dikontrol |
| Cr (Kromium) | Sedang — kemampuan pengerasan, ketahanan oksidasi pada suhu tinggi | Sedang–tinggi — kunci untuk kekerasan panas dan ketahanan skala |
| Ni (Nikel) | Biasanya tidak signifikan | Biasanya tidak signifikan |
| Mo (Molybdenum) | Sedang — meningkatkan kekuatan pada suhu dan ketahanan temper | Sedang — penting untuk kekuatan panas dan stabilitas karbida |
| V (Vanadium) | Sedang — membentuk karbida stabil untuk ketahanan aus dan ketangguhan | Sedang — berkontribusi pada dispersi karbida halus dan ketahanan terhadap kelelahan termal |
| Nb (Niobium) | Biasanya tidak ada | Biasanya tidak ada |
| Ti (Titanium) | Jejak atau tidak ada | Jejak atau tidak ada |
| B (Boron) | Jejak (jika ada) — peningkat kemampuan pengerasan | Jejak (jika ada) — dapat ditambahkan dalam jumlah mikro untuk meningkatkan kemampuan pengerasan |
| N (Nitrogen) | Jejak — dapat menstabilkan fitur nitride/karbid tertentu | Jejak |
Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Karbon terutama menentukan kekerasan yang dapat dicapai setelah pendinginan dan temper dan mempengaruhi kemampuan pengerasan. Karbon yang lebih tinggi meningkatkan potensi kekerasan dan ketahanan aus tetapi mengurangi ketangguhan dan kemampuan pengelasan. - Kromium meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan suhu tinggi, dan ketahanan oksidasi/skala—penting untuk kerja panas. - Molybdenum dan vanadium membentuk karbida stabil yang meningkatkan ketahanan temper (retensi kekerasan setelah terpapar suhu tinggi) dan mempengaruhi ketahanan terhadap kelelahan termal. - Dispersi halus karbida vanadium membantu menghambat inisiasi dan pertumbuhan retak di bawah beban termal siklik.
3. Struktur Mikro dan Respons Perlakuan Panas
Struktur mikro tipikal: - Baik H11 maupun H13 diproses untuk menghasilkan matriks martensitik yang telah ditemper dengan karbida paduan yang terdispersi (karbida Cr, Mo, V). Pendinginan menghasilkan martensit; tempering mengurangi stres dan memungkinkan karbida mengendap dan menstabilkan.
Respons perlakuan panas dan rute: - Normalisasi: Digunakan untuk memperhalus struktur butir dan menghomogenkan bagian berat sebelum pendinginan. Membantu menghasilkan respons kekerasan yang seragam. - Pendinginan: Media pendinginan yang umum adalah minyak atau gas terkontrol; suhu austenitisasi dan laju pendinginan mengontrol fraksi martensit akhir dan austenit yang terjaga. Kedua grade memerlukan kontrol yang hati-hati untuk menghindari retak. - Tempering: Beberapa siklus tempering pada suhu yang disesuaikan dengan suhu layanan menghasilkan keseimbangan yang diinginkan antara kekerasan, ketangguhan, dan stabilitas termal. Tempering menstabilkan martensit dan mengendapkan karbida paduan (Mo, V, Cr). - Pemrosesan termo-mekanis: Penempaan dan penggulungan terkontrol diikuti oleh normalisasi dapat memperhalus ukuran butir dan meningkatkan ketangguhan; kedua baja merespons positif terhadap rute tersebut tetapi memerlukan pendinginan terkontrol untuk mempertahankan kemampuan pengerasan.
Catatan komparatif: - Keseimbangan paduan H13 dioptimalkan untuk mempertahankan kekerasan yang lebih tinggi pada suhu tinggi (ketahanan temper yang lebih baik), dan distribusi karbidnya mendukung ketahanan terhadap kelelahan termal dan aus pada suhu kerja panas. - H11 sedikit lebih disesuaikan untuk ketangguhan dan duktilitas bulk sambil mempertahankan kekuatan panas yang baik; struktur mikronya dapat disesuaikan untuk ketangguhan patah yang lebih tinggi pada cetakan penempaan panas yang terkena dampak berat.
4. Sifat Mekanis
Sifat yang tepat sangat bergantung pada perlakuan panas, ukuran bagian, dan suhu tempering. Tabel di bawah ini memberikan sifat komparatif kualitatif di bawah kondisi kerja panas yang biasanya telah didinginkan dan ditemper.
| Sifat | H11 | H13 |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Tinggi (kekuatan baik) | Tinggi (sebanding dengan H11; dapat mempertahankan lebih tinggi pada suhu tinggi) |
| Kekuatan luluh | Tinggi | Tinggi; sedikit lebih baik dalam retensi pada suhu tinggi |
| Peregangan (duktilitas) | Sedikit lebih tinggi (lebih duktil) | Sedikit lebih rendah (tangguh tetapi dioptimalkan untuk kekerasan) |
| Ketangguhan impak | Biasanya lebih baik (menahan propagasi retak di bawah kejutan berat) | Sangat baik (dirancang untuk beban termal siklik), tetapi dapat sedikit lebih rendah dari H11 dalam ketangguhan bulk |
| Kekerasan (suhu ruang setelah tempering) | Tinggi (dapat disesuaikan) | Tinggi — sering mempertahankan kekerasan lebih tinggi pada suhu karena paduan |
Interpretasi: - H13 umumnya menawarkan retensi kekerasan yang lebih baik pada suhu tinggi dan ketahanan yang sangat baik terhadap kelelahan termal dan aus panas. H11 cenderung memberikan ketangguhan patah dan duktilitas bulk yang sedikit lebih baik, yang membuatnya menarik di mana kejutan mekanis dan risiko retak bencana lebih tinggi.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las baja alat kerja panas terbatas dibandingkan dengan baja paduan rendah—pemanasan awal, suhu antar-passing yang terkontrol, dan perlakuan panas pasca-las (PWHT) biasanya diperlukan untuk menghindari retak dan memulihkan sifat yang diperlukan.
Faktor kunci: - Karbon dan kontrol kemampuan pengerasan yang efektif mempengaruhi kerentanan terhadap retak dingin. Kedua grade memiliki karbon sedang dan paduan signifikan; mereka dianggap “dapat dilas dengan hati-hati.” - Mikro-paduan (Mo, V, Cr) meningkatkan kemampuan pengerasan dan meningkatkan risiko pembentukan martensit di HAZ; ini meningkatkan risiko retak tanpa pemanasan awal dan PWHT yang tepat. - Penggunaan logam pengisi yang cocok atau lebih dari cukup dan PWHT yang sesuai adalah umum untuk pengelasan perbaikan untuk memulihkan ketangguhan dan ketahanan temper.
Rumus empiris yang berguna untuk penilaian kemampuan las: - Setara karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (prediktor untuk setara karbon-mangan dan sensitivitas retak 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: - Nilai $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang lebih tinggi menunjukkan risiko yang lebih besar dari HAZ martensitik yang keras dan rentan retak, sehingga memerlukan pemanasan awal dan PWHT yang lebih ketat. Baik H11 maupun H13 biasanya memerlukan pemanasan awal menengah hingga tinggi dan tempering pasca-las karena kandungan paduan mereka.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik H11 maupun H13 bukanlah baja tahan karat; ketahanan korosi terbatas dibandingkan dengan grade tahan karat. Untuk perlindungan, praktik umum termasuk pengecatan, pelapisan berbasis pelarut, galvanisasi (di mana sesuai untuk bentuk bagian), atau perlakuan permukaan lokal.
- Opsi rekayasa permukaan untuk meningkatkan umur dan ketahanan korosi/aus:
- Nitriding atau nitrokarburisasi ferritik (kontrol proses yang hati-hati diperlukan untuk baja alat untuk menghindari over-tempering).
- Pengecatan krom keras atau pelapisan PVD/CVD untuk permukaan alat (mengurangi adhesi dan aus).
- Pelapisan semprot termal untuk ketahanan aus atau oksidasi yang ekstrem.
- PREN (angka ekivalen ketahanan pitting) tidak relevan untuk H11/H13 non-tahan karat dalam pemilihan praktis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini berlaku untuk paduan tahan karat; tingkat Cr yang tipikal dalam H11/H13 tidak cukup untuk mengkategorikannya sebagai baja tahan karat yang tahan korosi.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin:
- Dalam kondisi yang telah dinormalisasi/diproses sebelumnya, kedua grade dapat diproses dengan baik menggunakan alat karbida; kemampuan mesin memburuk setelah perlakuan panas (kondisi yang dikeraskan).
- H13, dengan struktur mikro yang tahan temper, dapat sedikit lebih abrasif pada alat karena karbida vanadium yang halus.
- Pemotongan dan EDM:
- Keduanya merespons dengan baik terhadap pemotongan pelepasan listrik (EDM) untuk alat keras tetapi memerlukan tempering selanjutnya untuk memulihkan sifat setelah zona yang terpengaruh panas EDM.
- Formabilitas:
- Formasi dingin terbatas; formasi panas dan penempaan terkontrol umum dalam pemrosesan batang/penempaan. H11 mungkin lebih disukai di mana lebih banyak duktilitas diperlukan sebelum perlakuan panas akhir.
- Penyelesaian permukaan:
- Keduanya menerima penggilingan, pemolesan, dan pelapisan konvensional; siapkan permukaan dengan hati-hati untuk menghindari stres residual yang dapat mempromosikan retak kelelahan termal.
8. Aplikasi Tipikal
| H11 — Aplikasi tipikal | H13 — Aplikasi tipikal |
|---|---|
| Matriks penempaan panas di mana kejutan mekanis berat dan ketangguhan patah adalah perhatian utama (cetakan penempaan besar, cetakan penempaan) | Cetakan pengecoran, alat ekstrusi, cetakan pencetakan panas di mana kekerasan panas yang berkelanjutan dan ketahanan terhadap kelelahan termal sangat penting |
| Aplikasi punch dan shear tertentu yang memerlukan ketangguhan yang baik | Punch dan inti kerja panas, sisipan manifold, inti pengecoran yang terkena beban termal siklik |
| Sisipan di mana duktilitas dan ketahanan terhadap kejutan mengurangi risiko patah bencana | Alat dan cetakan yang beroperasi pada suhu tinggi terus-menerus dan siklus termal berulang |
Rasional pemilihan: - Pilih H13 ketika aplikasi melibatkan suhu permukaan tinggi, siklus termal berulang, dan kontak abrasif—ketahanan temper H13 dan struktur karbida meningkatkan umur di bawah kelelahan termal dan aus. - Pilih H11 ketika risiko utama adalah kejutan mekanis, beban berat, atau ketika sedikit lebih banyak duktilitas/ketangguhan diperlukan untuk menghindari kegagalan rapuh.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya:
- Kedua H11 dan H13 adalah baja alat kerja panas komoditas; harga bervariasi dengan pasar paduan global. H13 lebih umum digunakan di seluruh dunia, yang dapat membuatnya sedikit lebih ekonomis di beberapa pasar karena skala dan kematangan rantai pasokan.
- Varian khusus atau batang premium yang dilebur dalam vakum meningkatkan biaya untuk kedua grade.
- Ketersediaan berdasarkan bentuk produk:
- Keduanya tersedia dengan mudah dalam bentuk batang, pelat, penempaan, dan blank alat yang telah dipanaskan sebelumnya dari distributor baja utama. H13 cenderung memiliki ketersediaan industri yang lebih luas dan ekosistem pemasok serta pengetahuan pengelasan/perlakuan panas yang lebih besar.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | H11 | H13 |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Cukup — memerlukan pemanasan awal dan PWHT | Cukup — persyaratan serupa, sering sedikit lebih sensitif karena kemampuan pengerasan |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Ketangguhan bulk dan duktilitas yang lebih baik | Retensi kekerasan dan kekuatan yang lebih baik pada suhu tinggi; ketahanan kelelahan termal yang superior |
| Biaya / Ketersediaan | Baik | Sangat baik (sedikit lebih umum secara global) |
Rekomendasi: - Pilih H13 jika alat Anda terpapar suhu layanan tinggi, siklus termal berulang (kelelahan termal), atau memerlukan ketahanan aus panas yang superior (misalnya, pengecoran, ekstrusi, pencetakan panas). - Pilih H11 jika aplikasi Anda memprioritaskan ketangguhan patah dan duktilitas bulk yang lebih tinggi untuk menahan kejutan mekanis dan beban dampak berat (misalnya, cetakan penempaan besar yang terkena pukulan berat), dan di mana kekerasan suhu tinggi yang sedikit lebih rendah dapat diterima.
Catatan praktis akhir: Untuk alat yang kritis, tentukan prosedur perlakuan panas yang jelas (pemanasan awal, austenitisasi, media pendinginan, jadwal temper), pertimbangkan efek ketebalan bagian, dan rencanakan pemeliharaan (perbaikan, prosedur pengelasan) dengan pengolah panas dan pemasok Anda. Uji coba dan pemantauan mode kegagalan awal (retak kelelahan termal vs. patah mekanis) sangat penting untuk memvalidasi pilihan grade dalam proses spesifik Anda.