H13 vs H11 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
H13 dan H11 adalah dua jenis baja alat kerja panas yang paling banyak digunakan di industri. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur biasanya mempertimbangkan H11 dan H13 saat menentukan cetakan, alat penempaan panas, alat ekstrusi, atau perangkat cetak injeksi yang harus tahan terhadap suhu tinggi, kejutan termal siklik, dan keausan abrasif. Dilema pemilihan biasanya berkisar pada pertukaran antara kekuatan suhu tinggi dan kekerasan panas versus ketangguhan patah dan ketahanan terhadap benturan/patah di bawah kejutan mekanis yang parah.
Perbedaan praktis utama antara kelas-kelas ini terletak pada keseimbangan kekuatan suhu tinggi dan ketangguhan: H13 umumnya ditentukan di mana kekerasan panas, ketahanan tempering, dan ketahanan kelelahan termal adalah yang utama (misalnya, pengecoran cetakan, ekstrusi), sementara H11 sering dipilih di mana ketangguhan massa yang lebih baik di bawah kejutan dan beban stres tinggi yang berselang lebih penting. Keduanya adalah baja alat kerja panas dengan kimia dasar yang serupa, tetapi perbedaan kecil dalam molibdenum dan pemrosesan menghasilkan perilaku mekanis yang berbeda dalam layanan.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan penunjukan umum:
- ASTM/ASME: A681 (menentukan baja alat AISI/UNS termasuk seri H)
- EN: EN X40CrMoV5-1 (setara H13) dan nomor EN serupa untuk varian H11
- JIS: SKD61 (setara kira-kira dengan H13) dan varian SKD5/SKD9 terkadang dibandingkan dengan H11
- GB (Cina): Penunjukan yang sebanding sering digunakan (misalnya, penunjukan langsung H13/H11 umum)
- Klasifikasi:
- Baik H13 maupun H11 diklasifikasikan sebagai baja alat kerja panas (baja alat paduan). Mereka bukan baja tahan karat atau HSLA; mereka adalah baja alat paduan karbon yang ditujukan untuk alat suhu tinggi.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Rentang komposisi tipikal (wt%) untuk H13 dan H11 yang ditentukan secara komersial (rentang representatif dari lembar data dan standar umum; nilai tepat tergantung pada standar dan pemasok):
| Elemen | H13 (wt% tipikal) | H11 (wt% tipikal) |
|---|---|---|
| C | 0.32 – 0.45 | 0.32 – 0.45 |
| Mn | 0.20 – 0.50 | 0.20 – 0.50 |
| Si | 0.80 – 1.20 | 0.80 – 1.20 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 4.75 – 5.50 | 4.75 – 5.50 |
| Ni | ≤ 0.30 (jejak) | ≤ 0.30 (jejak) |
| Mo | 1.10 – 1.75 | 0.80 – 1.20 |
| V | 0.80 – 1.20 | 0.60 – 1.20 |
| Nb (Cb) | jejak | jejak |
| Ti | jejak | jejak |
| B | jejak | jejak |
| N | jejak | jejak |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon dan krom terutama menentukan kemampuan pengerasan, kapasitas pengerasan martensitik, dan respons tempering. - Molybdenum meningkatkan kemampuan pengerasan, ketahanan tempering (kekerasan merah), dan berkontribusi pada kekuatan suhu tinggi — alasan utama H13 (Mo lebih tinggi) menunjukkan kekerasan panas dan ketahanan kelelahan termal yang lebih baik. - Vanadium mendorong penguatan presipitasi (VC), berkontribusi pada pengerasan sekunder dan ketahanan aus. - Silikon meningkatkan kekuatan dan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi. - Tingkat rendah Mn, P, S, dan elemen mikro paduan jejak mengontrol ketangguhan dan kebersihan.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Dalam kondisi yang dinormalisasi atau diredakan, kedua kelas menunjukkan matriks martensit/ferrit yang diredakan dengan karbida paduan halus (karbida yang mengandung Cr dan V). Distribusi karbida dan fraksi volume dipengaruhi oleh C, Mo, dan V. - Setelah pendinginan dari suhu austenitisasi yang cukup tinggi (umumnya 1000–1050 °C untuk kelas ini) dan tempering selanjutnya, mikrostruktur adalah martensit yang diredakan dengan karbida paduan dan kemungkinan austenit yang tertahan jika terlalu banyak diredakan atau didinginkan lambat.
Bagaimana proses termal umum mempengaruhi mereka: - Normalisasi: Memperhalus struktur butir; dilakukan sebelum pengerasan akhir untuk menghomogenisasi mikrostruktur dan menghilangkan segregasi. - Pendinginan & tempering: Keduanya merespons dengan baik terhadap siklus pendinginan dan tempering konvensional. Mo yang lebih tinggi pada H13 meningkatkan kemampuan pengerasan dan meningkatkan ketahanan tempering (kekerasan yang tertahan pada suhu tempering yang lebih tinggi). H11 dengan Mo yang sedikit lebih rendah cenderung mencapai kekerasan yang sebanding tetapi dapat menunjukkan ketangguhan yang tertahan sedikit lebih besar setelah tempering yang dioptimalkan. - Pemrosesan termo-mekanis: Penempaan dan penggulungan terkontrol sebelum normalisasi dapat meningkatkan ketangguhan dengan memecah karbida kasar dan memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya. Ini sering digunakan untuk penempaan cetakan besar atau alat berat untuk memaksimalkan ketahanan patah.
Pengaruh terhadap kinerja: - Mikrostruktur H13 dengan lebih banyak Mo mendukung kekerasan merah yang lebih tinggi dan ketahanan terhadap pelunakan pada suhu layanan yang tinggi. - Mikrostruktur H11 dapat disesuaikan (melalui tempering dan pemrosesan termo-mekanis) untuk memaksimalkan ketangguhan massa dan ketahanan terhadap propagasi retak.
4. Sifat Mekanis
Rentang sifat yang dikuatkan dan diredakan yang tipikal (nilai bervariasi berdasarkan tingkat tempering dan pemasok; rentang yang dikutip adalah representatif dari kondisi H.T. umum):
| Sifat | H13 (rentang tipikal) | H11 (rentang tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | 1,000 – 1,900 | 900 – 1,700 |
| Kekuatan luluh (MPa) | 800 – 1,500 | 700 – 1,300 |
| Peregangan (%) | 6 – 12 | 6 – 14 |
| Ketangguhan benturan (Charpy V-notch, J) | 15 – 45 | 20 – 60 |
| Kekerasan (HRC, dikuatkan & diredakan) | 40 – 54 | 40 – 52 |
Interpretasi: - Kekuatan: Kedua kelas dapat mencapai kekuatan tinggi yang serupa setelah perlakuan panas yang tepat, tetapi H13 umumnya dipilih ketika kekuatan yang tertahan lebih tinggi pada suhu tinggi diperlukan. - Ketangguhan: H11 biasanya menunjukkan ketangguhan massa dan ketahanan benturan yang sedikit lebih tinggi dalam kondisi kekerasan yang sebanding. Perbedaan ini diperbesar ketika alat dirancang untuk beban kejutan berat atau dampak mekanis yang berulang. - Duktibilitas: Sebanding; H11 dapat menunjukkan sedikit keuntungan dalam peregangan pada patahan tergantung pada tempering dan pemrosesan.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las ditentukan oleh ekuivalen karbon dan kontribusi paduan terhadap kemampuan pengerasan dan kerentanan terhadap retak dingin.
Rumus empiris yang berguna: - Ekuivalen karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (lebih sensitif terhadap kecenderungan retak): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - Baik H13 maupun H11 memiliki karbon sedang dan paduan signifikan (Cr, Mo, V) yang meningkatkan kemampuan pengerasan; oleh karena itu keduanya dianggap cukup sulit untuk dilas dalam kondisi yang tidak diredakan. Pemanasan awal, kontrol suhu antar lapisan, dan perlakuan panas pasca las (PWHT) biasanya diperlukan untuk menghindari retak. - Mo yang lebih tinggi pada H13 dan sering kali CE yang sedikit lebih tinggi cenderung membuatnya sedikit lebih rentan terhadap pengerasan dan retak di zona yang terpengaruh panas (HAZ), sehingga praktik pengelasan harus lebih konservatif (pemanasan awal yang lebih tinggi, pendinginan terkontrol, PWHT). - H11, dengan kandungan Mo yang sedikit lebih rendah, sedikit lebih mudah untuk dilas tetapi masih memerlukan tindakan pencegahan standar untuk baja alat (pemanasan awal, input panas rendah, PWHT) dan penggunaan logam pengisi yang cocok atau khusus.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik H13 maupun H11 bukanlah tahan karat; keduanya rentan terhadap korosi di lingkungan lembab atau korosif. Metode perlindungan yang umum termasuk:
- Pengecatan atau pelapisan polimer
- Pasivasi kimia (efektivitas terbatas pada baja paduan ini)
- Galvanisasi lokal tidak umum untuk alat karena pelapisan dapat mempengaruhi toleransi dan kinerja.
- Rekayasa permukaan (nitriding, pelapisan PVD, pelapisan keramik atau DLC) umum digunakan untuk meningkatkan ketahanan aus dan korosi permukaan.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) hanya berarti untuk paduan tahan karat; misalnya: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini tidak berlaku untuk H11/H13 karena mereka adalah baja alat non-tahan karat.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin:
- Dalam keadaan yang diredakan, kedua kelas dapat diproses dengan alat baja kecepatan tinggi atau karbida standar. H13, dengan Mo yang sedikit lebih tinggi dan lebih banyak karbida sekunder, dapat sedikit lebih abrasif terhadap alat dan dapat mengurangi umur alat dibandingkan H11 dalam kondisi yang setara.
- Ketika dikuatkan, keduanya sulit untuk diproses; EDM, penggilingan, dan pemesinan abrasif adalah metode penyelesaian yang umum.
- Formabilitas:
- Pembentukan panas (penempaan) adalah praktik standar untuk cetakan besar. Keduanya merespons dengan baik terhadap kerja panas ketika suhu dan laju regangan yang tepat digunakan.
- Pembentukan dingin terbatas karena kandungan karbon dan risiko retak.
- Penyelesaian:
- Keduanya menerima perlakuan pengerasan permukaan (nitriding, pengerasan induksi untuk area selektif) dan pelapisan PVD/CVD. Ketahanan tempering H13 yang lebih baik menjadikannya platform yang sedikit lebih baik untuk pelapisan yang digunakan pada suhu tinggi.
8. Aplikasi Tipikal
| H13 – Penggunaan Tipikal | H11 – Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Cetakan penempaan panas (penempaan tekan, penempaan cetakan) di mana kelelahan termal dan kekerasan panas sangat penting | Cetakan penempaan berat dan alat di mana ketangguhan patah massa dan ketahanan terhadap kejutan mekanis diprioritaskan |
| Alat pengecoran cetakan dan sisipan inti (kelelahan termal tinggi, kekerasan merah) | Cetakan besar dengan penampang tebal untuk penempaan di mana risiko patah dan propagasi retak tinggi |
| Cetakan ekstrusi dan bilah pemotong yang terpapar suhu tinggi | Pelapis dan alat untuk operasi yang rentan terhadap dampak; aplikasi di mana kemampuan perbaikan alat dan ketangguhan penting |
| Cetakan kerja panas untuk plastik dan karet di bawah siklus termal tinggi | Aplikasi yang memerlukan ketahanan lebih besar terhadap kegagalan rapuh yang katastrofik |
Alasan pemilihan: - Pilih H13 ketika paparan suhu tinggi berulang, siklus termal, dan ketahanan terhadap pelunakan (ketahanan tempering) adalah perhatian utama. - Pilih H11 ketika layanan mencakup dampak mekanis berat, penampang besar yang rentan terhadap stres internal, atau di mana memaksimalkan ketangguhan patah massa adalah prioritas.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: H13 diproduksi dan disimpan secara luas di seluruh dunia; kandungan molibdenum yang lebih tinggi dapat membuatnya sedikit lebih mahal daripada H11 berdasarkan per kg, tetapi harga tergantung pada pemasok dan pasar. H11 mungkin sedikit lebih murah di mana inventaris dan pasokan lokal mendukungnya.
- Ketersediaan berdasarkan bentuk produk:
- Batang, blok, pelat, penempaan, dan pelat pra-dikuatkan umumnya tersedia untuk kedua kelas. H13 mungkin adalah kelas kerja panas yang paling umum disimpan di seluruh dunia, sehingga waktu pengiriman dan variasi bentuk seringkali lebih baik untuk H13.
- Untuk penempaan kustom besar, waktu pengiriman pasokan lebih tergantung pada perlakuan panas dan rumah penempaan daripada kelas bahan dasar.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | H13 | H11 |
|---|---|---|
| Kemampuan las (relatif) | Sedang–sulit (memerlukan pemanasan awal, PWHT) | Sedang (sedikit lebih mudah daripada H13, tetapi masih memerlukan perhatian) |
| Kekuatan – Kekerasan panas | Tinggi (kekerasan merah yang lebih baik, ketahanan tempering) | Baik (kekuatan suhu tinggi sedikit lebih rendah) |
| Ketangguhan – Ketahanan terhadap kejutan/patah | Baik | Lebih baik (umumnya ketangguhan patah massa yang lebih tinggi) |
| Biaya | Sedang–lebih tinggi (karena kandungan Mo) | Sedang–lebih rendah (sering sedikit lebih murah) |
Rekomendasi: - Pilih H13 jika: - Alat Anda beroperasi pada suhu tinggi untuk siklus yang diperpanjang dan membutuhkan kekerasan merah yang baik serta ketahanan terhadap pelunakan termal (misalnya, pengecoran cetakan, ekstrusi, pemotongan panas). - Kelelahan termal dan ketahanan terhadap pelunakan di bawah pemanasan siklik adalah mode kegagalan utama. - Pilih H11 jika: - Alat atau cetakan mengalami kejutan mekanis berat, dampak, atau di mana mencegah patah rapuh dan patah adalah perhatian utama (cetakan penempaan besar, alat yang rentan terhadap kejutan). - Anda memprioritaskan ketangguhan patah dan kemudahan perbaikan dibandingkan dengan retensi kekerasan suhu tinggi maksimum.
Catatan akhir: Kinerja praktis dari kedua kelas sangat bergantung pada kualitas pasokan, kebersihan, pemrosesan termo-mekanis sebelumnya, dan jadwal perlakuan panas yang tepat. Untuk alat yang kritis, tentukan ketangguhan yang diperlukan, rentang kekerasan yang dapat diterima, dan praktik perlakuan panas pasca las dalam dokumen pengadaan dan konsultasikan dengan pemasok baja untuk mendapatkan sertifikasi pabrik dan siklus termal yang direkomendasikan yang disesuaikan dengan aplikasi.