H13 vs SKD61 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
H13 dan SKD61 adalah dua jenis baja alat kerja panas yang paling banyak ditentukan untuk cetakan, mold, dan komponen alat yang terpapar suhu tinggi, siklus termal, dan keausan abrasif. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali menghadapi keputusan antara dua jenis ini saat menentukan material untuk cetakan penempaan panas, alat pengecoran cetakan, cetakan ekstrusi, dan peralatan pemotongan panas. Keputusan ini sering kali menyeimbangkan kemampuan pengerasan, ketahanan temper, dan kinerja kelelahan termal terhadap ketersediaan, biaya, dan konvensi penamaan lokal.
Perbedaan utama terutama terletak pada nomenklatur dan asal standar: H13 adalah penunjukan gaya AISI/ASTM yang umum digunakan di Amerika Utara dan Eropa, sementara SKD61 adalah penunjukan JIS (Standar Industri Jepang). Secara metalurgi, keduanya adalah baja alat kerja kromium-molibdenum-vanadium yang secara fungsional setara dengan komposisi dan sifat yang sangat mirip, tetapi pemilihan dapat dipengaruhi oleh jendela komposisi yang diizinkan, praktik perlakuan panas lokal, dan ketersediaan rantai pasokan.
1. Standar dan Penunjukan
- AISI/SAE / ASTM: H13 — penunjukan Barat yang umum untuk baja alat kerja panas.
- JIS: SKD61 — penunjukan Jepang untuk setara H13.
- DIN / EN: terdaftar di bawah baja alat kerja panas (jenis kromium–molibdenum–vanadium); sering dirujuk dalam spesifikasi dan standar Eropa untuk baja alat.
- GB (Cina): tersedia di bawah standar nasional Cina untuk baja alat kerja panas dengan rentang kimia yang setara.
- ISO: dirujuk dalam klasifikasi baja alat internasional sebagai grade Cr-Mo-V untuk kerja panas.
Klasifikasi: baik H13 maupun SKD61 adalah baja alat (baja alat kerja panas). Mereka adalah baja paduan dengan tambahan Cr, Mo, dan V yang disengaja untuk memberikan kemampuan pengerasan, ketahanan temper, dan ketahanan aus untuk layanan suhu tinggi.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Kedua jenis ini pada dasarnya setara dalam konsep paduan: karbon sedang dengan tambahan Cr, Mo, dan V yang moderat untuk meningkatkan kemampuan pengerasan, ketahanan temper, dan pengerasan sekunder. Tabel di bawah ini menunjukkan rentang komposisi tipikal yang biasanya ditemukan dalam standar dan lembar data pemasok.
| Elemen | H13 Tipikal (wt%) | SKD61 Tipikal (wt%) |
|---|---|---|
| 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 | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| S | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| Cr | 4.75 – 5.50 | 4.75 – 5.50 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | 1.10 – 1.75 | 1.10 – 1.75 |
| V | 0.80 – 1.20 | 0.80 – 1.20 |
| Nb/Ti/B/N | jejak / biasanya terkontrol | jejak / biasanya terkontrol |
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Karbon: mengontrol kemampuan pengerasan dan kekerasan puncak; C yang lebih tinggi meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus tetapi mengurangi ketangguhan dan kemampuan pengelasan. - Kromium: meningkatkan kemampuan pengerasan, ketahanan aus, dan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi. - Molibdenum: meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan suhu tinggi (ketahanan temper). - Vanadium: memperhalus karbida dan ukuran butir, meningkatkan ketahanan aus dan ketangguhan. - Silikon dan mangan: deoksidasi dan modifikasi kekuatan; Mn yang berlebihan dapat membentuk fase rapuh jika tidak terkontrol.
Paduan mikro minor dan elemen jejak (Nb, Ti, B) mungkin ada dalam peleburan modern untuk mengontrol ukuran butir dan meningkatkan pengerasan; ini biasanya dikontrol ketat oleh setiap standar dan pabrik.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Rolled/normalisasi: matriks martensitik yang dikeraskan dengan karbida paduan yang terdispersi dan kemungkinan austenit yang tertahan tergantung pada pemrosesan. - Setelah pendinginan & temper: martensit yang dikeraskan dengan karbida paduan yang terdistribusi secara merata (karbida Cr, Mo, V). Pengerasan sekunder dari presipitasi karbida selama tempering adalah ciri utama untuk ketahanan temper suhu tinggi.
Rute perlakuan panas dan efek: - Normalisasi: memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya dan mengurangi segregasi; tipikal untuk penempaan besar dan untuk menghasilkan struktur awal yang seragam sebelum pengerasan. - Pendinginan (minyak atau vakum): austenitisasi (tipikal 1000–1050 °C, tergantung pada ukuran bagian dan standar), kemudian pendinginan untuk mencapai transformasi martensitik. Baik H13 maupun SKD61 merespons dengan cara yang sama; pemanasan awal yang memadai dan pendinginan yang terkontrol meminimalkan distorsi dan retak. - Tempering: beberapa siklus temper (umumnya 2–3) pada suhu temper tinggi (misalnya, 500–600 °C) untuk mengembangkan kekerasan dan ketangguhan yang diperlukan. Kedua jenis menunjukkan pengerasan sekunder; pemilihan suhu temper menyeimbangkan kekerasan vs. ketangguhan dan ketahanan kelelahan termal. - Pemrosesan termo-mekanis: penempaan panas diikuti oleh normalisasi terkontrol meningkatkan ketangguhan impak dan mengurangi segregasi; T&T akhir mengoptimalkan sifat.
Karena kimia sangat mirip, evolusi mikrostruktur dan respons terhadap perlakuan panas secara efektif dapat dipertukarkan, meskipun praktik perlakuan panas pemasok individu dan efek ukuran panas dapat menghasilkan perbedaan yang terukur dalam sifat akhir.
4. Sifat Mekanik
Rentang sifat mekanik tipikal ditunjukkan untuk kondisi yang didinginkan dan dikeraskan yang umum digunakan dalam alat (nilai bersifat indikatif; tentukan perlakuan panas dan standar uji yang tepat saat mengadakan material).
| Sifat | H13 Tipikal (dididihkan & dikeraskan) | SKD61 Tipikal (dididihkan & dikeraskan) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (Rm) | 1100 – 1600 MPa | 1100 – 1600 MPa |
| Kekuatan luluh (Rp0.2) | 900 – 1400 MPa | 900 – 1400 MPa |
| Peregangan (A%) | 6 – 12% | 6 – 12% |
| Ketangguhan impak (Charpy V-notch) | 10 – 40 J (tergantung pada kekerasan/perlakuan panas) | 10 – 40 J (tergantung pada kekerasan/perlakuan panas) |
| Kekerasan (HRC) | 40 – 55 HRC (rentang produksi tipikal) | 40 – 55 HRC (rentang produksi tipikal) |
Mana yang lebih kuat, lebih tangguh, atau lebih ulet? - Tidak ada keuntungan kekuatan intrinsik untuk salah satu grade; keduanya dirancang untuk kekerasan suhu tinggi dan ketahanan temper. Kekuatan dan ketangguhan akhir sangat tergantung pada kandungan karbon yang tepat, suhu perlakuan panas, rejimen temper, dan ukuran bagian. - Ketangguhan umumnya menurun seiring dengan meningkatnya kekerasan (suhu temper yang lebih tinggi menurunkan kekerasan tetapi meningkatkan ketangguhan). Kedua grade mengikuti trade-off yang sama. - Dalam praktiknya, perbedaan dalam ketangguhan atau keuletan antara H13 dan SKD61 biasanya berada dalam variabilitas proses dan panas-ke-panas daripada melekat pada penunjukan tertentu.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan baja alat kerja panas dibatasi oleh kandungan karbon dan kemampuan pengerasan. Pertimbangan kunci: - Setara karbon: C, Cr, Mo, V yang lebih tinggi meningkatkan kemampuan pengerasan dan kerentanan terhadap retak di HAZ. - Gunakan pemanasan awal, kontrol suhu antar proses, dan temper setelah pengelasan untuk meminimalkan retak dan retak dingin yang disebabkan hidrogen.
Indeks kemampuan pengelasan umum: - Setara karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Indeks Pcm (Boehler): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi (kualitatif): - Baik H13 maupun SKD61 menunjukkan nilai $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang serupa karena kimia yang hampir identik; keduanya dianggap sebagai moderat hingga sulit untuk dilas tanpa prosedur khusus. - Praktik yang direkomendasikan: pemanasan awal yang terkontrol (sering 150–300 °C tergantung pada ketebalan), bahan habis pakai rendah hidrogen, kontrol suhu antar proses, peening jika perlu, dan temper setelah pengelasan untuk mengembalikan temper dan mengurangi stres sisa. - Pengelasan biasanya digunakan untuk perbaikan kecil; untuk alat kritis, sering kali lebih baik untuk mengelas hanya pada bagian yang akan diperlakukan ulang dan dikeraskan setelah pengelasan untuk mengembalikan sifat.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- H13 dan SKD61 bukan baja tahan karat; ketahanan korosi mereka terbatas. Pemilihan harus mempertimbangkan perlindungan permukaan dan lingkungan.
- Strategi perlindungan permukaan:
- Pelapis pelindung (PVD/CVD) untuk pengurangan keausan, bukan hanya korosi.
- Galvanisasi biasanya tidak berlaku untuk alat baja karena masalah suhu dan adhesi.
- Pengecatan, pelumasan, atau konversi tipe kromat untuk perlindungan penyimpanan.
- Nitriding lokal atau pengerasan permukaan dapat meningkatkan ketahanan aus dan korosi di tempat yang sesuai; perlu dicatat bahwa nitriding mengubah kimia permukaan dan dapat mempengaruhi perilaku kelelahan.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) berlaku untuk grade tahan karat: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Ini tidak berlaku untuk H13/SKD61 karena mereka adalah baja alat non-tahan karat dan tidak bergantung pada kandungan Cr untuk pembentukan film korosi pasif dengan cara yang sama seperti paduan tahan karat.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin: dalam kondisi yang dinormalisasi/dilembutkan, baja ini dapat diproses dengan alat karbida; kecepatan pemotongan dan umpan harus konservatif dibandingkan dengan baja paduan rendah. H13/SKD61 yang dikeraskan memerlukan alat karbida atau keramik berkinerja tinggi.
- Pemotongan dan EDM: kedua grade merespons dengan baik terhadap penggilingan ruang alat dan EDM; EDM biasanya digunakan untuk menghasilkan rongga kompleks dan modifikasi.
- Pembentukan/membengkok: terbatas saat dikeraskan; dalam kondisi lembut, proses pembentukan panas dan dingin standar dimungkinkan, tetapi pemulihan dan pengerasan kerja harus dipertimbangkan.
- Penyelesaian permukaan: karena karbida paduan, pemolesan halus hingga hasil akhir cermin dapat dicapai tetapi mungkin memerlukan abrasif khusus dan waktu siklus yang lebih lama.
8. Aplikasi Tipikal
| H13 (AISI) — Penggunaan Tipikal | SKD61 (JIS) — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Cetakan pengecoran cetakan kerja panas (aluminium, seng) | Cetakan pengecoran cetakan kerja panas |
| Cetakan penempaan (penempaan jatuh, penempaan terbalik) | Cetakan penempaan dan alat ekstrusi panas |
| Cetakan ekstrusi untuk paduan suhu tinggi | Alat ekstrusi dan bilah pemotongan panas |
| Cetakan penempaan panas | Cetakan penempaan panas dan cetakan pembentukan panas |
| Mold injeksi plastik untuk polimer suhu tinggi (penggunaan terpilih) | Mold untuk plastik teknik dan pemrosesan komposit |
Alasan pemilihan: - Pilih jenis ini ketika alat harus tahan terhadap deformasi plastik, mempertahankan kekerasan pada suhu tinggi, dan tahan terhadap kelelahan termal. Pilihan antara H13 dan SKD61 biasanya didorong oleh spesifikasi regional atau ketersediaan pemasok daripada perbedaan kinerja material.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: H13 dan SKD61 memiliki biaya bahan baku yang sebanding; harga pasar bervariasi berdasarkan wilayah, pabrik, dan bentuk pasokan (batang bulat, pelat, blok tempa, pelat pra-dikeraskan). SKD61 mungkin lebih mudah tersedia di Asia; penunjukan H13 mungkin lebih umum di Amerika Utara dan Eropa.
- Ketersediaan: kedua grade diproduksi secara luas dan tersedia dari beberapa pabrik dalam bentuk batang, pelat, tempa, dan blank pra-dikeraskan. Waktu tunggu tergantung pada ukuran dan kondisi perlakuan panas.
- Ekonomi skala: membeli ukuran batang standar atau pelat pra-dikeraskan biasanya mengurangi biaya dibandingkan dengan tempa khusus atau blok yang dikeraskan dalam batch kecil.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan — perbandingan kualitatif
| Atribut | H13 | SKD61 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Sedang–sulit (memerlukan prosedur) | Sedang–sulit (memerlukan prosedur) |
| Seimbang Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan tinggi dengan ketahanan temper yang baik; trade-off dengan ketangguhan pada kekerasan yang lebih tinggi | Setara: kekuatan tinggi dan ketahanan temper, trade-off serupa |
| Biaya & Ketersediaan | Tersedia luas di Amerika/Eropa; nama spesifikasi umum | Tersedia luas di Asia; nama spesifikasi JIS umum |
Kesimpulan dan rekomendasi praktis: - Pilih H13 jika Anda menentukan nomenklatur AISI/ASTM, bersumber dari pemasok atau pabrik yang mengutip material sebagai H13, atau jika alat akan diproduksi dan dipelihara di daerah di mana H13 adalah istilah standar. - Pilih SKD61 jika Anda bekerja dengan spesifikasi berbasis JIS, bersumber dari pemasok Asia, atau jika pesanan pembelian dan dokumentasi kualitas Anda merujuk SKD61 sebagai grade kontrak. - Untuk keputusan alat kritis, fokus pada: toleransi komposisi yang tepat, instruksi perlakuan panas spesifik (jadwal austenitisasi dan temper), target kekerasan dan ketangguhan yang diperlukan, serta kriteria penerimaan non-destruktif atau mekanis yang jelas. Karena H13 dan SKD61 secara metalurgi setara, pastikan pengadaan menekankan kondisi perlakuan panas, jejak, dan sertifikasi pabrik daripada hanya nama grade.
Jika Anda memerlukan klausul spesifikasi contoh atau daftar periksa pengadaan untuk memastikan kinerja setara saat mengganti nama (H13 ↔ SKD61) di antara pemasok, saya dapat menyediakan template singkat yang siap digunakan.