H13 vs SKD61 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
H13 (penunjukan AISI/ASTM) dan SKD61 (penunjukan JIS) adalah dua jenis baja alat kerja panas yang paling umum ditentukan di seluruh dunia. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali menghadapi pilihan antara keduanya saat menentukan cetakan, mold, dan alat pembentukan panas — pertimbangan biasanya mencakup ketahanan panas, umur pakai, kemampuan las, dan kesesuaian rantai pasokan. Dilema pemilihan sering kali berkurang menjadi apakah akan memprioritaskan spesifikasi dan keselarasan standar (yang mempengaruhi sertifikat inspeksi, toleransi dimensi, dan kriteria penerimaan) versus kimia material dan praktik perlakuan panas yang mengatur kinerja saat digunakan.
Kedua grade secara kimia dan metalurgi sangat mirip; perbedaan praktis utama terletak pada standar, toleransi yang diizinkan, dan persyaratan kondisi pengiriman. Karena mereka mengonvergensi pada strategi paduan yang sama (baja kerja panas Cr–Mo–V), mereka sering kali dapat dipertukarkan dalam fungsi, tetapi tidak selalu dapat dipertukarkan di atas kertas dalam kontrak yang diatur atau di mana jejak dan sertifikasi terhadap standar tertentu diperlukan.
1. Standar dan Penunjukan
- H13: Penunjukan dan standar umum termasuk AISI H13, SAE J431 (historis), ASTM A681 (batang baja alat), standar AMS (untuk substrat dirgantara), dan berbagai ekuivalen EN/ISO (sering dirujuk sebagai X40CrMoV5-1 / 1.2344 tergantung pada spesifikasi dan kondisi pengiriman yang tepat).
- SKD61: JIS G4404 (SKD61) adalah penunjukan Standar Industri Jepang. Material ekuivalen biasanya dirujuk silang ke AISI H13 atau grade baja alat DIN/EN, tetapi detailnya dapat bervariasi berdasarkan pabrik dan spesifikasi.
- Klasifikasi: Baik H13 maupun SKD61 adalah baja alat kerja panas (baja paduan/baja alat), bukan stainless, bukan HSLA.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | Rentang Tipikal H13 (wt%) | Rentang Tipikal SKD61 (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.32–0.45 | 0.32–0.45 |
| Mn | 0.20–0.60 | 0.20–0.50 |
| Si | 0.80–1.20 | 0.70–1.20 |
| P | ≤0.03 (jejak) | ≤0.03 (jejak) |
| S | ≤0.03 (jejak) | ≤0.03 (jejak) |
| Cr | 4.75–5.50 | 4.75–5.50 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | 1.10–1.75 | 1.10–1.50 |
| V | 0.80–1.20 | 0.80–1.20 |
| Nb, Ti, B, N | ≤jejak | ≤jejak |
Catatan: - Rentang adalah rentang komersial tipikal; komposisi yang tepat bervariasi berdasarkan standar dan pabrik. SKD61 dan H13 menggunakan strategi paduan yang sama: karbon rentang menengah untuk kekerasan dan ketahanan aus, kromium signifikan untuk ketahanan temper dan ketahanan oksidasi, molibdenum dan vanadium untuk pengerasan sekunder, kekuatan pada suhu tinggi, dan dispersi karbida untuk ketahanan aus. - Perbedaan kecil antara standar sering muncul dalam batasan kotoran, elemen jejak, dan jendela komposisi yang diizinkan daripada dalam pendekatan paduan yang mendasar.
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon mengontrol kekerasan yang dapat dicapai dan ketahanan aus tetapi meningkatkan kemampuan pengerasan dan risiko retak. - Kromium memberikan kemampuan pengerasan, kekuatan suhu tinggi, dan ketahanan oksidasi. - Molybdenum meningkatkan ketahanan temper dan pengerasan sekunder. - Vanadium membentuk karbida stabil yang meningkatkan ketahanan aus dan memperhalus ukuran butir, meningkatkan ketangguhan. - Silikon dan mangan adalah deoksidator dan berkontribusi pada kekuatan; Mn yang berlebihan dapat mengurangi ketangguhan.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Dalam kondisi yang dinormalisasi atau dinormalisasi: martensit yang dikeraskan atau struktur bainitik/perlit tergantung pada pendinginan; mikrostruktur yang lunak mengandung karbida yang terdispersi dalam ferrit/perlit untuk kemudahan pemesinan. - Setelah siklus pendinginan dan pengerasan standar: matriks martensit yang dikeraskan dengan karbida kromium/molybdenum/vanadium yang terdispersi yang memberikan kekuatan tinggi dan kekerasan panas. Pengerasan sekunder dari Mo dan V menghasilkan peningkatan kekerasan setelah pengerasan pada suhu tinggi yang khas untuk baja kerja panas. - SKD61 dan H13 mengembangkan konstituen mikrostruktural yang pada dasarnya sama di bawah siklus perlakuan panas yang setara.
Rute perlakuan panas dan efeknya: - Normalisasi: memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya dan menghomogenkan mikrostruktur; direkomendasikan sebelum pemesinan kasar untuk bagian besar. - Pengerasan (austenitisasi dan pendinginan): austenitisasi biasanya dalam rentang 1000–1050 °C (suhu tepat sesuai spesifikasi), diikuti oleh pendinginan minyak atau udara tergantung pada ukuran bagian dan ketangguhan yang diperlukan. Menghasilkan martensit dan austenit yang tertahan. - Pengerasan: beberapa siklus pengerasan (sering 2–3) digunakan untuk mengurangi stres sisa dan mengembangkan kekerasan yang diinginkan sambil mempromosikan pengerasan sekunder (karena karbida Mo dan V). Suhu pengerasan yang lebih tinggi menurunkan kekerasan tetapi meningkatkan ketangguhan. - Pemrosesan termo-mekanis (untuk penempaan dan cetakan besar): suhu penempaan yang terkontrol dan pemanasan subkritikal mengurangi segregasi dan memperhalus karbida, meningkatkan ketangguhan dan umur lelah.
4. Sifat Mekanis
| Sifat | H13 Tipikal (dikeraskan & dikeraskan) | SKD61 Tipikal (dikeraskan & dikeraskan) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | ~1000–1800 MPa (tergantung pada pengerasan) | ~1000–1800 MPa (rentang serupa) |
| Kekuatan luluh | ~800–1500 MPa | ~800–1500 MPa |
| Peregangan (A%) | ~5–12% | ~5–12% |
| Ketangguhan impak (Charpy V) | ~15–45 J (tergantung pada kekerasan/pengerasan) | ~15–45 J (sebanding) |
| Kekerasan (HRC) | ~40–52 HRC (rentang operasional tipikal) | ~40–52 HRC |
Interpretasi: - Kedua grade menunjukkan profil kekuatan dan ketangguhan yang serupa karena mereka berbagi elemen paduan utama yang sama. Kompromi antara kekuatan dan ketangguhan terutama dikendalikan oleh kandungan karbon dan praktik pengerasan daripada label H13 vs SKD61. - Ketangguhan ditingkatkan oleh normalisasi dan pengerasan yang hati-hati, serta ketebalan bagian yang dikurangi dan praktik perlakuan panas yang tepat. - Perbedaan praktis jarang terletak pada sifat mekanis intrinsik tetapi pada kondisi pengiriman yang dijamin, instruksi perlakuan panas, dan kriteria penerimaan yang ditentukan oleh standar yang dipilih.
5. Kemampuan Las
Pertimbangan kemampuan las untuk kedua grade: - Indeks setara karbon dan indeks komposisi setara digunakan untuk mengevaluasi risiko retak dingin dan persyaratan pemanasan awal/pemanasan setelahnya. Rumus empiris umum termasuk:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
dan
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretasi: Baik H13 maupun SKD61 memiliki karbon sedang dan paduan signifikan (Cr, Mo, V) yang meningkatkan CE dan $P_{cm}$. Ini berarti:
- Pemanasan awal dan suhu antar pengelasan yang terkontrol biasanya diperlukan untuk menghindari retak dingin yang disebabkan oleh hidrogen.
- Perlakuan panas setelah pengelasan (PWHT) atau pengerasan mungkin diperlukan untuk mengembalikan ketangguhan dan mengurangi stres sisa pada bagian yang kritis dalam layanan.
- Pemilihan pengisi las harus sesuai dengan kimia dan mengakomodasi kecenderungan karbida/pengerasan sekunder.
- Panduan praktis: Pengelasan dapat dilakukan dengan prosedur yang tepat (bahan habis pakai rendah-hidrogen, pemanasan awal, pendinginan lambat), tetapi pengelasan perbaikan pada alat kerja panas yang sangat tertekan memerlukan kontrol metalurgi dan siklus pengerasan berikutnya.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Kedua H13 dan SKD61 adalah baja alat non-stainless; mereka tidak menawarkan ketahanan korosi yang signifikan dibandingkan dengan grade stainless. Mereka menahan oksidasi dan pengelupasan pada suhu tinggi lebih baik daripada baja karbon sederhana karena kandungan Cr, tetapi tidak tahan korosi di lingkungan kimia yang basah atau agresif.
- Strategi perlindungan permukaan umum:
- Pelapis pelindung (PVD/CVD) untuk ketahanan aus dan korosi ringan.
- Nitriding atau karbonitriding permukaan untuk meningkatkan kekerasan permukaan dan memperbaiki ketahanan lelah/aus (harus mempertimbangkan stres sisa dan distorsi).
- Cat, pelapis epoksi, atau galvanisasi untuk layanan non-suhu tinggi (galvanisasi tidak cocok untuk permukaan cetakan suhu tinggi).
- Rumus PREN untuk paduan stainless tidak berlaku untuk H13/SKD61, tetapi untuk kelengkapan ekspresi PREN adalah:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Gunakan PREN hanya untuk mengevaluasi ketahanan pitting baja stainless; itu tidak berlaku untuk baja alat kerja panas.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan
- Kemudahan pemesinan: Dalam kondisi yang dinormalisasi kedua baja dapat diproses dengan baik; kekerasan dan kandungan karbida meningkatkan keausan alat dalam kondisi yang dikeraskan. Elemen pembentuk karbida (V, Mo) meningkatkan abrasi, mengurangi umur alat untuk pemotongan/bor presisi tinggi kecuali alat karbida digunakan.
- Kemudahan pembentukan: Pembentukan dingin terbatas pada material yang dikeraskan. Billet yang lunak dapat dibentuk; penempaan panas diikuti dengan perlakuan panas yang terkontrol adalah umum untuk memproduksi blok cetakan besar dan penempaan.
- Penggilingan dan EDM adalah operasi penyelesaian standar untuk alat yang dikeraskan; EDM biasanya digunakan untuk rongga kompleks dan pekerjaan perbaikan.
- Perlakuan permukaan seperti nitriding dapat mengurangi kemudahan pemesinan dan memerlukan penyesuaian operasi penyelesaian.
8. Aplikasi Tipikal
| Penggunaan Tipikal H13 (AISI) | Penggunaan Tipikal SKD61 (JIS) |
|---|---|
| Cetakan pengecoran kerja panas | Cetakan pengecoran kerja panas |
| Cetakan dan insert penempaan panas | Cetakan ekstrusi panas dan plunger |
| Bilah pemotong panas dan punch | Cetakan penempaan dan alat pengecoran cetakan |
| Inti cetakan injeksi plastik (siklus termal tinggi) | Alat pembentukan suhu tinggi |
| Alat tahan panas untuk aluminium dan kuningan | Komponen tekan dan cetakan untuk pembentukan panas |
Rasional pemilihan: - Kedua grade dipilih untuk aplikasi kerja panas di mana ketahanan terhadap kelelahan termal, pelunakan termal, dan keausan abrasif adalah persyaratan utama. - Pilih berdasarkan jenis beban, frekuensi siklus, suhu operasi, dan umur permukaan yang diperlukan; kinerja metalurgi serupa, jadi pertimbangan logistik dan kontraktual (spesifikasi, sertifikasi) sering kali mendorong pilihan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: Umumnya serupa berdasarkan per-kg karena kimia dan pemrosesan setara. Faktor pasar regional dapat membuat SKD61 lebih ekonomis di Asia, sementara H13 (ditentukan untuk ASTM/AMS) mungkin lebih disukai dan lebih mudah tersedia di Amerika Utara dan Eropa.
- Bentuk produk dan ketersediaan: Kedua grade tersedia secara luas dalam bentuk batang, pelat, penempaan, dan blok pra-dikeraskan. Ketersediaan bentuk produk tertentu (blok tempa besar, pelat yang digiling presisi) tergantung pada kemampuan pabrik regional dan inventaris.
- Waktu tunggu: Menentukan standar tertentu (JIS vs ASTM/AMS) dapat mempengaruhi waktu tunggu dan dokumen inspeksi; untuk komponen kritis, konfirmasikan sertifikat uji pabrik dan deviasi yang diizinkan sebelumnya.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | H13 | SKD61 |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Sedang; memerlukan pemanasan awal/PWHT | Sedang; tindakan pencegahan pengelasan identik |
| Kesimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan tinggi dengan ketangguhan baik setelah HT yang tepat | Kesimbangan setara di bawah HT yang setara |
| Biaya & ketersediaan | Tersedia secara luas secara global; lebih disukai dalam konteks ASTM/AMS | Tersedia secara luas, sering lebih ekonomis di Asia; bersertifikat JIS |
Rekomendasi: - Pilih H13 jika: rantai pasokan, kontrak, atau persyaratan sertifikasi Anda memerlukan spesifikasi AISI/ASTM/AMS, atau jika proses pengadaan dan inspeksi Anda dikonfigurasi berdasarkan standar tersebut. Ini adalah pilihan pragmatis untuk pengadaan di Amerika Utara dan Eropa di mana dokumen dan kriteria penerimaan mendukung H13/ASTM. - Pilih SKD61 jika: pengadaan Anda berpusat secara regional di Jepang atau Asia, dokumen kontrak merujuk pada standar JIS, atau Anda memerlukan kompatibilitas dengan dokumentasi uji pabrik bersertifikat JIS. SKD61 dapat menawarkan keuntungan biaya atau waktu tunggu di pasar tersebut. - Dalam istilah fungsional, pilih salah satu grade ketika kebutuhan utama adalah kekerasan panas, ketahanan terhadap kelelahan termal, dan ketahanan aus — tetapi selalu tentukan instruksi perlakuan panas, rentang penerimaan kekerasan, dan inspeksi/sertifikasi yang diperlukan untuk memastikan produk yang dikirim memenuhi maksud rekayasa.
Catatan akhir: Dari sudut pandang kinerja metalurgi, H13 dan SKD61 secara efektif adalah paduan yang setara. Faktor penentu bagi banyak pengguna industri adalah kesesuaian standar dan dokumentasi rantai pasokan yang terkait serta toleransi, bukan perbedaan substansial dalam perilaku saat digunakan. Saat menentukan alat, sertakan parameter perlakuan panas yang eksplisit, rentang kekerasan penerimaan, dan prosedur pengelasan perbaikan untuk memastikan kinerja yang dapat diprediksi terlepas dari apakah material tersebut diberi label H13 atau SKD61.