NAK80 vs P20 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
NAK80 dan P20 adalah dua jenis baja cetakan yang paling umum ditentukan dalam industri pencetakan injeksi dan alat. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering mempertimbangkan trade-off antara keduanya saat memilih baja untuk sisipan inti/ruang, komponen hot-runner, dan alat prototipe. Konteks keputusan yang umum termasuk menyeimbangkan hasil akhir permukaan dan kemampuan pemolesan terhadap biaya dan kemampuan mesin, atau memilih antara ketahanan korosi yang lebih baik dan kinerja mekanis standar.
Perbedaan praktis utama adalah bahwa NAK80 adalah baja cetakan pra-hardened yang mengandung karbon rendah dan nikel yang dioptimalkan untuk kemampuan pemolesan tinggi dan ketahanan yang lebih baik terhadap korosi lingkungan, sementara P20 adalah baja cetakan yang dipadu dengan kromium-molibdenum yang dikembangkan untuk kemampuan mesin yang baik, hardsenabilitas yang seragam, dan ketersediaan yang luas. Perbedaan ini mempengaruhi pilihan dalam penyelesaian, pemrosesan, dan kinerja bagian jangka panjang.
1. Standar dan Penunjukan
- P20:
- Penunjukan umum: AISI/UNS (sering dirujuk sebagai AISI P20), setara DIN/EN ada dalam daftar baja alat, dan berbagai spesifikasi nasional (misalnya, daftar JIS/GB yang merujuk pada baja cetakan).
- Klasifikasi: Baja alat paduan / baja cetakan pra-hardened.
- NAK80:
- Nama grade komersial/proprietary yang banyak digunakan dalam industri cetakan plastik (dijual oleh beberapa produsen baja di bawah penunjukan NAK80).
- Klasifikasi: Baja cetakan/alat pra-hardened dengan kandungan karbon rendah dan nikel tinggi, dipasarkan sebagai baja cetakan yang dapat dipoles dan tahan korosi.
Catatan: Tidak ada grade yang merupakan grade stainless dalam arti ketat (yaitu, keduanya tidak termasuk dalam keluarga stainless austenitik), tetapi kandungan nikel NAK80 memberikan ketahanan korosi yang lebih baik dibandingkan P20 konvensional.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut mencantumkan rentang komposisi tipikal yang dilaporkan dalam lembar data komersial. Komposisi bervariasi menurut pemasok; selalu verifikasi dengan sertifikat pabrik untuk lot tertentu.
| Elemen | Komposisi tipikal (wt%) — NAK80 (aproksimasi) | Komposisi tipikal (wt%) — P20 (aproksimasi) |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 0.25 – 0.35 |
| Mn | 0.20 – 0.80 | 0.40 – 0.80 |
| Si | 0.10 – 0.40 | 0.10 – 0.40 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 0.8 – 1.6 | 1.2 – 1.8 |
| Ni | 2.5 – 4.5 | 0.2 – 0.8 |
| Mo | 0.2 – 0.6 | 0.1 – 0.4 |
| V | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
| Nb (Cb) | ≤ 0.03 | jejak/− |
| Ti | jejak/− | jejak/− |
| B | jejak/− | jejak/− |
| N | jejak/− | jejak/− |
Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Karbon: Karbon yang lebih tinggi dalam P20 menghasilkan potensi kekuatan yang lebih tinggi setelah pengerasan tetapi mengurangi kemampuan pemolesan dan meningkatkan risiko fase keras yang menyulitkan penyelesaian dan meningkatkan kemungkinan retak las tanpa prosedur pemanasan awal/terkontrol. - Nikel: Nikel yang tinggi pada NAK80 meningkatkan ketangguhan, duktilitas, dan ketahanan terhadap korosi lingkungan (dan berkontribusi pada mikrostruktur yang halus dan stabil yang menguntungkan untuk pemolesan kilau tinggi). - Kromium dan molibdenum: Kedua grade mencakup Cr dan Mo untuk memberikan hardsenabilitas, ketahanan temper, dan ketahanan aus. Keseimbangan P20 lebih menguntungkan untuk kemampuan mesin dan pengerasan menyeluruh; Cr/Mo NAK80 disetel untuk melengkapi Ni untuk hasil akhir permukaan dan perilaku korosi. - Elemen mikro paduan (V, Nb, Ti): Hadir dalam tingkat rendah untuk mengontrol ukuran butir dan perilaku presipitasi; mempengaruhi kemampuan penggilingan, ketangguhan, dan respons temper.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - P20: Dalam kondisi pra-hardened (sebagaimana disuplai) P20 umumnya mengandung martensit yang dikeraskan dan bainit yang dikeraskan dengan proporsi karbida yang relatif lebih tinggi (karena karbon yang lebih tinggi) yang terdistribusi di seluruh matriks. Setelah siklus pendinginan dan temper konvensional, P20 mencapai mikrostruktur martensitik dengan karbida paduan. - NAK80: Dengan karbon yang lebih rendah dan nikel yang lebih tinggi, NAK80 dalam kondisi pra-hardened menunjukkan matriks martensitik atau bainitik yang dikeraskan dengan karbida yang lebih sedikit dan lebih halus. Nikel menstabilkan matriks yang lebih tangguh dan lebih duktil serta mengurangi pembentukan karbida kromium kasar yang bermasalah untuk penyelesaian cermin.
Respons perlakuan panas: - Normalisasi: Kedua baja merespons normalisasi untuk memperhalus ukuran butir, tetapi NAK80 biasanya disuplai dengan perlakuan vakum dan pra-hardened untuk meminimalkan distorsi pasca-pemrosesan; normalisasi kurang umum untuk bagian NAK80 yang dimaksudkan untuk pemolesan tinggi. - Pendinginan & tempering: P20 dirancang untuk diperlakukan panas hingga tingkat kekerasan yang lebih tinggi (dan sering disuplai dalam kondisi pra-hardened untuk cetakan produksi). Menghardening P20 memerlukan perhatian dengan suhu austenitisasi untuk mengelola austenit yang tertahan dan pelarutan karbida. Kandungan karbon yang lebih rendah pada NAK80 membatasi kekerasan maksimum yang dapat dicapai tetapi memberikan respons temper yang lebih memaafkan dan kontrol dimensi yang lebih baik untuk pemolesan. - Pemrosesan termo-mekanis: Tidak biasanya diterapkan dalam konteks baja cetakan dibandingkan dengan baja struktural; kedua grade bergantung pada perlakuan panas yang terkontrol daripada jalur pemrosesan hot-rolling untuk sifat akhir.
4. Sifat Mekanis
Nilai bervariasi secara signifikan dengan perlakuan panas dan pemasok. Tabel menunjukkan rentang kondisi yang disampaikan yang sering terlihat dalam data komersial.
| Sifat | NAK80 (kondisi pra-hardened tipikal) | P20 (kondisi pra-hardened tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~800 – 1,200 | ~800 – 1,100 |
| Kekuatan luluh (0.2% offset, MPa) | ~600 – 900 | ~550 – 850 |
| Peregangan ( % ) | ~8 – 15 | ~8 – 15 |
| Ketangguhan impak (J, Charpy V‑notch) | sedang hingga baik (tergantung pemasok) | sedang (tergantung perlakuan panas) |
| Kekerasan (HRC) | ~28 – 36 (pra-hardened) | ~28 – 34 (pra-hardened) |
Interpretasi: - Kekuatan: Dalam foto yang disampaikan, keduanya dapat memberikan rentang tarik/luluh yang serupa; karbon yang lebih tinggi pada P20 memberikan potensi pengerasan yang sedikit lebih tinggi jika sepenuhnya didinginkan dan dikeraskan, tetapi paduan NAK80 menghasilkan nilai tarik yang sebanding dalam kondisi pra-hardened komersial. - Ketangguhan dan duktilitas: NAK80 umumnya menunjukkan ketangguhan yang lebih baik dan kecenderungan patah yang lebih duktil pada kekerasan yang sebanding karena nikel dan karbon yang lebih rendah, yang mengurangi karbida rapuh dan meningkatkan ketahanan terhadap guncangan. - Kekerasan: Keduanya ditawarkan dalam rentang pra-hardened yang serupa yang dioptimalkan untuk produksi cetakan; kekerasan maksimum yang dapat dicapai setelah pengerasan penuh biasanya lebih tinggi untuk P20 karena karbon yang lebih tinggi, tetapi ini datang dengan trade-off dalam kemampuan penyelesaian.
5. Kemampuan Las
Pertimbangan kemampuan las bergantung pada ekuivalen karbon dan mikro paduan.
Dua ukuran umum: - Ekuivalen karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden–Bennett / 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: - P20 umumnya memiliki kandungan karbon yang lebih tinggi, yang meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$, meningkatkan risiko retak dingin yang disebabkan oleh hidrogen dan memerlukan pemanasan awal, kontrol suhu antar las, dan perlakuan panas pasca-las untuk perbaikan alat yang kritis atau bagian tebal. - Karbon rendah dan nikel yang lebih tinggi pada NAK80 mengurangi kecenderungan untuk zona yang terpengaruh panas las yang keras dan rapuh; nikel meningkatkan ketangguhan dan toleransi terhadap gradien termal, membuat NAK80 lebih memaafkan untuk pengelasan dan perbaikan lokal. Namun, karena persyaratan akurasi cetakan dan potensi sensitisasi/kontaminasi, pengelasan harus direncanakan dan divalidasi (termasuk pemilihan pengisi dan PWHT jika diperlukan). - Kedua grade mendapatkan manfaat dari bahan habis pakai rendah hidrogen, pemanasan awal di mana direkomendasikan, dan pengelasan percobaan untuk menetapkan parameter. Untuk cetakan presisi tinggi, pengelasan sering dihindari di permukaan yang sudah selesai atau diikuti dengan pemrosesan ulang/pemolesan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik NAK80 maupun P20 bukanlah seri baja tahan karat yang dirancang untuk ketahanan korosi pencelupan jangka panjang. Namun, kandungan nikel yang tinggi pada NAK80 memberikan ketahanan yang jauh lebih baik terhadap lingkungan korosif ringan (atmosfer pencetakan yang lembab dan sedikit agresif, serta pembersihan berulang) dibandingkan P20.
- Ketika ketahanan korosi diperlukan, kedua baja biasanya dilindungi dengan langkah-langkah permukaan:
- Elektroplating (nikel, krom keras) untuk perlindungan aus dan korosi.
- Passivasi kimia atau fisik tidak berlaku seperti pada baja tahan karat.
- Perawatan rutin dan kontrol pengeringan/dessikan dalam penyimpanan alat mengurangi karat.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) hanya relevan untuk grade stainless; untuk tujuan informasi: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini tidak berlaku untuk NAK80 atau P20 sebagai baja cetakan yang dipasarkan (mereka bukan grade stainless kaya kromium dengan kandungan nitrogen yang signifikan).
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin:
- P20: Secara historis lebih disukai untuk kemampuan mesin. Kandungan karbon yang lebih tinggi, distribusi karbida yang dapat diprediksi, dan parameter alat yang sudah mapan membuat P20 mudah untuk dibubut, dilubangi, dan EDM sebelum perlakuan panas akhir. Elemen pembentuk karbida dan mikrostruktur kompatibel dengan alat kecepatan tinggi standar.
- NAK80: Sedikit lebih menantang untuk diproses dibandingkan P20 dalam beberapa kasus karena kecenderungan pengerasan kerja nikel dan matriks yang lebih tangguh; namun, alat modern dan parameter pemotongan mengurangi perbedaan. NAK80 dapat diproses dengan baik saat menggunakan alat karbida berkualitas tinggi dan umpan yang disesuaikan.
- EDM dan penyelesaian permukaan:
- Kedua baja ramah terhadap EDM. NAK80 sering menghasilkan pemolesan cermin yang superior dan integritas tepi karena karbida kasar yang lebih sedikit dan matriks yang halus—penting untuk permukaan optik dan bagian plastik yang mengkilap.
- Formabilitas/pembengkokan:
- Sebagai baja cetakan yang digunakan dalam bentuk blok, pembentukan bukanlah perhatian utama; namun, untuk bagian tebal dan pemotongan las, NAK80 lebih toleran terhadap deformasi dan pengelasan perbaikan dibandingkan alternatif karbon tinggi.
- Penyelesaian permukaan:
- NAK80 dirancang untuk grade pemolesan tinggi (RA dan hasil akhir cermin) dengan kecenderungan lebih rendah untuk mikro-pitting dan "kulit jeruk" setelah siklus berulang. P20 dapat dipoles hingga kilau tinggi tetapi mungkin memerlukan penggilingan korektif dan passivasi lebih banyak.
8. Aplikasi Tipikal
| NAK80 | P20 |
|---|---|
| Ruang dan inti cetakan injeksi kilau tinggi di mana hasil akhir cermin dan ketahanan korosi (paparan lembab/pembersihan) adalah prioritas | Dasar cetakan injeksi tujuan umum, sisipan, dan inti/ruang di mana biaya dan kemampuan mesin yang luas adalah prioritas |
| Cetakan produksi kecil hingga menengah di mana pemolesan sering dan kualitas permukaan kosmetik diperlukan | Cetakan produksi besar, prototipe, dan cetakan di mana kinerja standar dan ketersediaan luas diperlukan |
| Komponen hot-runner, bagian optik yang halus, dan sisipan cetakan dinding tipis di mana ketahanan permukaan terhadap korosi/kerusakan penting | Komponen cetakan struktural, penyangga, dan bagian yang akan diproses/diolah panas secara berat setelah fabrikasi |
| Cetakan yang memerlukan siklus pemeliharaan yang sering dengan pemolesan ulang permukaan | Cetakan di mana kekerasan akhir yang lebih tinggi setelah pendinginan/temper diperlukan dan pemrosesan pasca-perlakuan panas direncanakan |
Alasan pemilihan: - Pilih NAK80 ketika hasil akhir permukaan, toleransi korosi, dan usaha pemolesan minimal selama siklus hidup cetakan adalah persyaratan utama. - Pilih P20 ketika biaya, pemrosesan yang terstandarisasi, dan maksimum hardsenabilitas atau kekerasan akhir yang lebih tinggi lebih penting.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: P20 umumnya lebih murah per kg karena paduan yang lebih sederhana dan volume produksi yang luas. NAK80 biasanya memiliki harga premium untuk kandungan paduan (terutama nikel), peleburan vakum, dan pemasaran sebagai baja cetakan yang dapat dipoles.
- Ketersediaan: P20 banyak tersedia dalam berbagai ukuran dan bentuk pabrik (blok, pelat, pelat pra-hardened). NAK80 tersedia secara luas tetapi mungkin memiliki waktu tunggu yang lebih lama atau ketersediaan terbatas dalam bagian yang sangat besar tergantung pada pemasok dan inventaris regional.
- Bentuk produk: Keduanya tersedia sebagai pelat pra-hardened, blok, dan kadang-kadang batang yang dikeraskan sepenuhnya; NAK80 lebih umum ditentukan dalam kondisi pra-hardened untuk menjaga kualitas permukaan.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | NAK80 | P20 |
|---|---|---|
| Kemampuan las (kualitatif) | Lebih baik (karbon lebih rendah, nikel lebih tinggi) | Baik hingga sedang (karbon lebih tinggi → lebih banyak tindakan pencegahan las) |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Ketangguhan yang sangat baik pada kekerasan yang sebanding | Potensi kekuatan yang baik; ketangguhan tergantung pada perlakuan panas |
| Biaya | Lebih tinggi (paduan premium, stok jadi) | Lebih rendah (baja cetakan komoditas) |
Pilih NAK80 jika: - Hasil akhir cermin/pemolesan dan kualitas bagian kosmetik sangat penting. - Cetakan akan terpapar kelembaban, pembersihan rutin, atau lingkungan yang sedikit korosif dan Anda memerlukan toleransi korosi yang lebih baik tanpa pelapisan. - Pemolesan ulang di cetakan sering dan umur kosmetik yang panjang diharapkan dan Anda ingin meminimalkan siklus penyelesaian.
Pilih P20 jika: - Anggaran dan ketersediaan material adalah batasan utama. - Anda memerlukan baja cetakan yang mudah dipahami dan mudah diproses yang cocok untuk berbagai aplikasi pencetakan. - Hardsenabilitas yang lebih tinggi atau opsi untuk pendinginan/temper hingga kekerasan yang lebih tinggi diperlukan dan persyaratan kosmetik permukaan sedang atau akan ditangani dengan pelapisan/pelapisan.
Catatan akhir: Untuk keputusan produksi, dapatkan dan bandingkan sertifikat pabrik, konfirmasi praktik pemrosesan dan perlakuan panas yang direkomendasikan oleh pemasok, dan lakukan percobaan pemrosesan/pemolesan dan, jika perlu, percobaan pengelasan. Kinerja bagian yang sebenarnya tergantung pada panas paduan tertentu, ukuran bagian, dan langkah-langkah pemrosesan termal dan mekanis yang diterapkan.