P20 vs NAK80 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pendahuluan

P20 dan NAK80 adalah dua baja cetakan dan alat yang banyak digunakan untuk cetakan injeksi plastik dan cetakan mati. Insinyur, tim pengadaan, dan perencana manufaktur biasanya mempertimbangkan trade-off antara total biaya bagian, umur alat, hasil permukaan, dan pemeliharaan saat memilih di antara keduanya. Konteks pemilihan yang umum meliputi: memilih material yang hemat biaya untuk alat volume besar (di mana ketangguhan dan kemampuan mesin mendominasi) versus memilih baja cetakan yang mampu tahan karat untuk bagian yang memerlukan kilau tinggi atau sensitif terhadap korosi (di mana hasil permukaan dan pasivasi penting).

Perbedaan praktis utama yang mendorong banyak keputusan desain adalah perilaku permukaan: NAK80 dirancang untuk memberikan retensi hasil permukaan yang superior, ketahanan korosi, dan penampilan yang dipoles untuk bagian plastik berkilau tinggi, sementara P20 adalah baja cetakan pra-hardened yang lebih konvensional yang dioptimalkan untuk keterjangkauan, kemampuan mesin, dan ketangguhan tujuan umum. Karena mereka menempati ruang aplikasi yang tumpang tindih (dasar cetakan, rongga, sisipan inti), desainer secara rutin membandingkan keduanya untuk estetika bagian akhir, pemeliharaan cetakan, dan batasan lingkungan produksi.

1. Standar dan Penunjukan

• P20
• Penunjukan umum: AISI/SAE P20, DIN 1.2312 (ekivalen dekat), berbagai nama dagang pemasok (baja cetakan pra-hardened).
• Klasifikasi: Baja alat paduan, biasanya disuplai dalam kondisi pra-hardened.
• NAK80
• Penunjukan umum: Nama dagang (NAK80) yang digunakan oleh beberapa pemasok Jepang dan global; terkadang dirujuk sebagai kelas baja cetakan stainless martensitik.
• Klasifikasi: Baja alat/cetakan stainless martensitik (baja cetakan stainless).

Standar yang berlaku untuk diperiksa pada sertifikat pabrik dan pesanan pembelian termasuk spesifikasi ASTM/ASME untuk baja cetakan dan standar nasional yang relevan (EN, JIS, GB) untuk alat dan baja alat stainless. Selalu konfirmasi penunjukan dan sertifikat spesifik pemasok karena nama dagang dipetakan secara berbeda antara produsen.

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel berikut memberikan rentang komposisi nominal representatif yang banyak dikutip dalam lembar data pemasok. Nilai-nilai ini dimaksudkan sebagai rentang tipikal—selalu verifikasi sertifikat pabrik spesifik untuk pengadaan.

Elemen	P20 (rentang nominal tipikal, wt%)	NAK80 (rentang nominal tipikal, wt%)
C	0.25–0.35	0.03–0.12
Mn	0.35–0.60	0.10–0.60
Si	0.20–0.35	0.10–0.80
P	≤0.03	≤0.025
S	≤0.03	≤0.020
Cr	1.30–1.60	11.0–13.5
Ni	0.30–0.60	1.0–4.0
Mo	0.30–0.50	0.30–0.60
V	jejak–kecil	jejak
Nb (Cb)	—	jejak
Ti	—	jejak
B	—	jejak
N	—	jejak (dalam varian stainless)

Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon: kontributor utama kekerasan dan kekuatan. Karbon P20 yang lebih tinggi (dibandingkan dengan varian stainless rendah karbon) mendukung kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi setelah pendinginan/pemanasan, tetapi meningkatkan risiko retak HAZ selama pengelasan. NAK80 sering dijaga lebih rendah dalam karbon untuk menyeimbangkan ketahanan korosi dan menghindari kerapuhan yang berlebihan. - Kromium dan nikel: Dalam NAK80, Cr dan Ni yang tinggi memberikan perilaku stainless/pasif dan meningkatkan ketahanan korosi serta kemampuan dipoles. Dalam P20, Cr dan Ni yang moderat meningkatkan kekerasan dan kekuatan tetapi tidak memberikan sifat stainless. - Molybdenum dan vanadium: Meningkatkan kekerasan, pengerasan sekunder, ketahanan creep, dan stabilitas karbida — bermanfaat untuk kedua kelas untuk meningkatkan ketahanan aus. - Mikro-paduan lainnya (Nb, Ti, B): Memperhalus ukuran butir dan mengontrol presipitasi; dalam baja alat stainless ini sering hadir dalam jumlah jejak untuk mengontrol sifat.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

Mikrostruktur (tipikal): - P20: Martensit yang dipanaskan dengan karbida paduan halus (karbida Cr/Mo). Sering disuplai dalam kondisi pra-hardened (misalnya, ~28–32 HRC) dalam keadaan dinormalisasi dan dipanaskan; mikrostruktur dioptimalkan untuk kemampuan mesin dan ketangguhan. - NAK80: Matriks stainless martensitik dengan karbida kaya kromium dan lapisan permukaan oksida kromium pasif saat dipoles; sering diproduksi dalam kondisi pra-hardened yang cocok untuk pemolesan dan ketahanan korosi.

Respons perlakuan panas: - P20: - Dapat disuplai dalam kondisi pra-hardened; jika dikeraskan dan dipanaskan, siklus pendinginan dan pemanasan menghasilkan martensit yang dipanaskan. Normalisasi memperhalus ukuran butir. - Nitriding biasanya diterapkan untuk kekerasan permukaan dan ketahanan aus; perilaku nitriding tergantung pada elemen pembentuk nitride yang dipadu (misalnya, V, Cr). - NAK80: - Perlakuan panas bertujuan untuk menyeimbangkan kekerasan dengan karakteristik stainless. Rute tipikal termasuk pelunakan larutan dan pendinginan diikuti dengan pemanasan; kontrol yang hati-hati diperlukan untuk menghindari sensitisasi dan mempertahankan ketahanan korosi. - Perilaku stainless mempersulit perlakuan suhu tinggi; jendela pemanasan untuk pemanasan berbeda dari baja paduan karbon dan mungkin memerlukan vakum atau atmosfer terkontrol untuk menghindari dekarbonisasi dan oksidasi.

Proses termo-mekanis dapat mempengaruhi ukuran butir dan distribusi karbida; untuk kedua baja, kontrol proses yang lebih ketat menghasilkan kemampuan dipoles yang lebih baik dan kekerasan yang lebih seragam.

4. Sifat Mekanis

Tabel di bawah ini mencantumkan rentang sifat tipikal untuk kondisi pra-hardened yang umum disuplai dan keadaan yang diperlakukan panas. Verifikasi dengan sertifikat pemasok untuk angka yang tepat.

Sifat	P20 (tipikal)	NAK80 (tipikal)
Kekuatan Tarik (MPa)	800–1100	700–1000
Kekuatan Luluh (0.2% offset, MPa)	600–900	500–850
Peregangan (%)	10–18	8–18
Kekerasan Impak (Charpy, J)	sedang (tergantung pada pemanasan)	sedang hingga baik (tergantung pada kondisi)
Kekerasan (HRC)	28–32 (pra-hardened), dapat diperlakukan panas lebih tinggi	30–36 (varian stainless pra-hardened)

Interpretasi: - Kekuatan: P20 dalam kondisi pra-hardened yang sebanding biasanya memberikan kekuatan nominal yang sedikit lebih tinggi yang dapat diatribusikan pada karbon yang lebih tinggi dan campuran paduannya; namun, perlakuan panas dapat mempersempit perbedaan. - Ketangguhan/duktilitas: Kedua kelas mengorbankan kekerasan untuk ketangguhan; formulasi P20 cenderung memprioritaskan ketangguhan tujuan umum dan kemampuan mesin, sedangkan NAK80 seimbang untuk kemampuan dipoles dan ketahanan korosi dengan ketangguhan yang memadai. - Rentang kekerasan tumpang tindih; kelas yang dipilih harus sesuai dengan ketahanan aus yang diperlukan dan target hasil permukaan akhir.

5. Kemampuan Las

Kemampuan las tergantung pada setara karbon dan kandungan paduan. Penggunaan rumus setara karbon membantu menilai kerentanan retak HAZ dan persyaratan pemanasan/pemanasan ulang.

Rumus umum: - Setara karbon IIW (panduan kualitatif): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Setara karbon elektroteknik pengelasan internasional (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: Karbon yang lebih tinggi dan keberadaan Mo/Cr meningkatkan angka setara karbon relatif terhadap baja rendah karbon, meningkatkan kerentanan terhadap pengerasan HAZ dan retak dingin kecuali prosedur pemanasan dan pemanasan ulang yang tepat digunakan. P20 sering memerlukan prosedur pengelasan yang terkontrol atau penggunaan logam pengisi rendah hidrogen yang kompatibel. - NAK80: Sebagai baja stainless martensitik, kandungan Cr dan Ni NAK80 mengubah perilaku kemampuan las; martensitik stainless dapat rentan terhadap retak HAZ dan logam las jika tidak dipanaskan dan jika suhu antar dan laju pendinginan tidak dikontrol. Nikel meningkatkan kemampuan las hingga batas tertentu, tetapi matriks stainless memerlukan pemilihan pengisi yang hati-hati dan sering kali perlakuan panas pasca-las untuk memulihkan ketangguhan dan ketahanan korosi. - Dalam praktik: Kedua kelas dapat dilas, tetapi rencana pengelasan (pemanasan, suhu antar, pemanasan ulang pasca-las) dan logam pengisi yang memenuhi syarat sangat penting. Untuk permukaan yang kritis secara kosmetik, area yang dilas sebaiknya dihindari atau digiling dan dipoles ulang.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• P20: Tidak stainless. Perlindungan korosi permukaan biasanya diperlukan di mana kelembapan atau lingkungan korosif ada. Perlindungan umum meliputi:
• Pengecatan, pelapisan, atau pelapisan lokal (PVD/CVD) pada permukaan yang selesai.
• Galvanisasi tidak umum untuk alat; sebaliknya, nitriding atau pelapisan permukaan (TiN, CrN) digunakan untuk meningkatkan ketahanan aus dan mengurangi inisiasi pitting korosi.
• NAK80: Baja stainless martensitik yang memberikan pasivitas dan ketahanan korosi yang lebih baik dibandingkan P20 saat dipoles dan dirawat. Untuk karakterisasi stainless, indeks korosi seperti PREN (angka setara ketahanan pitting) biasanya digunakan untuk kelas austenitik dan duplex: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Catatan: PREN kurang langsung berlaku untuk baja cetakan stainless martensitik seperti NAK80, tetapi rumus ini menggambarkan bagaimana kandungan Cr/Mo/N berkorelasi dengan ketahanan pitting. Kandungan kromium NAK80 dan hasil permukaan adalah kontributor utama terhadap ketahanan superiornya terhadap noda dan korosi dalam layanan.
• Konsekuensi praktis: Untuk bagian plastik berkilau tinggi dan cetakan yang beroperasi di lingkungan lembab atau korosif, NAK80 mengurangi noda dan kebutuhan pemeliharaan; P20 memerlukan strategi perlindungan (pelapisan, lingkungan terkontrol) untuk mempertahankan kualitas permukaan.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas

• Kemampuan mesin:
• P20: Kemampuan mesin yang baik dalam keadaan pra-hardened; banyak digunakan karena mudah diproses dengan toleransi ketat dan baik dalam EDM. Alat karbida dan praktik pendingin standar sudah cukup.
• NAK80: Umumnya memiliki kemampuan mesin yang baik untuk baja alat stainless, tetapi kecenderungan pengerasan kerja dan perilaku paduan stainless memerlukan geometri alat, kecepatan pemotongan, dan pendingin yang dioptimalkan. Hasil permukaan yang dapat dicapai sangat baik dengan alat yang tepat.
• Formabilitas dan pembengkokan: Keduanya adalah baja alat—duktilitas terbatas dibandingkan dengan baja lunak. Pembentukan biasanya dilakukan sebelum pengerasan/pemanasan akhir. Hindari pembentukan berat setelah pengerasan.
• Penyelesaian permukaan dan pemolesan:
• Ini adalah pembeda kunci. NAK80 lebih mudah dipoles hingga hasil akhir cermin dan mempertahankan penampilan berkilau tinggi karena matriks stainless dan distribusi karbida yang halus. P20 dapat dipoles hingga hasil yang baik tetapi lebih rentan terhadap noda, oksidasi, dan memerlukan pelapisan atau pemeliharaan tambahan untuk mempertahankan hasil akhir berkilau tinggi.

8. Aplikasi Tipikal

P20 — Penggunaan Tipikal	NAK80 — Penggunaan Tipikal
Rongga cetakan injeksi tujuan umum dan inti untuk penampilan permukaan yang tidak kritis	Rongga cetakan injeksi berkilau tinggi untuk bagian optik, medis, dan konsumen
Dasar cetakan besar dan komponen struktural di mana biaya dan kemampuan mesin mendominasi	Alat yang rentan terhadap korosi (lingkungan lembab) atau cetakan yang memerlukan retensi kilau jangka panjang
Prototipe dan produksi volume rendah hingga menengah di mana pemrosesan cepat dan EDM diperlukan	Cetakan multi-komponen di mana hasil permukaan dan estetika bagian adalah prioritas
Alat yang memerlukan nitriding atau pelapisan PVD untuk ketahanan aus	Cetakan presisi di mana kinerja stainless mengurangi pemeliharaan dan noda

Rasional pemilihan: - Pilih P20 untuk keseimbangan biaya, ketersediaan, dan kemampuan mesin ketika penampilan bagian akhir tidak kritis atau ketika pelapisan/nitriding dapat diterapkan. - Pilih NAK80 untuk bagian berkilau tinggi, pengurangan noda, dan di mana ketahanan korosi dalam alat diperlukan untuk mempertahankan penampilan dan mengurangi waktu pemeliharaan.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya:
• P20 biasanya lebih murah per kilogram dibandingkan NAK80 karena kandungan paduan yang lebih rendah dan pasokan komoditas yang luas. Ini adalah pilihan yang hemat biaya untuk cetakan besar dan di mana ada batasan anggaran.
• NAK80 memerlukan biaya lebih tinggi karena kandungan paduan yang lebih tinggi (Cr, Ni) dan pemrosesan untuk sifat stainless; harapkan biaya material yang lebih tinggi dan kadang-kadang biaya pemrosesan yang lebih tinggi untuk perlakuan panas dan penyelesaian.
• Ketersediaan:
• P20 tersedia luas dalam pelat, blok, dan batang pra-hardened dari banyak pemasok dan umum di toko cetakan.
• NAK80 diproduksi secara luas tetapi ketersediaan dalam ukuran pelat yang sangat besar atau dimensi non-standar mungkin lebih terbatas dibandingkan P20; waktu tunggu dapat lebih lama tergantung pada ketebalan dan persyaratan penyelesaian.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel ringkasan (kualitatif):

Atribut	P20	NAK80
Kemampuan Las	Baik dengan kontrol; CE yang lebih tinggi memerlukan perhatian	Menantang; prosedur las stainless dan PWHT sering diperlukan
Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan	Kuat dan tangguh dalam keadaan pra-hardened	Keseimbangan baik tetapi dioptimalkan untuk kilau dan ketahanan korosi
Biaya	Lebih rendah (lebih ekonomis)	Lebih tinggi (paduan stainless premium)

Rekomendasi: - Pilih P20 jika: - Anggaran dan waktu pemrosesan/EDM yang cepat adalah prioritas. - Bagian tidak memerlukan hasil akhir berkilau tinggi atau dilindungi/dilapisi. - Dasar cetakan besar atau komponen dengan pemrosesan berat diperlukan. - Pilih NAK80 jika: - Hasil permukaan tinggi, retensi kilau, dan ketahanan korosi sangat penting (optik, medis, bagian konsumen berkilau tinggi). - Anda ingin mengurangi pemeliharaan alat untuk material yang rentan terhadap noda atau lingkungan produksi yang lembab. - Biaya premium dibenarkan oleh pengurangan pekerjaan ulang, umur kilau yang lebih lama, atau kualitas kosmetik yang lebih baik dari bagian yang dicetak.

Catatan akhir: Pemilihan material harus divalidasi dengan membandingkan lembar data pemasok, menjalankan tes pemolesan sampel di bawah kondisi proses yang diharapkan, dan memperhitungkan prosedur pengelasan/perbaikan dan perlakuan permukaan. Ketika hasil permukaan atau ketahanan korosi menjadi pendorong penerimaan bagian, pengujian alat dengan material akhir dan regimen pemolesan sangat dianjurkan.