SAE1010 vs SAE1020 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
SAE1010 dan SAE1020 adalah dua baja karbon rendah yang banyak digunakan yang muncul di berbagai aplikasi fabrikasi, pemesinan, dan struktural. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering memilih antara keduanya saat menyeimbangkan kekuatan, ketangguhan, kemampuan dibentuk, biaya, dan proses hilir seperti pengelasan atau pengerasan permukaan. Konteks keputusan yang umum termasuk apakah akan memprioritaskan kemudahan pembentukan dan kemampuan dilas yang lebih besar (karbon lebih rendah) dibandingkan dengan kekuatan dan ketahanan aus yang lebih tinggi (karbon lebih tinggi), atau apakah bagian tersebut akan menerima pengerasan permukaan atau tetap dalam kondisi digulung/dianil.
Perbedaan mendasar antara kedua grade ini adalah kandungan karbon: SAE1010 mengandung karbon yang jauh lebih sedikit dibandingkan SAE1020. Perubahan komposisi tunggal itu menggeser keseimbangan mikrostruktur, sifat mekanik, dan respons pemrosesan—sehingga sering dibandingkan secara langsung dalam keputusan desain dan manufaktur.
1. Standar dan Penunjukan
- SAE/AISI: SAE1010, SAE1020 (umumnya dirujuk sebagai AISI 1010 / 1020 dalam literatur lama).
- ASTM/ASME: Baja ini dicakup oleh spesifikasi produk baja karbon umum (misalnya, ASTM A1008 untuk digulung dingin, ASTM A1011 untuk gulungan digulung panas, dan berbagai spesifikasi struktural/produk tergantung pada bentuk produk).
- EN: Setara dengan seri baja karbon rendah EN 1.03xx (misalnya, 1.0337 mendekati 1010; 1.0332/1.0422 mungkin setara untuk varian 1020—ekivalen yang tepat tergantung pada spesifikasi produk dan toleransi).
- JIS/GB: Setara lokal ada untuk grade baja karbon rendah; cocokkan kimia dan persyaratan mekanik daripada nama grade.
- Klasifikasi: Keduanya adalah baja karbon biasa (non-aloy, non-stainless). Mereka bukan baja HSLA, alat, atau stainless.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | SAE1010 (rentang tipikal, wt%) | SAE1020 (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C (Karbon) | 0.08 – 0.13 | 0.18 – 0.23 |
| Mn (Mangan) | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.60 |
| Si (Silikon) | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| P (Fosfor) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S (Belerang) | ≤ 0.05 | ≤ 0.05 |
| Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N | Biasanya ≤ 0.03 (jejak atau tidak ada) | Biasanya ≤ 0.03 (jejak atau tidak ada) |
Catatan: - Ini adalah pita komposisi representatif untuk baja SAE 1010 dan SAE 1020 biasa yang diproduksi untuk stamping, pembentukan, dan pemesinan umum. Kimia spesifik produk—misalnya, untuk varian digulung dingin, ditarik dingin, atau pengerasan permukaan—mungkin memiliki batas yang lebih ketat atau dimodifikasi. - Strategi paduan untuk kedua grade ini sengaja minimal: karbon menyesuaikan kekuatan dan kemampuan pengerasan; mangan dipertahankan untuk membantu kekuatan dan deoksidasi; silikon, fosfor, dan belerang dikendalikan untuk prosesabilitas.
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Karbon: kontrol utama untuk kekuatan dan kekerasan (lebih banyak karbon → kekuatan/kekerasan lebih tinggi, ketangguhan lebih rendah, kemampuan pengerasan lebih tinggi). - Mangan: meningkatkan kekuatan, memperbaiki kemampuan pengerasan dan deoksidasi; Mn yang berlebihan meningkatkan CE dan mempengaruhi kemampuan dilas. - Silikon: peningkatan kekuatan sedang dan bertindak sebagai deoksidator. - Paduan mikro jejak (jika ada) dapat mempengaruhi ukuran butir dan ketangguhan tetapi tidak khas dari standar 1010/1020.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - SAE1010: Dalam kondisi dianil atau dinormalisasi, paduan ini terdiri terutama dari ferit dengan fraksi kecil perlita. Kandungan karbon yang rendah menghasilkan matriks feritik yang sebagian besar lunak dan ulet dengan penguatan perlitik yang terbatas. - SAE1020: Mengandung fraksi perlita yang lebih tinggi daripada 1010 di bawah sejarah termal yang serupa (dianil/dinormalisasi), menghasilkan mikrostruktur yang lebih kuat tetapi kurang ulet—ferit + lebih banyak perlita.
Respons perlakuan panas dan pemrosesan: - Annealing/Normalizing: Keduanya merespons dengan cara yang mirip—annealing melembutkan dan meningkatkan ketangguhan; normalizing sedikit memperhalus struktur butir tetapi kemampuan pengerasan tetap rendah. - Quenching & Tempering: Keduanya memiliki kemampuan pengerasan yang rendah dan tidak dapat dipadatkan secara efektif pada ukuran bagian biasa. Kandungan karbon yang lebih tinggi dalam 1020 menghasilkan kekerasan yang sedikit lebih tinggi yang dapat dicapai setelah quench dan temper dibandingkan 1010, tetapi tidak ada grade yang ideal ketika pengerasan penuh diperlukan. - Karburisasi/Pengerasan Permukaan: Baja karbon rendah seperti 1010 dan 1020 dapat dikeraskan permukaan (karburisasi) untuk memberikan permukaan tahan aus yang keras dengan inti yang ulet; 1020 sering menerima karburisasi lebih luas karena karbon dasarnya yang lebih tinggi mendukung kekuatan inti yang lebih baik setelah pemrosesan. - Pemrosesan termo-mekanis dan pengerjaan dingin: Pengerjaan dingin meningkatkan densitas dislokasi dan kekuatan hasil/tarik untuk keduanya; 1010 umumnya akan menerima pembentukan yang lebih besar sebelum retak.
4. Sifat Mekanik
Tabel: Rentang sifat mekanik tipikal untuk kondisi dianil/dinormalisasi (pita representatif; sifat bervariasi dengan bentuk produk dan pemrosesan termal/mekanik).
| Sifat | SAE1010 (tipikal, dianil/dinormalisasi) | SAE1020 (tipikal, dianil/dinormalisasi) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~300 – 450 | ~400 – 550 |
| Kekuatan hasil (0.2% offset, MPa) | ~180 – 350 | ~250 – 400 |
| Peregangan (% dalam 50 mm atau 2 in.) | ~30 – 40 | ~20 – 30 |
| Ketangguhan impak (Charpy V, kualitatif) | Umumnya lebih tinggi pada suhu rendah (lebih ulet) | Lebih rendah dari 1010 dalam kondisi serupa (lebih banyak perlita mengurangi ketangguhan) |
| Kekerasan (HB) | ~70 – 120 | ~100 – 160 |
Interpretasi: - SAE1020 umumnya lebih kuat dan dapat mencapai kekerasan yang lebih tinggi karena kandungan perlita yang lebih besar yang berasal dari tingkat karbon yang lebih tinggi. SAE1010 lebih ulet dan memiliki kemampuan dibentuk dan kinerja impak yang lebih baik dalam banyak kondisi yang telah dikerjakan. Tradeoff yang tepat sangat bergantung pada pemrosesan (pengerjaan dingin, perlakuan panas, pengerasan permukaan).
5. Kemampuan Dilas
Pertimbangan kemampuan dilas bergantung pada kandungan karbon dan kemampuan pengerasan yang efektif. Penggunaan rumus setara karbon memberikan indikasi kualitatif tentang kemampuan dilas.
Ekspresi setara karbon umum: - Setara karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parameter komposit pengelasan internasional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - Karbon absolut yang rendah dalam 1010 memberikan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang lebih rendah dibandingkan 1020, menunjukkan kemampuan dilas intrinsik yang lebih baik dan risiko martensit rapuh yang lebih rendah di zona yang dipengaruhi panas (HAZ). - SAE1020, dengan karbon yang lebih tinggi, meningkatkan kemampuan pengerasan secara moderat dan oleh karena itu meningkatkan risiko pengerasan HAZ dan retak dingin di bawah pembatasan atau prosedur pemanasan awal/pemanasan setelah yang tidak tepat. - Kedua grade diklasifikasikan sebagai mudah dilas dengan proses pengelasan umum (MIG, TIG, SMAW) ketika langkah-langkah pencegahan standar diikuti. Untuk 1020, pemanasan awal atau input panas yang terkontrol dapat digunakan untuk bagian tebal atau ketika ada pembatasan tinggi. - Pemilihan logam pengisi dan perlakuan panas setelah pengelasan harus didasarkan pada geometri bagian, pembatasan, dan persyaratan layanan daripada hanya nama grade.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik SAE1010 maupun SAE1020 bukan stainless; keduanya rentan terhadap korosi atmosfer umum dan memerlukan perlindungan permukaan di lingkungan korosif.
- Strategi perlindungan umum: galvanisasi celup panas, elektroplating, pelapis konversi, pelapis organik (cat, pelapis bubuk), dan penyegelan lingkungan terkontrol. Pemilihan tergantung pada lingkungan layanan dan biaya siklus hidup.
- PREN (Angka Setara Ketahanan Pitting) tidak berlaku untuk baja karbon biasa; rumus PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ relevan untuk paduan stainless dan tidak boleh digunakan untuk menilai baja karbon 10xx.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Dibentuk
- Kemampuan dibentuk: SAE1010, dengan karbon lebih rendah dan matriks feritik yang lebih lunak, lebih mudah dibengkokkan, dicap, dan dibentuk dingin dengan lebih sedikit pemulihan dan risiko retak yang lebih rendah. SAE1020 kurang dapat dibentuk dan mungkin memerlukan jari-jari bengkok yang lebih besar atau annealing sementara untuk pembentukan yang parah.
- Kemampuan mesin: Karbon yang lebih tinggi umumnya meningkatkan umur alat hingga batas tertentu karena bahan yang lebih keras memotong dengan cara yang berbeda; namun, kekuatan dan kekerasan 1020 yang sedikit lebih tinggi dapat meningkatkan gaya pemotongan dan keausan alat dibandingkan dengan 1010. Untuk pemesinan volume tinggi, alat dan umpan harus dioptimalkan untuk kondisi produk spesifik (dianil vs. ditarik dingin).
- Penyelesaian permukaan: Keduanya menerima operasi penyelesaian standar (penggilingan, pemolesan, pelapisan). Pengerasan permukaan (karburisasi) adalah opsi menarik ketika permukaan keras dan inti ulet diperlukan; 1020 sering menghasilkan inti yang sedikit lebih kuat setelah proses dibandingkan 1010.
8. Aplikasi Tipikal
| SAE1010 – Penggunaan Tipikal | SAE1020 – Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Bagian yang dibentuk dingin, komponen yang ditarik dalam, stamping kecil, produk kawat, paku, dan bagian struktural dengan kekuatan rendah di mana ketangguhan dan kemampuan dibentuk yang tinggi diperlukan | Shaft, pin, poros, roda gigi (beban rendah), pengikat, stud, bagian mesin tujuan umum, blank pengerasan permukaan karburisasi |
| Komponen dekoratif atau dicat dengan beban mekanis terbatas | Bagian yang memerlukan kekuatan lebih tinggi atau ketahanan aus yang lebih baik dalam kondisi yang telah diproses atau setelah pengerasan permukaan |
| Perakitan yang difabrikasi dengan pengelasan ekstensif di mana kemampuan dilas maksimum diinginkan | Komponen yang akan dikeraskan permukaan (karburisasi) untuk mendapatkan ketahanan aus dengan inti yang lebih tangguh |
Rasional pemilihan: - Pilih 1010 ketika pembentukan, kemampuan kerja dingin, atau kemampuan dilas maksimum di bagian tipis adalah yang utama. Ini meminimalkan risiko retak dan menyederhanakan fabrikasi. - Pilih 1020 ketika kekuatan material dasar dan ketahanan aus (atau efektivitas pengerasan permukaan) lebih penting dan usaha pemesinan tambahan yang moderat atau kontrol perlakuan panas dapat diterima.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: Kedua grade adalah baja karbon rendah komoditas dan diproduksi dalam volume besar. Perbedaan harga minimal dan terutama dipengaruhi oleh fluktuasi pasar daripada biaya intrinsik grade. SAE1020 mungkin memiliki sedikit premium dalam beberapa bentuk produk karena karbon yang sedikit lebih tinggi dan pemrosesan untuk bentuk produk yang lebih kuat, tetapi ini umumnya tidak signifikan.
- Ketersediaan: Keduanya tersedia secara luas dalam bentuk digulung panas, digulung dingin, ditarik dingin, pelat, batang, dan gulungan. Pasokan regional tergantung pada lini produk pabrik dan standar; pengadaan harus menentukan kimia dan persyaratan sifat mekanik yang tepat untuk menghindari ketidakcocokan.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif/relatif):
| Karakteristik | SAE1010 | SAE1020 |
|---|---|---|
| Kemampuan dilas | Sangat baik (CE terendah) | Sangat baik (CE lebih tinggi daripada 1010; pemanasan awal mungkin disarankan dalam beberapa kasus) |
| Kesimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan lebih rendah, ketangguhan/ketangguhan lebih tinggi | Kekuatan lebih tinggi, ketangguhan lebih rendah (lebih banyak perlita) |
| Biaya | Sangat mirip; harga komoditas secara luas | Sangat mirip; sedikit lebih tinggi dalam beberapa bentuk pasokan |
Rekomendasi: - Pilih SAE1010 jika: - Bagian memerlukan pembentukan dingin yang ekstensif, penarikan dalam, atau tingkat ketangguhan yang tinggi. - Kesederhanaan pengelasan dan meminimalkan risiko pengerasan HAZ adalah prioritas. - Kekerasan permukaan tidak diperlukan, atau bagian akan disambung/diselesaikan daripada terkena aus.
- Pilih SAE1020 jika:
- Kekuatan material dasar yang lebih tinggi dan ketahanan aus diperlukan dalam kondisi yang telah diproses.
- Bagian dimaksudkan untuk pengerasan permukaan (karburisasi) atau tugas aus permukaan moderat dengan inti yang ulet.
- Kekakuan yang sedikit lebih tinggi dan peregangan yang berkurang dapat diterima untuk desain.
Catatan akhir: Pilihan antara SAE1010 dan SAE1020 harus dibuat berdasarkan sifat mekanik yang ditentukan dalam bentuk produk yang diperlukan dan rute manufaktur yang diantisipasi (pembentukan, pengelasan, perlakuan panas). Di mana margin kinerja ketat, minta sertifikat pabrik dengan kimia yang tepat dan hasil uji mekanik, dan pertimbangkan fabrikasi percobaan untuk memvalidasi perilaku pembentukan, pengelasan, dan penyelesaian untuk grade yang dipilih.