SKD61 vs SKD11 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
SKD61 dan SKD11 adalah dua penunjukan baja alat JIS yang banyak digunakan yang menghadirkan dilema pemilihan umum bagi insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur: memilih paduan yang dioptimalkan untuk layanan suhu tinggi dan ketahanan kelelahan termal, atau memilih yang dioptimalkan untuk ketahanan aus maksimum dan stabilitas dimensi dalam pengerjaan dingin. Keputusan biasanya bergantung pada suhu operasi, mode aus yang diharapkan, ketangguhan yang diperlukan, kemampuan pengelasan, dan total biaya siklus hidup.
SKD61 (JIS) secara luas sesuai dengan AISI H13 (baja alat kerja panas) dan memprioritaskan kekerasan panas, ketahanan kelelahan termal, dan ketangguhan. SKD11 (JIS) sesuai dengan AISI D2 (baja alat kerja dingin dengan karbon tinggi dan kromium tinggi) dan memprioritaskan kekerasan tinggi dan ketahanan aus melalui fraksi karbida yang tinggi. Perbedaan fungsional ini menjelaskan mengapa mereka sering dibandingkan dalam desain cetakan, alat, dan pemilihan komponen.
1. Standar dan Penunjukan
- JIS: SKD61 (baja alat kerja panas), SKD11 (baja alat kerja dingin)
- Setara AISI/ASTM: SKD61 ≈ H13; SKD11 ≈ D2
- EN: Setara H13 ada di bawah keluarga EN X40CrMoV5-1; D2 sesuai dengan EN X153CrMoV12.
- GB (Cina): SKD61 ~ Cr5MoV; SKD11 ~ Cr12MoV.
Klasifikasi:
- SKD61: baja alat paduan (kerja panas)
- SKD11: baja alat kerja dingin dengan karbon tinggi dan kromium tinggi (paduan/alat)
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | SKD61 (H13) wt% yang khas | SKD11 (D2) wt% yang khas |
|---|---|---|
| C | 0.32 – 0.45 | 1.40 – 1.60 |
| Mn | 0.20 – 0.50 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.80 – 1.20 | 0.20 – 0.50 |
| P | ≤ 0.030 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.030 | ≤ 0.035 |
| Cr | 4.75 – 5.50 | 11.0 – 13.0 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | 1.10 – 1.75 | 0.70 – 1.50 |
| V | 0.80 – 1.20 | 0.90 – 1.20 |
| Nb, Ti, B, N | biasanya jejak | biasanya jejak |
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Karbon: mendorong kekerasan dan volume karbida. C tinggi SKD11 menghasilkan karbida yang melimpah untuk ketahanan aus; C sedang SKD61 menyeimbangkan kemampuan pengerasan dan ketangguhan untuk kerja panas. - Kromium: meningkatkan kemampuan pengerasan dan memberikan ketahanan korosi serta kapasitas pembentukan karbida. Cr tinggi SKD11 membentuk jaringan karbida besar untuk ketahanan abrasi; Cr sedang SKD61 berkontribusi pada oksidasi dan kekuatan suhu tinggi. - Molybdenum dan Vanadium: membentuk karbida halus dan keras yang meningkatkan pengerasan sekunder, ketahanan creep, dan perilaku aus. SKD61 menggunakan Mo dan V untuk kekuatan panas dan ketahanan temper; SKD11 menggunakannya untuk menstabilkan karbida untuk ketahanan aus. - Silikon dan Mangan: modifikasi deoksidasi dan kemampuan pengerasan; Si dalam SKD61 membantu kekuatan suhu tinggi.
Secara keseluruhan, komposisi SKD61 menargetkan ketahanan temper dan kinerja kelelahan termal; komposisi SKD11 menargetkan volume karbida tinggi dan ketahanan aus untuk aplikasi pembentukan dingin.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur: - SKD61 (H13): matriks martensit yang dikeraskan dengan karbida paduan yang terdispersi (karbida kaya Mo dan kaya V). Setelah austenitisasi dan tempering yang tepat, matriks mempertahankan ketangguhan yang baik dan kekuatan suhu tinggi; karbida relatif halus dan terdistribusi dengan baik. - SKD11 (D2): matriks martensitik dengan fraksi volume tinggi karbida keras kaya kromium (M7C3/M23C6/VC), sering dalam jaringan semi-kontinu tergantung pada perlakuan panas. Karbida memberikan ketahanan aus yang tinggi tetapi mengurangi duktilitas dan ketangguhan impak.
Perilaku perlakuan panas yang khas: - SKD61: austenitisasi dalam kisaran yang biasanya dekat 1000–1030 °C, quench (biasanya minyak) dan melakukan tempering multi-tahap pada 500–600 °C. SKD61 merespons dengan baik terhadap siklus tempering yang menghasilkan pengerasan sekunder, meningkatkan kekuatan panas dan ketangguhan. Ini lebih toleran terhadap siklus termal dibandingkan SKD11. - SKD11: biasanya pengerasan udara atau minyak setelah austenitisasi dekat 1000–1030 °C dan memerlukan tempering ganda (sering sekitar 500–550 °C). D2/SKD11 sering mendapat manfaat dari perlakuan kriogenik untuk mengurangi austenit yang tertahan dan menstabilkan kekerasan. Mikrostruktur SKD11 kurang toleran terhadap siklus termal yang cepat; tempering harus dikelola untuk mempertahankan kekerasan sambil mengurangi kerapuhan.
Rute pemrosesan seperti normalisasi, penempaan terkontrol, atau perlakuan termo-mekanis meningkatkan pemurnian butir dan ketangguhan di kedua grade, tetapi SKD61 mendapatkan manfaat ketangguhan yang relatif lebih banyak dari kondisi tersebut.
4. Sifat Mekanis
| Sifat | SKD61 (tipikal, perlakuan panas) | SKD11 (tipikal, perlakuan panas) |
|---|---|---|
| Kekerasan (HRC) | 44 – 52 HRC (kisaran layanan tipikal) | 56 – 62 HRC (umum untuk alat kerja dingin) |
| Kekuatan tarik (MPa) | ~1000 – 1400 MPa (bervariasi luas dengan temper) | ~1300 – 1800 MPa (lebih tinggi saat sepenuhnya dikeraskan) |
| Kekuatan luluh (MPa) | ~800 – 1100 MPa | ~1000 – 1500 MPa |
| Peregangan (%) | 6 – 15% (tergantung pada temper dan bagian) | 3 – 8% (lebih rendah karena karbida) |
| Ketangguhan impak (J, kualitatif) | Relatif tinggi (ketangguhan baik) | Rendah hingga sedang (kecenderungan rapuh) |
Interpretasi: - Kekuatan: SKD11 dapat mencapai kekerasan puncak dan kekuatan statis yang lebih tinggi karena kandungan karbon dan karbida yang lebih tinggi. - Ketangguhan/Duktibilitas: SKD61 jauh lebih tangguh dan lebih duktile, terutama pada suhu tinggi dan di bawah siklus termal. - Ketahanan aus: SKD11 biasanya menunjukkan ketahanan aus yang lebih baik; SKD61 menawarkan ketahanan aus yang baik seimbang dengan ketahanan kelelahan termal.
5. Kemampuan Pengelasan
Pertimbangan kemampuan pengelasan bergantung pada ekuivalen karbon dan kemampuan pengerasan. Dua indeks empiris yang berguna:
-
Ekuivalen karbon International Institute of Welding: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Parameter Dearden–O’Neill (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: - SKD11 (C tinggi, Cr tinggi) menghasilkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang tinggi, menunjukkan kemampuan pengelasan yang buruk dan kecenderungan tinggi untuk martensit keras dan rapuh serta retak di zona yang terpengaruh panas. Pemanasan awal, suhu antar yang terkontrol, dan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) biasanya diperlukan; bahkan kemudian, pengelasan harus diminimalkan. - SKD61 memiliki ekuivalen karbon yang lebih rendah dan lebih dapat dilas dibandingkan SKD11, tetapi masih memerlukan pemanasan awal dan PWHT untuk penampang besar atau alat kritis. Kehadiran Mo dan V sedikit meningkatkan kemampuan pengerasan, sehingga kontrol prosedur pengelasan diperlukan untuk menghindari retak HAZ.
Saran praktis: Untuk kedua grade, bahan pengelasan yang cocok dengan keluarga baja alat dan prosedur pengelasan yang memenuhi syarat sangat penting. Jika memungkinkan, desain untuk penyambungan mekanis atau gunakan sisipan yang dapat dilepas untuk menghindari pengelasan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik SKD61 maupun SKD11 bukanlah baja tahan karat; keduanya rentan terhadap korosi dan oksidasi permukaan di lingkungan lembab atau korosif.
- Strategi perlindungan yang khas: pengecatan, fosfatasi, pelumasan, pelapisan (misalnya, nikel atau krom keras), atau pelapisan permukaan lokal (PVD/CVD, nitriding) tergantung pada tuntutan aus/korosi.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) digunakan untuk pemilihan stainless: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini tidak berlaku untuk SKD61 atau SKD11 karena mereka bukan paduan stainless; kromium dalam SKD11 berkontribusi pada pembentukan karbida dan ketahanan aus, bukan pada perilaku stainless.
Untuk oksidasi suhu tinggi (kerja panas), paduan SKD61 (Cr, Mo) memberikan ketahanan skala yang lebih baik dibandingkan SKD11, menjadikan SKD61 lebih disukai untuk cetakan panas yang terpapar atmosfer oksidasi siklik.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan
- Kemudahan pemesinan: SKD61 (karbon lebih rendah, lebih sedikit karbida) lebih mudah diproses dibandingkan SKD11. Alat pemotong, umpan, dan kecepatan harus disesuaikan untuk keadaan yang dikeraskan; SKD11 bersifat abrasif dan mempercepat keausan alat.
- Kemudahan pembentukan/kekakuan: SKD61 lebih mudah dibentuk dalam kondisi annealed dan dapat ditempa/normalkan lebih mudah sebelum perlakuan panas akhir. SKD11 memiliki kemampuan pembentukan plastik yang buruk dalam kondisi dikeraskan dan biasanya dibentuk dalam kondisi annealed dengan kontrol hati-hati untuk menghindari patahnya karbida.
- Penyelesaian permukaan: SKD11 memerlukan usaha penggilingan dan pemolesan yang lebih agresif karena karbida keras; EDM biasanya digunakan untuk fitur rumit di kedua grade tetapi laju keausan elektroda akan lebih tinggi untuk SKD11.
- Perlakuan sekunder: Keduanya menerima nitriding, tetapi responsnya berbeda—SKD61 mendapat manfaat dari nitriding untuk ketahanan aus dan kekerasan permukaan tanpa kerapuhan yang drastis; kromium tinggi SKD11 dapat mempersulit difusi nitriding dan adhesi.
8. Aplikasi Tipikal
| SKD61 (H13) – Penggunaan Tipikal | SKD11 (D2) – Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Cetakan penempaan panas, cetakan ekstrusi, inti pengecoran cetakan, bilah pemotong panas, cetakan stamping panas | Pukulan dan cetakan dingin, cetakan pemotongan, bilah pemotong, cetakan pembentukan, komponen pengukur |
| Alat kerja panas yang terpapar siklus termal dan suhu tinggi | Alat kerja dingin untuk produksi jangka panjang di mana keausan abrasif dan stabilitas dimensi mendominasi |
| Inserts pencetakan injeksi dengan beban termal | Komponen aus dalam jalur stamping atau pemotongan |
Rasional pemilihan: - Pilih SKD61 ketika alat menghadapi suhu tinggi, kejutan termal, atau membutuhkan ketangguhan dan ketahanan temper yang baik. - Pilih SKD11 ketika mode kegagalan utama adalah keausan abrasif pada suhu yang lebih rendah dan alat mendapatkan manfaat dari kekerasan dan stabilitas dimensi yang sangat tinggi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: SKD11 seringkali lebih mahal per kilogram dalam bentuk alat jadi karena kandungan paduan yang lebih tinggi dan waktu pemesinan/penggilingan tambahan yang diperlukan; SKD61 umumnya lebih ekonomis untuk volume alat kerja panas yang lebih besar.
- Ketersediaan: Kedua grade biasanya tersedia dalam bentuk batang, pelat, dan tempa. SKD61 sangat umum dalam bentuk kerja panas; SKD11 tersedia luas untuk alat kerja dingin tetapi mungkin memerlukan waktu tunggu lebih lama untuk bagian besar atau yang dimesin khusus karena tantangan pengerasan dan pemesinan.
- Bentuk pasokan: SKD61 sering disuplai sebagai blok tempa, batang yang dilebur udara, dan billet yang dinormalisasi yang disesuaikan untuk cetakan besar; SKD11 biasanya disuplai dalam pelat dan batang yang telah dipanaskan sebelumnya dan dirancang untuk alat presisi.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | SKD61 (H13) | SKD11 (D2) |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Cukup baik (memerlukan kontrol) | Buruk (sulit; memerlukan PWHT yang ketat) |
| Seimbang Kekuatan–Ketangguhan | Baik (ketangguhan tinggi, kekuatan panas yang baik) | Kekerasan tinggi tetapi ketangguhan rendah |
| Biaya (relatif) | Lebih rendah hingga sedang | Sedang hingga lebih tinggi |
Pilih SKD61 jika:
- Aplikasi mengekspos alat atau komponen pada suhu tinggi, siklus termal, atau kejutan (penempaan panas, pengecoran cetakan, pemangkasan panas).
- Anda membutuhkan keseimbangan yang baik antara ketangguhan, ketahanan temper, dan kemampuan untuk diperbaiki (kemampuan pengelasan) untuk pemeliharaan.
- Anda memprioritaskan ketahanan terhadap kelelahan termal dan kemampuan untuk dikerjakan ulang tanpa kerapuhan terkait karbida yang berlebihan.
Pilih SKD11 jika:
- Mode kegagalan utama adalah keausan abrasif atau adhesif pada suhu ambien atau suhu yang sedikit lebih tinggi (pemotongan dingin, pengeboran halus, stamping jangka panjang).
- Anda memerlukan kekerasan permukaan yang sangat tinggi dan stabilitas dimensi di bawah beban kerja dingin.
- Anda menerima prosedur pemesinan, penggilingan, dan pengelasan yang lebih menantang sebagai imbalan untuk umur pakai yang lebih lama.
Catatan akhir: Pemilihan material harus selalu mempertimbangkan seluruh envelope layanan—beban, suhu, frekuensi siklus, strategi perbaikan, dan biaya kepemilikan. Jika memungkinkan, validasi pilihan dengan percobaan, optimasi perlakuan panas yang ditargetkan, dan analisis mode kegagalan untuk mengonfirmasi apakah ketangguhan SKD61 atau ketahanan aus SKD11 memberikan hasil siklus hidup terbaik.