Baja Karbon Sedang: Sifat dan Aplikasi Utama
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Steel karbon menengah adalah kategori baja yang biasanya mengandung kandungan karbon berkisar antara 0,3% hingga 0,6%. Klasifikasi ini menempatkannya di antara baja karbon rendah, yang memiliki kandungan karbon di bawah 0,3%, dan baja karbon tinggi, yang melebihi 0,6%. Baja karbon menengah umumnya dipadu dengan mangan, yang meningkatkan kekerasannya dan kekuatannya. Unsur lain seperti silikon, kromium, dan nikel juga dapat hadir dalam jumlah kecil, berkontribusi pada berbagai sifat mekanik.
Tinjauan Komprehensif
Baja karbon menengah dikenal karena keseimbangan kekuatan, kelenturan, dan ketahanan terhadap aus, membuatnya cocok untuk berbagai aplikasi teknik. Sifat mekaniknya dapat disesuaikan melalui proses perlakuan panas, memungkinkan berbagai tingkat kekerasan dan ketahanan. Karakteristik paling signifikan dari baja karbon menengah meliputi:
- Kekuatan dan Kekerasan: Kandungan karbon memungkinkan kekuatan tarikan dan kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan baja karbon rendah, menjadikannya cocok untuk aplikasi yang memerlukan daya tahan.
- Kelenturan: Meskipun lebih kuat dibandingkan baja karbon rendah, baja karbon menengah mempertahankan tingkat kelenturan yang wajar, memungkinkannya dibentuk dan dibentuk tanpa retak.
- Ketahanan Aus: Unsur paduan berkontribusi pada peningkatan ketahanan aus, menjadikannya ideal untuk komponen yang terkena gesekan dan abrasi.
Keuntungan:
- Kemampuan mesin dan proses pengelasan yang baik.
- Rasio kekuatan terhadap berat yang sangat baik.
- Serbaguna untuk berbagai aplikasi, termasuk komponen otomotif dan struktural.
Limitasi:
- Rentan terhadap korosi jika tidak dirawat atau dilapisi dengan benar.
- Kandungan karbon yang lebih tinggi dapat mengakibatkan kerapuhan jika tidak diperlakukan panas dengan benar.
Secara historis, baja karbon menengah telah banyak digunakan dalam pembuatan roda gigi, sumbu, dan komponen lainnya di mana kombinasi kekuatan dan kelenturan diperlukan. Posisi pasar tetap kuat karena serbagunanya dan efektivitas biaya.
Nama Alternatif, Standar, dan Ekuivalen
| Organisasi Standar | Penunjukan/Kelas | Negara/Wilayah Asal | Catatan/Keterangan |
|---|---|---|---|
| UNS | G10400 | AS | Ekuivalen terdekat dengan AISI 1040 |
| AISI/SAE | 1040 | AS | Umum digunakan untuk aplikasi struktural |
| ASTM | A36 | AS | Baja struktural dengan kandungan karbon lebih rendah |
| EN | S235JR | Eropa | Sebanding tetapi dengan kekuatan hasil yang lebih rendah |
| DIN | C45 | Jerman | Sifat serupa, tetapi dengan unsur paduan yang berbeda |
| JIS | S45C | Jepang | Ekuivalen dengan perbedaan komposisi kecil |
| GB | Q345B | China | Kekuatan hasil yang lebih tinggi, cocok untuk aplikasi struktural |
| ISO | 1.0503 | Internasional | Baja struktural untuk tujuan umum |
Catatan: Meskipun banyak kelas dianggap ekuivalen, perbedaan halus dalam komposisi dapat memengaruhi kinerja. Misalnya, AISI 1040 memiliki kandungan mangan yang lebih tinggi dibandingkan beberapa ekuivalen Eropa, yang dapat meningkatkan kekerasan.
Sifat Kunci
Komposisi Kimia
| Unsur (Simbol dan Nama) | Rentang Persentase (%) |
|---|---|
| C (Karbon) | 0.3 - 0.6 |
| Mn (Mangan) | 0.6 - 1.65 |
| Si (Silikon) | 0.15 - 0.4 |
| Cr (Krom) | 0.0 - 0.5 |
| Ni (Nikel) | 0.0 - 0.5 |
| P (Fosfor) | ≤ 0.04 |
| S (Belerang) | ≤ 0.05 |
Peran utama karbon dalam baja karbon menengah adalah untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatan. Mangan meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan tarik, sementara silikon berkontribusi pada deoksidasi selama pembuatan baja dan meningkatkan kekuatan. Kromium dan nikel dapat meningkatkan ketahanan terhadap korosi dan ketangguhan, terutama dalam aplikasi tertentu.
Sifat Mekanik
| Sifat | Kondisi/Suhu | Suhu Uji | Nilai/Rentang Tipikal (Metrik) | Nilai/Rentang Tipikal (Imperial) | Standar Rujukan untuk Metode Uji |
|---|---|---|---|---|---|
| Kekuatan Tarik | Dikondisikan | Suhu Ruang | 400 - 700 MPa | 58 - 102 ksi | ASTM E8 |
| Kekuatan Hasil (offset 0.2%) | Dikondisikan | Suhu Ruang | 250 - 450 MPa | 36 - 65 ksi | ASTM E8 |
| Peregangan | Dikondisikan | Suhu Ruang | 20 - 30% | 20 - 30% | ASTM E8 |
| Kekerasan (Brinell) | Dikondisikan | Suhu Ruang | 150 - 250 HB | 150 - 250 HB | ASTM E10 |
| Kekuatan Dampak (Charpy) | Didekat & Ditemper | -20 °C | 30 - 50 J | 22 - 37 ft-lbf | ASTM E23 |
Kombinasi sifat mekanik ini membuat baja karbon menengah cocok untuk aplikasi yang memerlukan kekuatan tinggi dan ketangguhan, seperti komponen otomotif dan bagian struktural. Kemampuannya untuk diperlakukan panas memungkinkan untuk kustomisasi sifat untuk memenuhi kondisi beban tertentu.
Sifat Fisik
| Sifat | Kondisi/Suhu | Nilai (Metrik) | Nilai (Imperial) |
|---|---|---|---|
| Kepadatan | Suhu Ruang | 7.85 g/cm³ | 0.284 lb/in³ |
| Titik/Range Leleh | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Konduktivitas Termal | Suhu Ruang | 50 W/m·K | 29 BTU·in/h·ft²·°F |
| Kapasitas Panas Spesifik | Suhu Ruang | 0.46 kJ/kg·K | 0.11 BTU/lb·°F |
| Resistivitas Listrik | Suhu Ruang | 0.0000017 Ω·m | 0.0000017 Ω·ft |
| Koeefisien Perluasan Termal | Suhu Ruang | 11.5 x 10⁻⁶/K | 6.4 x 10⁻⁶/°F |
Sifat fisik kunci seperti kepadatan dan titik leleh sangat penting untuk aplikasi yang melibatkan lingkungan suhu tinggi. Konduktivitas termal signifikan untuk komponen yang mungkin mengalami perubahan suhu yang cepat, sementara kapasitas panas spesifik memengaruhi bagaimana material merespons beban termal.
Ketahanan Korosi
| Agen Korosif | Konsentrasi (%) | Suhu (°C) | Peringkat Ketahanan | Catatan |
|---|---|---|---|---|
| Klorida | Beragam | Ambien | Adil | Risiko korosi pitting |
| Asam Sulfat | Rendah | Ambien | Sangat Buruk | Tidak dianjurkan |
| Air Laut | Beragam | Ambien | Adil | Membutuhkan pelapisan pelindung |
| Larutan Alkalin | Beragam | Ambien | Baik | Umumnya tahan |
Baja karbon menengah menunjukkan ketahanan korosi sedang, terutama dalam kondisi atmosfer. Namun, ia rentan terhadap pitting di lingkungan klorida dan harus dilindungi dalam kondisi asam atau sangat alkalin. Dibandingkan dengan baja tahan karat, baja karbon menengah memerlukan langkah-langkah pelindung tambahan untuk mencegah korosi.
Ketahanan Panas
| Sifat/Batas | Suhu (°C) | Suhu (°F) | Keterangan |
|---|---|---|---|
| Suhu Layanan Kontinu Maks | 400 °C | 752 °F | Cocok untuk aplikasi struktural |
| Suhu Layanan Intermiten Maks | 500 °C | 932 °F | Paparan jangka pendek |
| Suhu Scaling | 600 °C | 1112 °F | Risiko oksidasi |
| Pertimbangan Kekuatan Creep mulai | 400 °C | 752 °F | Penting untuk aplikasi jangka panjang |
Pada suhu tinggi, baja karbon menengah dapat mempertahankan sifat mekaniknya, namun perlu diperhatikan untuk menghindari oksidasi dan scaling. Kinerja material dapat menurun jika terpapar suhu tinggi dalam waktu lama, terutama dalam aplikasi yang melibatkan pembebanan siklik.
Sifat Fabrikasi
Kemampuan Pengelasan
| Proses Pengelasan | Metal Pengisi yang Direkomendasikan (Klasifikasi AWS) | Gas/Fluks Pelindung Tipikal | Catatan |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Argon + CO2 | Baik untuk bagian tipis |
| TIG | ER70S-2 | Argon | Cocok untuk pekerjaan presisi |
| Stick (SMAW) | E7018 | - | Memerlukan pemanasan awal untuk bagian tebal |
Baja karbon menengah umumnya dapat dilas, tetapi pemanasan awal mungkin diperlukan untuk mengurangi risiko retak. Perlakuan panas pasca pengelasan dapat meningkatkan ketangguhan las. Cacat umum termasuk porositas dan pengurangan, yang dapat diminimalkan dengan teknik yang tepat.
Kemampuan Mesin
| Parameter Pemrosesan | Baja Karbon Menengah | AISI 1212 | Catatan/Saran |
|---|---|---|---|
| Indeks Kemampuan Mesin Relatif | 70 | 100 | Baja karbon menengah dapat diproses tetapi memerlukan pemilihan alat yang cermat. |
| Kecepatan Pemotongan Tipikal (Putaran) | 30-50 m/menit | 60-90 m/menit | Sesuaikan berdasarkan alat dan set-up. |
Baja karbon menengah menawarkan kemampuan mesin yang baik, tetapi keberadaan karbon dapat menyebabkan keausan alat. Alat baja cepat atau karbida direkomendasikan untuk kinerja optimal.
Formabilitas
Baja karbon menengah dapat dibentuk melalui proses dingin dan panas. Pembentukan dingin dapat dilakukan, tetapi perhatian harus diberikan untuk menghindari pengerasan kerja. Jari-jari tekuk minimum harus dipertimbangkan selama operasi pembentukan untuk mencegah retak.
Perlakuan Panas
| Proses Perlakuan | Rentang Suhu (°C/°F) | Waktu Rendam Tipikal | Metode Pendinginan | Tujuan Utama / Hasil Yang Diharapkan |
|---|---|---|---|---|
| Annealing | 600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F | 1 - 2 jam | Udara | Mengurangi kekerasan, meningkatkan kelenturan |
| Quenching | 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F | 30 menit | Minyak atau Air | Meningkatkan kekerasan |
| Tempering | 200 - 600 °C / 392 - 1112 °F | 1 jam | Udara | Mengurangi kerapuhan, meningkatkan ketangguhan |
Proses perlakuan panas secara signifikan mengubah mikrostruktur baja karbon menengah, meningkatkan sifat mekaniknya. Pengerasan meningkatkan kekerasan, sementara tempering mengurangi kerapuhan, membuat material ini cocok untuk berbagai aplikasi.
Aplikasi dan Penggunaan Akhir Tipikal
| Industri/Sektor | Contoh Aplikasi Spesifik | Sifat Baja Kunci yang Digunakan dalam Aplikasi Ini | Alasan Pemilihan |
|---|---|---|---|
| Otomotif | Gigi | Kekuatan tinggi, ketahanan aus | Daya tahan di bawah beban |
| Konstruksi | Balkon struktural | Kekuatan, kelenturan | Kapasitas pembebanan |
| Mesin | Sumbu | Ketangguhan, kemampuan mesin | Komponen presisi |
| Perkakas | Perkakas pemotong | Kekerasan, ketahanan aus | Kinerja yang tahan lama |
- Aplikasi lainnya meliputi:
- Kunci pengencang
- Spring
- Shaft engkol
- Peralatan pertanian
Baja karbon menengah dipilih untuk aplikasi ini karena kemampuannya untuk menahan tekanan mekanik dan serbagunanya dalam proses pembuatan.
Pertimbangan Penting, Kriteria Pemilihan, dan Wawasan Lebih Lanjut
| Fitur/Sifat | Baja Karbon Menengah | AISI 4140 | AISI 1018 | Catatan Pro/Kon atau Perdagangan Singkat |
|---|---|---|---|---|
| Sifat Mekanik Kunci | Kekuatan moderat | Kekuatan tinggi | Kekuatan rendah | 4140 menawarkan kekuatan lebih tinggi tetapi kelenturan lebih rendah |
| Aspek Korosi Kunci | Ketahanan yang cukup | Ketahanan baik | Ketahanan buruk | 4140 lebih baik untuk lingkungan korosif |
| Kemampuan Pengelasan | Baik | Adil | Hebat | 1018 lebih mudah dilas |
| Kemampuan Mesin | Moderate | Adil | Baik | 1018 lebih mudah diproses |
| Formabilitas | Baik | Adil | Hebat | 1018 memiliki formabilitas yang lebih baik |
| Perkiraan Biaya Relatif | Moderat | Lebih tinggi | Lebih rendah | Biaya bervariasi dengan unsur paduan |
| Ketersediaan Tipikal | Umum | Kurang umum | Sangat umum | 1018 tersedia luas |
Dalam memilih baja karbon menengah, pertimbangan mencakup efisiensi biaya, ketersediaan, dan sifat mekanik spesifik yang dibutuhkan untuk aplikasi. Meskipun menawarkan keseimbangan baik antara kekuatan dan kelenturan, grade alternatif mungkin lebih cocok untuk lingkungan atau aplikasi tertentu.
Sebagai kesimpulan, baja karbon menengah adalah material serbaguna yang digunakan secara luas di berbagai industri karena sifat mekanik dan fisiknya yang menguntungkan. Memahami karakternya, sifat fabrikasi, dan aplikasinya dapat membantu insinyur dan perancang membuat keputusan yang tepat saat memilih material untuk proyek mereka.