1. Perkenalan
Baja mendukung infrastruktur modern, Dari gedung pencakar langit yang menjulang hingga alat bedah presisi.
Sebagai bahan paling daur ulang di dunia, Ini menawarkan kombinasi kekuatan yang tak tertandingi, Kemampuan formulir, dan efektivitas biaya.
Dalam artikel ini, Kami membandingkan dua keluarga baja mendasar - baja karbon dan baja paduan - kimia lintasan, properti, pengolahan, ekonomi, dan aplikasi.
Pada akhirnya, Anda akan memahami kapan harus memilih setiap jenis untuk kinerja dan nilai puncak.
2. Apa itu baja karbon?
Baja karbon menonjol sebagai salah satu keluarga baja paling sederhana dan paling banyak digunakan.
Menurut definisi, itu terutama terdiri dari besi (Fe) Paduan dengan karbon (C), biasanya mulai dari 0.05 % ke 1.00 % dengan berat.
Saat Anda meningkatkan kandungan karbon, Kekuatan dan kekerasan paduan meningkat - tetapi penurunan keuletan dan kelonggaran.
Lebih-lebih lagi, Penambahan Mangan Terkontrol (hingga ~ 1,65 %), silikon (0.15 %–0.30 %), fosfor (< 0.04 %), dan belerang (< 0.05 %) membantu memperbaiki struktur gandum, Tingkatkan Hardenability, dan meningkatkan kemampuan mesin.
Jenis Baja Karbon
Insinyur mengklasifikasikan baja karbon ke dalam empat kategori utama berdasarkan persentase karbon. Setiap kategori memiliki peran yang berbeda, dari wireform fleksibel hingga bilah tahan aus:
| Kategori | C konten | Ciri -ciri kunci | Penggunaan umum |
|---|---|---|---|
| Rendah karbon (Lembut) | 0.05 %–0.30 % | Keuletan yang sangat baik; mudah dilas dan dibentuk | Panel otomotif, bentuk struktural, pagar |
| Karbon sedang | 0.30 %–0.60 % | Kekuatan dan ketangguhan yang seimbang; dapat diobati dengan panas | Roda gigi, as, poros, komponen mesin |
| Karbon tinggi | 0.60 %–1.00 % | Kekerasan tinggi setelah pendinginan; keuletan yang lebih rendah | Alat pemotong, Mata air, Kabel berkekuatan tinggi |
| Karbon yang sangat setinggi | 1.00 %–2.00 % | Resistensi keausan yang luar biasa; rapuh di alam | Pisau khusus, Pisau geser, bagian cor |
3. Apa itu baja paduan?
Baja paduan Tinggikan baja karbon polos dengan sengaja menambahkan satu atau lebih elemen paduan,
seperti kromium, nikel, Molybdenum, Vanadium, tungsten, atau boron, Untuk mencapai sifat yang tidak dapat dikirimkan oleh kandungan karbon saja.
Penambahan strategis ini memperbaiki struktur mikro baja, Tingkatkan kinerja mekanis, dan meningkatkan ketahanan terhadap panas, memakai, dan korosi.
Komposisi dan mikrostruktur kimia
Setiap elemen paduan menyumbang manfaat yang berbeda:
- Kromium (0.5–2 %) mempromosikan pembentukan hard chromium carbides dan tipis, Lapisan oksida adheren, Meningkatkan resistensi keausan dan perlindungan korosi.
- Nikel (1–5 %) menstabilkan fase austenit pada suhu kamar, secara dramatis meningkatkan ketangguhan-terutama di lingkungan suhu rendah.
- Molybdenum (0.2–0.6 %) meningkatkan kekuatan creep dan mempertahankan kekerasan pada suhu tinggi dengan menahan pertumbuhan biji -bijian.
- Vanadium (0.1–0.3 %) memurnikan ukuran biji-bijian sebelumnya, memberikan kekuatan luluh yang lebih tinggi dan kehidupan kelelahan yang unggul.
- Tungsten (hingga 2 %) Dan Boron (0.0005–0.003 %) Lebih lanjut meningkatkan kekerasan suhu tinggi dan pengerasan bagian dalam, masing -masing.
Jenis baja paduan
Sementara kombinasi dapat sangat bervariasi, Lima kelompok baja paduan yang paling umum termasuk:
| Keluarga paduan | Elemen kunci | Manfaat utama | Contoh Penggunaan |
|---|---|---|---|
| Baja paduan rendah | Cr, Di dalam, Mo (Total ≤ 5 %) | Kekuatan seimbang, Ketangguhan sedang, Peningkatan Hardenability | Sasis otomotif, balok struktural |
| Baja paduan tinggi | Cr, Di dalam, Mo, V, W (total > 5 %) | Kekuatan dan ketahanan terhadap korosi/panas yang luar biasa | Bilah turbin, Bagian Reaktor Nuklir |
| Baja alat | Cr, Mo, W, V, C (C hingga ~ 2 %) | Kekerasan yang sangat tinggi, Pakai ketahanan, stabilitas dimensi | Alat pemotong, pukulan, mati |
| Baja tahan karat | ≥ 10.5 % Cr, ditambah ni, Mo, N | Resistensi korosi yang luar biasa, Kemampuan formulir | Instrumen medis, peralatan pemrosesan makanan |
| Maraging Steels | Di dalam (15–25 %), Bersama, Mo, Dari, Al (rendah c) | Kekuatan sangat tinggi dengan ketangguhan yang sangat baik | Komponen Struktural Aerospace, perkakas |
4. Mendekode sistem penunjukan baja AISI empat digit
Sebelum membedakan antara karbon dan baja paduan, Sangat penting untuk memahami konvensi penamaan mereka.
Di Aisi Empat digit (American Iron and Steel Institute) sistem, Dua digit pertama mengidentifikasi keluarga baja, sedangkan dua digit terakhir menentukan kandungan karbon nominal (di keseratus persen, hingga 1.00 %).
Misalnya, Awalan “10” menunjuk baja karbon polos, dengan 1018 mengandung 0.18 % karbon dan 1045 mengandung 0.45 %.
Juga, 4140—Kewati awalan “41” - juga menunjukkan 0.40 % karbon, tetapi sebagai bagian dari keluarga paduan kromium-molybdenum.
Semua nilai seri "10" termasuk sejumlah kecil mangan, fosfor, dan silikon untuk memperbaiki struktur biji -bijian dan meningkatkan kekuatan.
Kadang-kadang, Huruf akhiran muncul: L menunjukkan timbal tambahan untuk machinability yang unggul, Dan B menandakan tambahan boron yang meningkatkan hardenability di bagian yang lebih dalam.
Dengan memecahkan kode awalan ini, digit, dan surat, Anda dapat memprediksi kimia dasar baja - dan dengan demikian menyimpulkan kekerasannya, kekuatan tarik, dan kesesuaian untuk perlakuan panas.
Di bawah ini adalah tabel penomoran AISI/SAE empat digit lengkap, menunjukkan kedua sub-seri-karbon polos (10xx --15xx) dan seri baja paduan utama (2xxx - 9xxx).
Dua digit terakhir selalu memberikan konten C nominal dalam seratus persen (misalnya. “18” → 0.18 %C).
| Seri | Elemen paduan primer(S) | Rentang karbon (%C) | Karakteristik utama / Catatan |
|---|---|---|---|
| 10xx | Karbon polos (C + M N, P, Dan) | 0.06 - - 0.60 | Ditarik dingin & Baja karbon yang linting panas (misalnya. 1018, 1045) |
| 11xx | Karbon yang diturunkan kembali (menambahkan s) | 0.06 - - 0.60 | Kemampuan mesin yang lebih baik (misalnya. 1117, 1144) |
| 12xx | Resulfurized + karbon yang direposfor (S+p) | 0.06 - - 0.60 | Kerajaan minyak, kemampuan mesin yang baik (misalnya. 1215) |
| 15xx | Karbon Mangan Tinggi (menambahkan ~ 1,00 % M N) | 0.20 - - 0.50 | Kekuatan yang lebih baik & kemampuan mesin (misalnya. 1541) |
| 15Bxx | MN tinggi + Boron (B ~ 0,0005-0,003 %) | 0.20 - - 0.50 | Peningkatan Hardenability |
2xxx |
Baja nikel (Di 1-5 %) | 0.06 - - 0.60 | Keras, kinerja suhu rendah (misalnya. 2024) |
| 3xxx | Baja nikel-kromium (Di dalam + Cr) | 0.06 - - 0.60 | Penahan panas & kekuatan tinggi (misalnya. 3090) |
| 4xxx | Baja Molybdenum (MO 0,2-0,5 %) | 0.06 - - 0.60 | Kekuatan suhu tinggi, resistensi korosi (misalnya. 4042) |
| 41xx | Baja kromium-molybdenum (Cr + Mo) | 0.06 - - 0.60 | Kerasinya yang baik & Pakai ketahanan (misalnya. 4140, 4130) |
| 43xx | Baja kromium (CR 0,5-1,5 %) | 0.06 - - 0.60 | Kekuatan tinggi, beberapa resistensi korosi (misalnya. 4310) |
5xxx |
Baja kromium (CR yang lebih tinggi dari 4xxx) | 0.06 - - 0.60 | Baja alat hardening udara (misalnya. 5140) |
| 6xxx | Baja kromium-vanadium (Cr + V) | 0.06 - - 0.60 | Musim semi & Bagian stres tinggi (misalnya. 6150) |
| 7xxx | Baja tungsten (W 1–5 %) | 0.06 - - 0.60 | Berkecepatan tinggi & Baja alat kerja panas (misalnya. 7Seri XXX HSS) |
| 8xxx | Nikel-Chromium-Molybdenum (AT + CR + I) | 0.06 - - 0.60 | Kekuatan ultra-tinggi & kekerasan (misalnya. 815M40) |
| 9xxx | Baja Silikon-Mangan (Dan + M N) | 0.06 - - 0.60 | Baja musim semi, Kehidupan Kelelahan Tinggi (misalnya. 9260) |
Huruf sufiks
- L: Menambahkan timah untuk peningkatan machinability (misalnya. 1215L)
- B: Menambahkan boron untuk hardenability (misalnya. 8640B)
- H: Persyaratan Pengerasan Khusus (misalnya. 4140H)
5. Sifat mekanik baja paduan VS. Baja Karbon
Kinerja mekanik mendorong pemilihan material, dan paduan vs karbon baja berbeda secara signifikan dalam metrik utama.
Kekuatan tarik, Kekuatan luluh, dan keuletan
- Baja Karbon: Nilai rendah karbon (misalnya. Aisi 1018) Tunjukkan kekuatan tarik sekitar 400–550 MPa dan kekuatan luluh di dekat 250–350 MPa, dengan perpanjangan saat istirahat 20-30 %.
Baja karbon sedang (misalnya. 1045) Dorong kekuatan tarik hingga 600–800 MPa dan hasilkan hingga 350–550 MPa, Namun keuletan jatuh ke ~ 15 %. - Baja paduan: Sebaliknya, A 4340 baja paduan, padam dan marah, mencapai kekuatan tarik 1 100–1 400 Kekuatan MPA dan Luluh 950–1 150 MPa, sambil mempertahankan 12–18 % pemanjangan.
Akibatnya, Baja paduan memberikan hingga dua kali kekuatan baja karbon tanpa mengorbankan keuletan yang berlebihan.
Lebih-lebih lagi, Tambahan Strategis - seperti nikel atau vanadium - perilaku hasil yang lebih baik.
Misalnya, A 2 % Ni Low-Alloy Grade meningkatkan hasil yang teruji dampak sebesar ~ 10 % dibandingkan dengan baja CR-MO yang serupa.
Kekerasan dan ketahanan aus
- Baja Karbon: Baja karbon tinggi yang dirawat dengan panas bisa mencapai 60 HRC (Kekerasan Rockwell c), menawarkan ketahanan aus yang baik untuk bilah dan mata air.
Namun, sebagai karbon melebihi 0.8 %, Formabilitas menderita dan retak risiko selama kenaikan pendinginan. - Baja paduan: Baja alat (misalnya. D2 dengan ~ 12 % Cr, 1.5 % C) mencapai 62-64 HRC dengan retensi tepi yang sangat baik.
Sementara itu, Kelas Hot-Work Tungsten-Alloy (H13) Kirim 48–52 HRC bersama dengan hardness merah hingga 600 ° C..
Selain itu, baja paduan sering menyematkan karbida keras (Cr, V, atau w) itu menahan abrasi jauh lebih baik daripada sementit dalam baja karbon.
Akibatnya, Anda akan melihat paduan yang diperkuat karbida bertahan 2–3 × lebih panjang dalam cetakan gayak tinggi dan mati.
Ketangguhan dan perlawanan dampak
- Baja Karbon: Baja rendah karbon dengan mudah menyerap dampak, Menghasilkan nilai charpy v-notch 80–120 J pada suhu kamar.
Belum, Saat karbon naik di atas 0.6 %, Ketangguhan terjun di bawah 20 J, membuat fraktur rapuh lebih mungkin. - Baja paduan: Paduan yang mengandung nikel (misalnya. 8640 dengan 2 % Di dalam) Pertahankan nilai charpy di atas 50 J bahkan pada –40 ° C.
Lebih-lebih lagi, Baja vanadium microalloyed memberikan ketangguhan patah tulang (K_ic > 80 MPa · √m) dengan menyempurnakan ukuran gandum.
Kinerja kelelahan dan resistensi creep
- Kelelahan: Baja paduan biasanya menunjukkan batas kelelahan sekitar 50-60 % kekuatan tarik tertinggi, dibandingkan dengan ~ 40 % untuk baja karbon.
Misalnya, Seorang yang padam dan pemarah 4140 Paduan memiliki batas ketahanan dekat 650 MPa, sedangkan 1045 melayang di 320 MPa. - Orang aneh: Pada suhu tinggi (> 300 ° C.), Baja karbon merayap dengan cepat, membatasi penggunaan pada bagian yang terpapar panas.
Sebaliknya, Paduan CR-MO dan Ni-CR-MO mempertahankan stres 200-300 MPa selama ribuan jam dan 550 ° C., Berkat jaringan karbida stabil yang menghambat geser batas gandum.
Tabel perbandingan
| Milik | Baja Karbon | Baja paduan |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | 400 - - 550 MPa (rendah-c); 600 - - 800 MPa (Med-C) | 1 100 - - 1 400 MPa (misalnya. 4340 Qt) |
| Kekuatan luluh | 250 - - 350 MPa (rendah-c); 350 - - 550 MPa (Med-C) | 950 - - 1 150 MPa (misalnya. 4340 Qt) |
| Keuletan (Perpanjangan saat istirahat) | 20 - - 30 % (rendah-c); ~ 15 % (Med-C) | 12 - - 18 % (4340 Qt); bervariasi dengan elemen paduan |
| Kekerasan (Hrc setelah perlakuan panas) | Hingga ~ 60 HRC (tinggi-c); Risiko retakan quench di atas ~ 0,8 % C | 48 - - 52 HRC (H13); 62 - - 64 HRC (D2); dipertahankan pada suhu tinggi |
Dampak charpy (20 ° C.) |
80 - - 120 J (rendah-c); < 20 J (tinggi-c) | ≥ 50 J at –40 ° C (nilai ni-bantalan); K_ic > 80 MPa · √m (Baja V-microalloyed) |
| Batas kelelahan | ~ 40 % dari UTS (misalnya. ~ 320 MPa untuk 1045) | ~ 50 - 60 % dari UTS (misalnya. ~ 650 MPa untuk dipadamkan dan pemarah 4140) |
| Resistensi Creep (pada > 300 ° C.) | Miskin; Penggunaan Batas Deformasi Cepat | Bagus; Paduan CR-MO dan Ni-CR-MO 200 - - 300 Stres MPa selama ribuan jam pada ~ 550 ° C |
| Pakai ketahanan | Bergantung pada sementit; sedang | Sangat baik karena cr keras, V, atau karbida W.; bertahan 2 - 3 × lebih lama dalam cetakan dan mati |
Qt = padam dan marah
6. Korosi dan resistensi lingkungan
- Baja Karbon mengoksidasi dengan mudah, dengan laju korosi khas 0,1-0,5 mm/tahun dalam kondisi sekitar.
- Baja paduan dengan ≥ 12 % CR membentuk film pasif, mengurangi laju korosi menjadi < 0.01 mm/tahun di banyak lingkungan.
Lebih-lebih lagi, Penambahan Nikel dan Molibdenum Combat Pitting di media yang kaya klorida. Meskipun pelapis (galvanis, epoksi) membantu baja karbon, Mereka menambahkan biaya perawatan yang berulang.
Sebaliknya, Baja paduan stainless dan pelapukan memberikan perlindungan jangka panjang melalui metalurgi saja.
7. Perlakuan panas dan pembuatan baja paduan VS. Baja Karbon
- Baja Karbon Perawatan Panas - Annealing, menormalkan, memuaskan & Temper - Kontrol Kekerasan dan Ketangguhan. Misalnya, 1045 baja dipadamkan dalam minyak mencapai ~ 55 hrc.
- Baja paduan sering mengalami pengobatan solusi (MISALNYA., 17-4PH stainless) atau pengerasan usia (MISALNYA., Superalloy berbasis NI) untuk membuka kunci properti puncak.
Selain itu, Weldability dan Formability Decline Saat konten paduan naik.
Misalnya, karbon polos 1018 lasan mudah dengan elektroda umum, Sedangkan Austenitic Stainless 304L menuntut pengisi khusus dan pemanasan awal.
Akibatnya, Perakit Rencana Kontrol yang lebih ketat dan perawatan pasca-kelelawar untuk nilai-nilai Alloy Tinggi.
8. Pertimbangan Biaya dan Ekonomi
| Faktor biaya | Baja Karbon | Baja paduan |
|---|---|---|
| Bahan mentah | $500 - - $700 per nada | $1,000 - - $3,000 per nada (tergantung pada paduan) |
| Energi & Pengolahan | Sedang (meleleh lebih sederhana & menyaring) | Tinggi (perawatan vakum, komposisi yang tepat) |
| Perlakuan panas | $50 - - $200 per nada | $200 - - $800 per nada (siklus kompleks) |
| Pemeliharaan & Siklus hidup | Perbaikan rekoasi atau korosi berkala | Minimal untuk baja tahan karat dan pelapukan |
| Total biaya kepemilikan (Tco) | Lebih rendah di muka; pemeliharaan yang lebih tinggi | Investasi yang lebih tinggi; Biaya siklus hidup yang lebih rendah |
9. Aplikasi paduan vs baja karbon
Aplikasi Baja Karbon
- Konstruksi: Balok struktural, Batang penguat
- Otomotif: Bingkai, panel tubuh
- Saluran pipa & Kapal Tekanan: Minyak, air, transportasi gas
- Teknik Umum: Bagian mesin, peralatan pertanian
Aplikasi baja paduan
- Luar angkasa: Landing gear, disk turbin
- Minyak & Gas: Kerah bor, katup bawah laut
- Pembangkit listrik: Tabung boiler, komponen reaktor nuklir
- Lingkungan suhu tinggi: Bagian tungku, Penukar panas
10. Apa perbedaan antara baja paduan vs baja karbon?
| Dimensi | Baja Karbon | Baja paduan |
|---|---|---|
| Komposisi Kimia | Fe + 0.05–1.0 % C; jejak Mn, Dan, P, S | Fe + C + ≥ 0.5 % elemen strategis (Cr, Di dalam, Mo, V, W, B, dll.) |
| Kandungan karbon | 0.05–2.0 % | Biasanya 0,1-1,0 %, tetapi bervariasi dengan nilai |
| Elemen paduan primer | Tidak ada (di luar jejak) | Cr, Di dalam, Mo, V, W, B - masing -masing disesuaikan untuk kekerasan, kekerasan, korosi atau kekuatan tinggi |
| Kekuatan tarik | 400–800 MPa (rendah- ke High-C) | 900–1 400 MPa (rendah- untuk paduan suara tinggi padam & marah) |
| Kekuatan luluh | 250–550 MPa | 800–1 200 MPa |
| Pemanjangan (Keuletan) | 20–30 % (rendah-c); ~ 10–15 % (tinggi-c) | 10–20 %, tergantung pada campuran paduan |
| Kekerasan (HRC) | ≤ 60 HRC (Kelas tinggi-C) | 48–64 HRC (alat baja hingga 65 HRC; Nilai Pekerjaan Panas ~ 50 HRC) |
Pakai ketahanan |
Sedang (berbasis sementit) | Tinggi (karbida hard cr, V, W); 2–3 × hidup lebih lama dalam abrasi |
| Laju korosi | 0.1–0,5 mm/tahun tidak dilapisi | < 0.01 mm/tahun untuk stainless/pelapukan; 0.02–0.1 mm/tahun untuk semua-rendah |
| Konduktivitas termal | 45–60 w/m · k | 20–50 w/m · k (Paduan CR/NI lebih rendah; Paduan Mo/W lebih tinggi) |
| Ekspansi termal | 11–13 × 10⁻⁶/k | 10–17 × 10⁻⁶/k (≈ stainless 17; CR-MO ≈ 11; Anak -anak ≈ed 13) |
| Resistivitas listrik | 10–15 µΩ · cm | 20–100 µΩ · cm (stainless ~ 70; naik dengan konten paduan) |
| Permeabilitas magnetik | Tinggi (≈ 200–1 000) | Variabel: rendah dalam austenitik (~ 1–2), Tinggi kelas feritik/martensit |
| Perlakuan panas | Sederhana: Anneal, menormalkan, memuaskan & melunakkan | Kompleks: solusi solusi, umur usia, tingkat pendinginan yang tepat, Perawatan Panas Pasca-Weld Khusus |
Pembuatan |
Kemampuan bentuk yang sangat baik, kemampuan las, kemampuan mesin | Lebih menantang saat konten paduan meningkat - memerlukan kontrol yang lebih ketat dan barang habis pakai khusus |
| Kepadatan | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8.1 g/cm³ (sedikit bervariasi dengan elemen paduan) |
| Suhu layanan maksimum. | ≤ 300 ° C. (Di atasnya yang merayap/penskalaan berakselerasi) | 400–600 ° C. (Cr-Mo); 700–1 000 ° C. (Superalloy berbasis NI) |
| Biaya (USD/ton) | $500- $ 700 | $1 000- $ 3 000 (tergantung pada kompleksitas paduan) |
| Aplikasi khas | Balok struktural, Bingkai otomotif, saluran pipa, Suku Cadang Rekayasa Umum | Komponen Aerospace, minyak & katup gas, Turbin Power-Plant, Perkakas berkinerja tinggi, medis |
11. Kesimpulan
Singkatnya, baja paduan vs.. Baja karbon masing -masing menempati ceruk vital.
Baja karbon menawarkan keterjangkauan, kemudahan fabrikasi, dan kinerja yang memadai untuk penggunaan struktural dan mekanik sehari -hari.
Sebaliknya, Baja paduan-dengan sifat mekanik dan tahan korosi yang disempurnakan-sebutir tuntutan aerospace, energi, dan industri berisiko tinggi lainnya.
Dengan mengevaluasi make-up kimia, persyaratan mekanis, kemampuan fabrikasi, dan faktor ekonomi, Insinyur dapat memilih kelas baja optimal yang menyeimbangkan biaya, daya tahan, dan kinerja.
