Baja Paduan 4130: Properti dan Aplikasi

Baja paduan 4130 diklasifikasikan sebagai baja paduan rendah karbon sedang menurut sistem AISI. Penamaannya menyoroti unsur paduan utamanya: kromium (sekitar 1%) dan molibdenum (sekitar 0,20%). Baja serbaguna ini menawarkan kombinasi kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan las yang solid.

1. Komposisi Kimia Baja Paduan 4130

Komposisi kimia khas baja 4130 (berdasarkan persentase berat) adalah:

• Karbon (C):28-0.33% (Memberikan keseimbangan kekuatan dan keuletan)
• Mangan (Mn):40-0.60% (Berkontribusi pada pengerasan dan kekuatan)
• Silikon (Si):20-0.35% (Bertindak sebagai deoksidasi dan dapat meningkatkan kekuatan)
• Kromium (Cr):80-1.10% (Meningkatkan pengerasan, ketahanan korosi, dan ketahanan aus)
• Molibdenum (Mo):15-0.25% (Meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan suhu tinggi serta menahan kerapuhan temper)
• Fosfor (P) & Sulfur (S): Dipertahankan rendah (biasanya maksimum 0,030-0,040% masing-masing)
• Tembaga (Cu): Mungkin ada (hingga 0,35% dalam beberapa spesifikasi)

2. Karakteristik Pengerasan

4130 adalah baja paduan pengerasan air dengan kekerasan rendah hingga menengah. Ini berarti bahwa mencapai kekerasan penuh melalui pendinginan memerlukan pertimbangan cermat terhadap ketebalan penampang. Penampang yang lebih tipis atau media pendinginan yang lebih agresif (seperti air) umumnya diperlukan daripada baja dengan kekerasan yang lebih tinggi. Diameter kritis (DI) ideal menggambarkan hal ini; misalnya, panas spesifik dengan 0,29% C, 1,02% Cr, dan 0,15% Mo menghasilkan DI sebesar 68,3 mm (2,69 in.).

3. Perlakuan Panas Baja Paduan 4130

AISI 4130 adalah baja karbon sedang paduan rendah yang sangat serbaguna yang dikenal karena kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan lasnya. Elemen paduan utamanya adalah kromium dan molibdenum. Untuk memanfaatkan sepenuhnya kemampuan baja 4130 dan menyesuaikan sifat mekanisnya untuk aplikasi tertentu, perlakuan panas yang tepat sangat penting. Respons 4130 terhadap berbagai siklus termal memungkinkan spektrum karakteristik kinerja yang luas.

3.1 Proses Perlakuan Panas Umum untuk 4130

Berdasarkan pengalaman industri yang luas dan data teknis, Aobo Steel menguraikan perlakuan panas utama yang berlaku untuk baja 4130:

3.1.1 Normalisasi

• Tujuan: Untuk menyempurnakan struktur butiran baja, meningkatkan keseragaman dan meningkatkan kemampuan mesin setelah penempaan atau penggulungan.
• Proses: Panaskan baja secara merata hingga suhu antara 870°C dan 925°C (1600°F hingga 1700°F). Kisaran ini sekitar 55°C hingga 85°C (100°F hingga 150°F) di atas suhu kritis atas (Ac3), yang memastikan transformasi lengkap menjadi austenit. Tahan pada suhu tersebut selama waktu yang cukup untuk memastikan penetrasi panas, biasanya 1 jam per 25 mm (1 inci) ketebalan maksimum, dengan waktu tahan minimum yang sering ditentukan. Dinginkan di udara tenang hingga suhu ruangan.
• Pasca-Normalisasi: Merupakan praktik umum untuk melunakkan baja 4130 yang dinormalisasi pada suhu 480°C (900°F) atau lebih tinggi untuk mencapai persyaratan kekuatan luluh tertentu.

3.1.2 Anil

• Tujuan: Untuk menghasilkan kondisi selunak mungkin untuk baja 4130, memaksimalkan keuletan untuk operasi seperti pembentukan dingin atau pemesinan kompleks.
• Proses: Panaskan baja hingga suhu antara 830°C dan 870°C (1525°F hingga 1600°F). Pertahankan suhu tersebut selama durasi yang bergantung pada ukuran bagian atau beban tungku. Yang terpenting, dinginkan dengan sangat lambat di dalam tungku, biasanya pada kecepatan tidak melebihi 15°C per jam (30°F per jam), hingga sekitar 480°C (900°F). Di bawah suhu ini, pendinginan dapat berlanjut di udara. Pendinginan lambat yang terkendali ini mendorong pembentukan mikrostruktur perlit yang lembut dan kasar.

3.1.3 Quenching dan Tempering (Pengerasan)

• Tujuan: Untuk mengembangkan kekuatan, kekerasan, dan ketangguhan tinggi, kondisi paling umum untuk aplikasi struktural 4130.
• Austenitisasi: Panaskan baja secara merata hingga mencapai suhu austenitisasi yang sesuai. Suhu ini biasanya antara 855°C dan 865°C (1575°F hingga 1600°F), tergantung pada komposisi dan ukuran penampang yang tepat. Tahan pada suhu tersebut cukup lama untuk mencapai austenitisasi yang sempurna.
• Pendinginan: Dinginkan baja dengan cepat dari suhu austenitisasi. Karena kemampuan pengerasan 4130 yang rendah hingga sedang, media pendinginan (air, oli, atau polimer) harus dipilih dengan cermat berdasarkan ketebalan bagian komponen dan sifat akhir yang diinginkan. Air memberikan pendinginan yang lebih cepat dan kekerasan yang lebih tinggi pada bagian yang lebih tipis tetapi meningkatkan risiko distorsi. Pendinginan oli umum dilakukan untuk bagian sedang. Mencapai laju pendinginan kritis, terutama melalui rentang transformasi sekitar 540°C (1000°F), sangat penting untuk memperoleh struktur martensit penuh, terutama pada bagian yang lebih tebal.
• Tempering: Panaskan kembali baja yang dipadamkan (dikeraskan) ke suhu tertentu di bawah suhu kritis yang lebih rendah (Ac1). Suhu tempering untuk 4130 biasanya berkisar dari 205°C hingga 705°C (400°F hingga 1300°F). Tahan pada suhu tempering (biasanya minimal 2 jam), lalu dinginkan (biasanya di udara). Tempering mengurangi kerapuhan martensit yang dipadamkan dan menghasilkan keseimbangan akhir antara kekerasan, kekuatan, dan ketangguhan. Suhu tempering yang lebih rendah menghasilkan kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi, sementara suhu yang lebih tinggi meningkatkan keuletan dan ketangguhan dengan mengorbankan kekuatan.

3.2 Pertimbangan Pengerasan

Kekerasan baja 4130 merupakan faktor yang sangat penting. Faktor ini menggambarkan kemampuan baja untuk mengeras melalui penampang melintangnya selama pendinginan.

• 4130 memiliki tingkat kekerasan rendah hingga menengah dibandingkan dengan baja paduan tinggi.
• Ketebalan Bagian: Kekerasan yang dapat dicapai dan kedalaman pengerasan sangat bergantung pada ukuran komponen. Bagian yang lebih tebal mendingin lebih lambat, terutama di bagian inti, yang berpotensi menghasilkan struktur mikro yang kurang seragam dan kekerasan inti yang lebih rendah daripada permukaan.
• Diameter Kritis Ideal (DI): Nilai terhitung ini (misalnya, ~68 mm atau ~2,7 inci untuk komposisi umum dalam kondisi ideal) menunjukkan diameter maksimum teoritis yang dapat dikeraskan hingga ke bagian tengah dengan pendinginan sempurna. Hasil praktis dengan pendinginan yang tidak terlalu parah (minyak, polimer) akan mencapai pengerasan hingga kedalaman yang lebih dangkal.
• Tingkat Keparahan Pendinginan: Pemilihan proses pendinginan yang cermat sangat penting untuk mencapai sifat yang diinginkan tanpa menyebabkan retak atau distorsi yang berlebihan, terutama jika dibandingkan dengan baja karbon yang lebih tinggi seperti 4140, yang memiliki kemampuan pengerasan lebih besar tetapi juga memiliki risiko retak pendinginan lebih tinggi.

3.3 Menghilangkan Stres

• Tujuan: Untuk mengurangi tekanan internal yang disebabkan oleh proses manufaktur seperti pemesinan berat, pembentukan dingin, atau pengelasan, yang sering dilakukan sebelum pengerasan akhir atau pada bagian yang dinormalisasi/dianil.
• Proses: Panaskan baja secara merata hingga suhu antara 650°C dan 675°C (1200°F hingga 1250°F). Tahan selama waktu yang cukup (misalnya, 1 jam per inci ketebalan), diikuti dengan pendinginan lambat (biasanya di tungku atau udara).
• Catatan Penting: Jika penghilang stres dilakukan setelah pendinginan dan tempering, suhu penghilang tegangan harus dijaga di bawah suhu tempering asli (biasanya setidaknya 15°C atau 25°F lebih rendah) untuk menghindari dampak negatif pada sifat mekanis yang telah ditetapkan sebelumnya.

4. Tinjauan Umum Sifat Mekanik

Sifat mekanis akhir baja 4130 bergantung langsung pada perlakuan panas yang diterapkan. Kondisi pendinginan dan pengerasan memberikan berbagai nilai kekuatan tarik, kekuatan luluh, perpanjangan, dan kekerasan yang dapat dicapai.

Penting untuk mempertimbangkan efek massa: penampang yang lebih besar mendingin lebih lambat selama pendinginan, menghasilkan kekerasan dan kekuatan yang lebih rendah pada inti dibandingkan dengan permukaan atau dibandingkan dengan bagian yang lebih kecil yang menerima perlakuan panas yang sama.

Sifat mekanik khas baja 4130 yang diberi perlakuan panas

Temperatur ...		Kekuatan Tarik		Kekuatan Hasil		Perpanjangan dalam 50 mm (2 in.), %	Pengurangan Luas Wilayah, %	Kekerasan, HB	Dampak Energi Izod
suhu udara	suhu	MPa	ksi	MPa	ksi				J	kaki-lb
Air dipadamkan dan ditempa
205	400	1765	256	1520	220	10	33	475	18	13
260	500	1670	242	1430	208	11.5	37	455	14	10
315	600	1570	228	1340	195	13	41	425	14	10
370	700	1475	214	1250	182	15	45	400	20	15
425	800	1380	200	1170	170	16.5	49	375	34	25
540	1000	1170	170	1000	145	20	56	325	81	60
650	1200	965	140	830	120	22	63	270	135	100
Didinginkan dan ditempa dengan minyak
205	400	1550	225	1340	195	11	38	450	—	—
260	500	1500	218	1275	185	11.5	40	440	—	—
315	600	1420	206	1210	175	12.5	43	418	—	—
370	700	1320	192	1120	162	14.5	48	385	—	—

Pengaruh massa terhadap sifat khas baja 4130 yang diberi perlakuan panas

Ukuran batang	Kekuatan tarik	Kekuatan hasil	Perpanjangan dalam 50 mm (2 in.), %	Pengurangan luas wilayah, %	Kekerasan permukaan, HB
satuan	MPa	ksi	MPa	ksi	%
25	1040	151	880	128	18
50	740	107	570	83	20
75	710	103	540	78	22

Sumber: ASM HANDBOOK

5. Aplikasi Umum

Berkat profil kinerjanya yang andal, baja 4130 digunakan di berbagai industri:

• Komponen otomotif (misalnya as)
• Bagian struktural yang membutuhkan kekuatan dan ketangguhan yang baik
• Poros, roda gigi, dan bantalan yang memerlukan ketahanan lelah dan keausan yang baik (seringkali dalam kondisi temper)
• Aplikasi yang membutuhkan ketangguhan tinggi (dalam kondisi sferoid)
• Proses pengerasan berkas elektron

Meskipun tidak tergolong baja perkakas utama, keserbagunaannya menjadikannya material umum di ruang perkakas.

6. Standar Internasional yang Setara

Baja 4130 sesuai dengan sebutan dalam beberapa standar internasional:

• ASTM: Pesawat A322, A29/A29M
• Bahasa Indonesia: J404
• JIS (Jepang): SCM425, SCM430