4340 Tinjauan Teknis Baja

Tinjauan Teknis Baja 4340: Baja 4340 adalah baja karbon sedang dan paduan rendah yang populer. Baja ini dikenal karena kekuatannya yang tinggi, kemampuan pengerasan yang dalam, dan ketangguhannya, yang dicapai melalui proses perlakuan panas seperti pendinginan dan tempering. Baja ini biasanya mengandung unsur paduan seperti kromium, nikel, dan molibdenum dan sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan kondisi layanan yang cukup berat, termasuk komponen seperti roda gigi, spline, dan poros.

1. Komposisi kimia

Karbon (C)	Kromium (Cr)	Nikel (Ni)	Molibdenum (Mo)	Mangan (Mn)	Silikon (Si)	Fosfor (P)	Belerang (S)
0.38 – 0.43%	0.70 – 0.90%	1.65 – 2.00%	0.20 – 0.30%	0.60 – 0.80%	0.15 – 0.35%	≤ 0,035% (maks)	≤ 0,040% (maks)

2. Sifat Mekanik Baja 4340

Sifat mekanik khas baja 4340 setelah pendinginan oli dari 845 °C (1550 °F) dan temper pada berbagai suhu

Temperatur ...	Kekuatan Tarik	Kekuatan Hasil	Perpanjangan dalam 50mm (2 in.)	Pengurangan Luas	Kekerasan	Dampak Energi Izod
205 °C (400 °F)	Sekitar 1980 MPa (287 ksi)	Sekitar 1860 MPa (270 ksi)	Sekitar 11%	Sekitar 39%	Sekitar 520 HB (≈ 53 HRC)	Sekitar 20 J (15 ft·lb)
425 °C (800 °F)	Sekitar 1500 MPa (217 ksi)	Sekitar 1365 MPa (198 ksi)	Sekitar 14%	Sekitar 48%	Sekitar 440 HB (≈ 46 HRC)	Sekitar 16 J (12 ft·lb)
650 °C (1200 °F)	Sekitar 1020 MPa (148 ksi)	Sekitar 860 MPa (125 ksi)	Sekitar 20%	Sekitar 60%	Sekitar 290 HB (≈ 31 HRC)	Sekitar 100 J (74 ft·lb)

3. Aplikasi baja 4340

• Roda Gigi, Spline, dan Poros: Kekuatan dan ketangguhan baja 4340 yang tinggi membuatnya banyak digunakan untuk membuat roda gigi dan spline yang harus menahan torsi dan beban benturan dalam jumlah besar. Baja ini juga digunakan untuk membuat poros bagi mesin lain yang memerlukan ketahanan terhadap kelelahan dan tekanan torsi.
• Komponen Pesawat Terbang: Kemampuan baja 4340 yang diolah dengan panas untuk mencapai rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi membuatnya digunakan dalam struktur pesawat tertentu, seperti komponen roda pendaratan dan bagian rangka pesawat, di mana kegagalan dalam kondisi ekstrem bukanlah suatu pilihan. Penting untuk dicatat bahwa kita harus memerlukan pengujian dan kontrol kualitas yang ketat, seperti pengujian sifat mekanis melintang, untuk pesawat.
• Suku Cadang Otomotif:Beberapa aplikasi untuk baja 4340 dapat mencakup suku cadang mobil yang banyak diminati di mana kekuatan dan daya tahan penting, seperti jenis as dan komponen suspensi tertentu.
• Perkakas dan Cetakan:Meskipun 4340 biasanya bukan "baja perkakas" primer seperti baja karbon tinggi atau baja berkecepatan tinggi, kombinasi kekuatan dan ketangguhannya dapat membuatnya berguna untuk beberapa aplikasi perkakas, seperti cetakan gripper dan cetakan tempa jatuh, terutama untuk produksi dalam jumlah yang lebih sedikit atau layanan yang tidak terlalu berat di mana ketahanan aus ekstrem bukanlah yang terpenting.
• Komponen Industri Minyak & Gas: Kekuatan dan ketangguhan baja 4340 yang baik juga membuatnya cocok untuk beberapa komponen industri minyak dan gas yang berada di lingkungan yang sulit dan bagian dengan tekanan tinggi. Misalnya, baja ini dapat digunakan dalam perpipaan dan katup untuk pengumpulan dan pemurnian minyak bumi.
• Aplikasi Bantalan: 52100 sering digunakan untuk bantalan, tetapi untuk beberapa toleransi yang lebih ketat atau aplikasi kinerja yang lebih rendah, 4340, terutama dalam kondisi karburasi, akan tetap dipertimbangkan, di mana keseimbangan kekuatan dan ketangguhan dibutuhkan.
• Baut dan Pengencang Berkekuatan Tinggi: Karena kapasitasnya untuk tingkat kekuatan tinggi yang dapat dicapai melalui perlakuan panas, baja 4340 merupakan kandidat untuk baut dan pengencang berkekuatan tinggi dalam skenario kritis atau tegangan tinggi.
• Mesin dan Komponen Struktural: 4340 umumnya digunakan sebagai baja mesin berkekuatan tinggi, meskipun dapat juga digunakan dalam berbagai macam komponen struktural dan mekanis yang membutuhkan kekuatan sedang hingga tinggi dan ketangguhan yang baik. Contohnya bisa berupa suku cadang untuk peralatan berat, mesin industri, atau rekayasa lain yang membutuhkan banyak permintaan.

4. Perlakuan panas

4.1 Pemanasan awal

Langkah ini berguna untuk membatasi kejutan termal pada baja dalam tahap austenitisasi suhu tinggi berikutnya. Langkah ini meningkatkan keseragaman pemanasan secara keseluruhan dan mengurangi kemungkinan retak, khususnya di area komponen dengan geometri kompleks atau penampang yang bervariasi. Untuk baja 4340, suhu pemanasan awal yang umum adalah 1200°F (650°C) untuk waktu yang singkat agar komponen mencapai suhu yang seragam. Langkah ini juga dapat membantu meredakan beberapa tekanan yang disebabkan selama proses produksi sebelumnya seperti pemesinan.

4.2 Austenitisasi

Austenitisasi merupakan proses utama, dan proses ini terdiri dari pemanasan baja hingga suhu tinggi tertentu, yang biasanya berkisar antara 1500 hingga 1575°F (815 hingga 855°C) dan menahannya pada suhu ini selama waktu perendaman yang cukup untuk memungkinkan mikrostruktur mengubah 100% menjadi austenit. Ketebalan penampang akan menentukan suhu austenitisasi dan periode penahanan yang spesifik. Tujuannya adalah untuk mencapai struktur austenitik yang homogen sebelum tahap berikutnya.

4.3 Pendinginan

Setelah austenitisasi, baja harus didinginkan cukup cepat untuk mengubah austenit menjadi martensit, fase berkekuatan tinggi dan sering kali getas. Pendinginan dengan oli adalah metode yang paling umum untuk baja 4340 guna mencapai keseimbangan kekerasan yang baik dan meminimalkan distorsi dan retak. Namun, untuk bagian yang lebih besar (misalnya, diameter lebih besar dari 75 mm (3 in)), pendinginan dengan air dapat digunakan untuk memperoleh pengerasan menyeluruh, meskipun hal ini sangat meningkatkan kemungkinan retak. Penting untuk disebutkan bahwa pelurusan bagian, jika diperlukan karena distorsi selama pendinginan, sering kali dapat dilakukan saat suhu baja masih di atas sekitar 400°F (205°C).

4.4 Temperatur

Baja 4340 yang dipadamkan memiliki struktur martensit yang sepenuhnya, yang biasanya terlalu getas untuk sebagian besar aplikasi teknik. Setelah pendinginan, baja yang dikeraskan harus ditempa, biasanya dengan memanaskannya kembali ke suhu yang lebih rendah, umumnya antara 300 hingga 1300°F (150 hingga 705°C), menahannya pada suhu tersebut untuk jangka waktu tertentu (biasanya setidaknya 2 jam per inci penampang), sebelum didinginkan ke suhu ruangan. Seperti yang disebutkan sebelumnya, suhu tempering secara langsung memengaruhi sifat mekanis yang dicapai. Umumnya, suhu tempering yang lebih rendah menghasilkan kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi, sementara suhu yang lebih tinggi menghasilkan keuletan dan ketangguhan yang lebih besar. Untuk beberapa aplikasi, temper ganda terkadang dapat digunakan.

4.5 Penghilang Stres (Opsional, Direkomendasikan)

Untuk mengurangi tegangan sisa dari pemesinan, pembentukan, atau pengelasan, pertimbangkan perawatan penghilang tegangan sebelum proses pengerasan (untuk menghindari distorsi berlebihan selama pengerasan) atau setelah pengerasan (tetapi di bawah suhu tempering untuk menghindari pengaruh pada kekerasan temper). Untuk baja, kisaran suhu penghilang tegangan umum adalah 650 hingga 675°C (1200 hingga 1250°F), dengan waktu penahanan tergantung pada ketebalan bagian.

4.6 Perawatan Subzero (Opsional)

Jika stabilitas dimensi sangat penting, komponen dapat dikenakan perlakuan subzero (didinginkan hingga -87 hingga -60°C atau -125 hingga -75°F) setelah pendinginan dan sebelum tempering untuk mengubah austenit yang tersisa menjadi martensit. Ini diikuti dengan tempering untuk memperoleh sifat akhir yang diinginkan dan mengurangi kerapuhan martensit yang baru terbentuk.

5. Apa perbedaan antara baja 4140 dan 4340?

Perbedaan utama antara 4140 dan baja 4340 terletak pada penambahan nikel dalam 4340, yang, bersama dengan kandungan molibdenum yang sedikit lebih tinggi dalam beberapa spesifikasi, menghasilkan peningkatan kekerasan, kekuatan yang lebih tinggi, dan ketangguhan yang lebih baik dibandingkan dengan 4140. Hal ini membuat 4340 lebih cocok untuk aplikasi dengan tekanan yang lebih tinggi dan ukuran komponen yang lebih besar. Saat memilih di antara keduanya, penting untuk mempertimbangkan persyaratan sifat mekanis tertentu dan dimensi bagian tersebut dalam kaitannya dengan karakteristik kekerasan setiap tingkat baja.