BAB IVPENGERASAN PERMUKAAN

4.1. Definisi dan tujuan

Pengerasan permukaan disebut juga case hardening merupakan suatu proses laku panas untuk memperoleh kekerasan pada permukaan. Ada beberapa proses yang meliputi berbagai fariasi teknik diantaranya :Layer Additions :

Hardfacing : 1.Fusion hardfacing (welded overlay) 2.Thermal spray (nonfusion bonded overlay)

Coatings : 1. Electrochemical plating 2. Chemical vapor deposition (electroless plating) 3. Thin films (physical vapor deposition, sputtering, ion plating) 4. Ion mixing

Diffusion methods: 1. Carburizing 2. Nitriding 3. Carbonitriding 4. Nitrocarburizing 5. Boriding 6. Titanium-carbon diffusion

Selective hardening methods: 1. Flame hardening 2.Induction hardening 3. Laser hardening 4. Electron beam hardening 5. Ion implantation

Selective carburizing and nitriding : Use of arc lampsSemua dari berbagai teknik diatas digunakan untuk memperbaiki dalam penggunaan terutama adanya tahan aus pada bagian luar dan tanpa mempengaruhi sifat mekanik dibagian dalam (lunak/ulet (ductility) dan kuat). Kombinasi antara permukaan keras dan tahan kerusakan terhadap adanya impak/hentakan seperti contoh cam atau roda gigi (pada mobil) saat beroperasi yang harus mempunyai permukaan yang keras dan tahan aus serta tangguh. Dalam proses permukaan keras pada baja mempunyai keuntungan yang lebih, karena harga baja karbon rendah cukup murah dibandingkan baja yang sudah mempunyai kandungan karbon yng tinggi.

4.2.Metode diffusi Metode kekerasan dengan diffusi meliputi beberapa variasi pengerasan benda kerja (seperti karbon, nitrogen atau borob). Metode proses untuk terbuka (udara terbuka) meliputi penanganan benda kerja yang dikeraskan untuk permukaan seperti gas,liquid atau ion. Proses disini bervariasi produk umumnya berbeda dalam tipe kedalaman dan kekerasan seperti pada tabel 1. Faktor yang mempengaruhi kecocokannya pada metode diffusi partikel meliputi tipe baja seperti gambar 4.1. Dalam proses nitriding secara umum yang dihasilkan berbeda tipe kedalaman dan kekerasan seperti pada tabel 1 dan gambar 4.2 dan 4.3

Tabel 1Typical characteristics of diffusion treatments

Gambar 4.1 Types of steels used for various diffusion processes

4.3.Carburizing Karburizing merupakan proses dengan penambahan karbon pada permukaan baja pada temperatur (8500

sampai 9500C) di daerah austenit, dengan sifat larutan karbon yang tinggi, strukturmikronya stabil. Pengerasan permukaan sangat baik jika lapisan permukaan karbonnya tinggi setelah diquenching membentuk martensit, oleh karena itu martensit dengan karbon tinggi tahan akan aus dan fatik baik untuk pelapisan pada baja karbon rendah. Berfariasi diffusi seperti pada tabel 1, karburazing gas digunakan yang sangat luas diantaranya dengan gas nitriding dan karbonitriding. Mengenai kekerasan baja karburizing terutama fungsi dari kandungan karbon. Jika kandungan karbon pada baja melebihi diatas 0,5%C, penambahan tidak efektif pada kekerasan tetapi kehilangan sifat liat/tidak mampulas. Karbon melebihi 0,5%C tidak terurai, sedang menghendaki temperatur tinggi cukup untuk memastikan adanya larutan padat karbon austenit.Kedalaman pelapisan baja adalah fungsi dari waktu carburizing dan tersedianya (potensial karbon) pada permukaan. Jika waktu carburizing cukup lama digunakan untuk kedalaman lapisan, potensial karbon tinggi produknya adalah permukaan dengan kandungan karbon tinggi yang menghasilkan kelebihan tertahannya austenit atau carbida bebas. Disini dua mikrostruktur elemen keduanya mempunyai efek kerugian pada distribusi tegangan sisa didalam bagian yang keras. Konsekwensinya potensial karbon tinggi mungkin cocok untuk karburizing waktu pendek, tetapi tidak untuk carburizing waktu lama. Pemilihan potensial karbon juga bergantung pada respon carburizing partikel baja.

Baja biasanya mempunyai kandungan karbon diatas 0,2 %C. Pada lapisan karburizing dengan kandungan karbon antara 0,8% - 1%C, namun dibatasi kandungan karbon pada permukaan 0,9%C, karena kandungan karbon tinggi dapat menghasilkan tertahannya austenit dan martensit (brittle) rapuh (pembentukan karbida proeutektoid pada batas butiran). Sebagian terbesar baja yang dikarburizing adalah kill steel (deoxidizing oleh penambahan aluminium) yang menjaga ukuran butiran menjadi halus pada temperatur diatas 10400C. Baja dibuat untuk penggunaannya butirannya cukup kasar dapat di karburizing jika dua kali diquenching untuk menyediakan butiran halus. Dua kali quenching terdiri arah quenching dan requenching dari temperatur rendah. Karburezing baja butiran kasar lebih diperhatikan karena temperatur rendah dan waktu siklus pendek.

4.3.1.Metode karburizing Prinsip dasar karburizing pada solid karburizing adalah benda kerja dimasukan kedalam kotak yang ditimbuni dengan carburizing compound, kotak ditutup rapat dan dipanaskan didalam dapur dengan temperatur 9000C - 9500C selama beberapa jam dan kemudian didinginkan. Proses selanjutnya benda kerja dibersihkan dan dipanaskan kembali untuk memperolek kekerasan. Maksut metode digunakan adalah untuk memasukan karbon pada baja dengan cara perubahan secara kontinyu dan pelan. Carburizing compound berupa serbuk terdiri dari arang kayu/coke 70% -80%

Gambar 4.2 Spectrum of hardness obtainable with selected diffusion processes of steel

Gambar 4.3 Categorization of diffusion processes by typical case depth

barium atau 20% - 25% natrium karbonat dan 2,5% - 3,5% kalsium karbonat. Selama pemanasan udara yang terperangkap dalam kotak akan bereaksi dengan arang menjadi CO dengan reaksi 2C + O2 2CO

2CO CO3 + Cat Cat karbon aktif Karbonat pada carburizing compound berfungsi sebagai energizer atau aktivator yang mempercepat proses proses carburizing dengan menghasilkan CO2, dari reaksi

BaCO3 BaO + CO2

yang bereaksi dengan karbon membentuk CO2

Proses pemanasan temperatur tinggi, baja mampu melarutkan dan menyerap karbon lebih cepat sampai batas jenuh (baja dengan 1,2%C temperatur kritis Acm). Kedalaman/ketebalan lapis bergantung pada temperatur dan lamanya holding time, lihat gambar 4.4 dan 4.5

Didalam karburizing gas, sekitar bagian yang dikarburizing oleh gas CO2 atau hydrocarbon dengan proses baja dimasukan kedalam dapur pemanas (furnice) pada temperatur 9000 – 9500C . Pada saat proses pemanasan akan terjadi dekomposisi menghasilkan Cat yang berdiffusi dipermukaan baja dan bereaksi:

2CO Cat + CO2

CH4 Cat + H2

CO + H2 Cat + H2ODari reaksinya carburizing akan diperoleh lapisan hypereutektoid yang tidak diinginkan, maka perlu dihilangkan cara diffusion period, yaitu dengan penghentian aliran gas carburizing masih dalam kondisi pemanasan. Dengan demikian akan terjadi diffusi lebih dalam pada lapisan atas. Dengan waktu pemanasan cukup, selanjutnya proses quenching (kondisi benda kerja bersih).Pada liquid carburising, proses pemanasan benda kerja dilakukan di dalam salt bath yang terdiri dari campuran sodium cyanide (NaCNO) atau potassium cyanida (KCN), berfungsi sebagai carburising agent aktif dan sodium cyanide (NaCNO) berfungsi sebagai energiser. Reaksi kimianya:

2NaCN + O2 2 NaCNO4NaCNO 2NaCN + 2Na2 + 2 Na2CO3 + CO + 2 Nat6

2CO CO2 + Cat

Gambar 4.4 hubungan antara waktu dan temperatur terhadap kedalaman

Gambar 4.5 hubungan antara kandungan CO2

didalam besi dengan volume CO2 terhadap

Dengan reaksi kimia terlihat bahwa atom – atom nitrogen berdiffusi masuk ke dalam baja dan membentuk nitrida bersifat keras. Banyaknya karbon dan nitrogen berdiffusi bergantung pada temperatur dan kandungan NaCN dalam salt bath.

4.3. Nitriding (gas) Nitriding adalah perlakuan panas pengerasan permukaan yang memasukan nitrogen pada permukaan baja pada temperatur 5000C – 5500C dalam kondisi ferritik. Dalam hal ini nitriding adalah semacam carburizing tetapi berbeda komposisinya dengan ditambah nitrogen kedalam ferrit bahkan pada austenit. Karena nitriding tidak mencapai pemanasan pada fase austenit dan diquenching membentuk martensit, nitrogin dapat memperkecil adanya distorsi dan kontrol dimensi baik sekali. Nitrogen sebagian larut dalam besi. Ini dapat membentuk larutan padat dengan ferrit pada kandungan netrogen diatas 6%. Diatas 6%N suatu senyawa yang disebut gamma prime (γ’) dengan komposisi Fe4N. Kandungan nitrogen lebih besar 8%N, hasil reaksi equilibrium senyawa Fe3N. Nitrid mempunyai tingkatan-tingkatan dan yang paling tinggi adalah γ’ , disini dihubungkan pada lapisan

Gambar 4.6 efek tempering pada kekerasan karburizing untuk baja,temperatur 9250C waktu 4,5 jam, media oli dan ditemper

putih (etsa white in metallographi preperation). Lapisan permukaan pada nitriding tidak diinginkan karena sangat keras dan rapuh. Pada umumnya dihilangkan, khusus proses nitriding digunakan untuk mengurangi lapisan yang membuat rapuh. Daerah yang dikeraskan dengan bentuk senyawa Fe3N dan dibawah lapisan ini adalah larutan padat yang kuat dari netrogen dalam larutan padat seperti pada gambar 4.7

4.3.1.Baja dinitriding Pada umumnya baja karbon medium yang mengandung elemen nitride-forming seperti, aluminium, chromium, vanadium dan molybdenum. Kekerasan sangat signifikan yang dicapai dengan setingkatnya pada baja paduan (nitralloy type) yang mengandung diatas 1%Al (ganbar 4.7a). Jika baja dinitred bentuk aluminium partikel AIN yang regangan kisi-kisi (lattice) ferrit dan menimbulkan dislokasi yang kuat. Titanium dan chromium juga digunakan untuk menaikan kekerasan lihat gambar 4.8a walaupun berkurang kedalaman

dan bertambahnya paduan (gb 4.8b). Mikrostruktur jugan berpengaruh nitridability karena ferrit membantu diffusi pada nitrogen dan karena rendah kandungan carbida yang keduanya membantunya diffusi kekerasan. Pada umumnya paduan baja paduan keadaan diperlakukan panas (diquenching dan tempering) digunakan untuk nitriding. Baja yang dinitriding mempunyai sifat tahan aus yang baik, juga sifat terhadap kelelahan menjadi lebih baik dan juga tahan korosi

Gambar 4.7 Nitride untuk beberapa baja

Gambar 4.8 pengaruh elemen paduan a) pengerasan setelah di nitriding (paduan 0,35%C,0,3%Si, 0,7%Mn) dan b)kedalaman nitriding diukur pada 400HV (nitriding pada 8 jam, 5200C)

4.4. Karbonitriding Karbonitriding bentuk modifikasi dari karburizing gas, dari pada bentuk nitriding. Modifikasi terdiri dari ammonia dimasukan kedalam gas karburizing atmospher (dalam furnace) untuk penambahan nitrogen ke pengkarbonan sebagai produk yang dilakukan. Mulainya timbul bentuk nitrogen pada permukaan oleh penguraian ammonia kedalam atmospher furnace, nitrogen diffusi kedalam baja secara bersamaan dengan karbon. Pengaruh pada baja, karbonitriding adalah semacam cyaniding liquid. Karena masalahnya dalam penempatan pada penggunaan cyanide sangat boros. Karbunitriding sering lebih disukai daripada liquid cyaniding. Bentuk daripada sifat carbonitriding berbeda dari karburizing dan nitriding dipengkarbonan umumnya tidak mengandung nitrogen dan penitritan mengandung nitrogen sedang karbonitriding mengandung keduanya.Karbunitriding digunakan terutama untuk impak, tahan lama, umumnya ketebalan 0,075 – 0,75 mm. Pengarbonitrid mempunyai hardenability baik daripada karburizing (nitrogen menambah hardenability baja, juga austenit yang stabil dan tingkat nitrogen tinggi dapat menghasilkan dalam penahanan austenit, terutama baja paduan. Sebagai akibat dengan karbonitriding dan quenching, kekerasan dapat diperoleh dengan biaya lebih rendah didalam hal tingkat kedalaman yang ditunjukan pada penggunaan salahsatu karbon atau baja paduan rendah. Full hardness dengan berkurangnya distorsi dapat dicapai dengan quenching oli dalam beberapa saat lihat gambar 4.9

Komposisi karbonitriding bergantung pada type baja dan variabel proses pada temperatur dan waktu dan komposisi atmosspher. Bentuk dari type baja mengenai kedalaman yang dicapai selama proses karbonitriding akan rendah pada baja yang mengandung tinggi sejumlah nitrid yang kuat seperti aluminium atau titanium. Maka dari itu dengan carbonitriding dan quenching, suatu kekerasan dapat dihasilkan dengan beaya murah pada baja karbon rendah. Full hardness dengan berkurangnya distorsi

Gambar 4.9 Carbon, nitrogen, and hardness gradients for carburized 1018 and 8620 steels. For processing details, Carbon, nitrogen, and hardness gradients for carburized 1018 and 8620

steels. For processing details,

dapat dicapai pendinginan quenching oli atau beberapa saat, quenching gas, menggunakan pencegahan atmosphere sebagai perantara quenching

4.3. Nitriding

Liquid nitriding (nitriding didalam cairan garam) menggunakan seperti gas nitriding dengan temperatur 5100- 5800C . Perantara hardening adalah suatu caira, nitrogen, cairan garam mengandung cyanide atau cyanate dan tidak sama dengan liquid carburizing dan cyaniding. Liquid nitriding adalah suatu subcritical (dibawah temperatur kritis pada transformasi) proses hardening, disini kemungkinan merupakan proses akhir, karena dimensinya tetap. Juga liquid nitriding dilakukan dengan penambahan nitrogen dan pengurangan karbon pada ferro dengan cara melalui perlakuan diffusi temperatur tinggi. Proses liquid nitriding mempunyai hal khusus dalam modifikasi dan diaplikasikan cukup luas pada karbon yaitu :baja karbon rendah, baja perkakas, stainless steel dan besi cor.Prosesnya adalah dengan cara memanaskan baja didalam dapur dengan atmospher yang mengandung atom nitrogen aktif yang berdiffusi kedalam baja dan bereaksi dengan unsur dalam baja membentuk nitrida. Nitrida mempunyai sifat keras dan stabil. Nitrogen aktif diperoleh dari gas ammonia yang dipanaskan antara 5100-5800C dan akan berdissosiasi menjadi nitrogenaktif dan gas hydrogen. Reaksi kimianya:

2 NH3 2 Nat + H2

Semua baja dapat dinitriding, tetapi paling baik adalah baja mengandung unsur paduan yang membentuk nitrida (nitride forming element) seperti Aluminium, chrom atau molybden. Proses nitriding berlangsung cukup lama dan mampu menghasilkan kekerasan sampai 70 Rc serta tidak berpengaruh adanya perubahan pemanasan. Sifat mekanik yang diperoleh tahan aus dan ketangguhan serta tahan korosi. Bentuk liquid nitriding menjadi bentuk umum sejumlah perbedaan proses fused-salt, semua dilakukan dibawah temperatur kritis. Penggunaan temperatur disini perlakuan didasari pada diffusi kimia dan terutama mempengaruhi struktur metal melalui penyerapan dan reaksi nitrogen daripada sejumlah kecil karbon yang berassimilasi. Walaupun proses berbeda disajikan oleh sejumlah komersil, besik subklasifikasi liquid nitriding seperti pada tabel 2

Results of liquid pressure nitriding on type 410 stainless steel (composition, 0.12C-0.45Mn-0.41Ni-11.90Cr; core hardness, 24 HRC)

Results of liquid pressure nitriding on AISI type D2 tool steel (composition, 1.55C-0.35Mn-11.50Cr-0.80Mo-0.90V; core hardness, 52 HRC) Results of liquid pressure nitriding on AISI type D2 tool steel (composition, 1.55C-0.35Mn-11.50Cr-0.80Mo-0.90V; core hardness, 52 HRC)

Results of liquid pressure nitriding on SAE 4140 low-alloy steel (composition, 0.38C-0.89Mn-1.03Cr-0.18Mo; core hardness, 35 HRC) Results of liquid pressure nitriding on SAE 4140 low-alloy steel (composition, 0.38C-0.89Mn-1.03Cr-0.18Mo; core hardness, 35 HRC)

Nitrogen gradients in 1015 steel as a function of time of nitriding at 565 °C (1050 °F), using the aeratedbath process

4.5. Cyaniding Suatu kekerasan yang dangkal pada lapisan permukaan pada baja dapat diperoleh dengan cepat pada baja karbon rendah dengan cyaniding. Proses disini mencakup masuknya karbon dan nitrogen kedalam lapisan permukaan pada baja. Baja yang di cyanided umumnya adalah dipanaskan didalam cairan garam cyanide-carbonatechloride(kandungan 30 – 95% sodium cyanide) dan diquenching didalam: air garam, air atau oli. Temperatur yang digunakan antara 15500 – 16000F. Kedalaman merupakan fungsi dari waktu, temperatur, komposisi cairan cyanide. Waktu pencelupan cukup pendek dibandingkan dengan karburizing, biasanyabervariasi antara 15 menit sampai 2 jam. Maksimum kedalaman tidak melebihi 0,02 inchi dan rata-rata kedalaman lebih rendah. Baja dapat dicyanide juga dengan pemanasan pada temperatur yang tepat dan dicelup didalam campuran serbuk cyanide atau serbuk serbuk disiramkan pada baja yang diikuti dengan quenching. Dengan demikian hasilnya sangat tipis. Garam syanide adalah sangat beracun jika kontak dengan tubuh manusia atau terluka. Cyaniding bath dapat menjadi lengkap dengan adanya sebuah penutup berventilasi untuk gas yang mengembang selama pemanasan dan penukaran udara diruang kerja akan lebih baik. Cairan cyanide tak pernah kontak dengan sodium atau potasium nitrat, umumya digunakan untuk merendam pada tempering sebagai campuran bahan peledak. Selanjutnya diperlukan persiapan suatu cairan garam dan benda

kerja yang kering sebelum penempatan didalam cairan. Suatu pengerasan dangkal dapat diperoleh dengan cepat pada baja karbon rendah dengan cyaniding.

4.6. Flame hardening Flame hardening adalah proses laku panas untuk pelapisan permukaan baja dengan cara pemanasan cepat hingga mencapai temperatur kritis. Sesudah struktur butiran lapisan menjadi austenit kemudian diquenching, transformasinya adalah austenit menjadi martensit. Disini kontras dengan pendinginan lambat dalam transformasinya, sebagaimana temperatur melalui tingkatan pada pearlit, bainit dan martensit dengan struktur akhir kombinasi ketiganya. Hasilnya relatif lunak dan ulet. Untuk mencapai keras, baja harus didinginkan cepat, karena melewati dua transformasi fase dan arah transformasi dari austenit ke martensit. Flame hardening dilakukan dengan arah pergeseran api temperatur tinggi atau produk gas pembakaran kecepatan tinggi. Bagian yang bertemperatur tinggi kemudian didinginkan dengan suatu laju tertentu yang menghasilkan tingkat kekerasan tertentu dan sifat-sifat tertentu. Api temperatur tinggi dicapai dengan pembakaran dari campuran bahan bakar gas dengan oksigen atau udara. Kedalaman kekerasan yang diperoleh antara 0,8 – 6,4 mm atau lebih tergantung pada bahan bakar yang digunakan, desain nozzel api, lama pemanasan, material yang dikeraskan dan media quenching serta metode quenching. Gambar 4.12 memperlihatkan contoh bentuk pengapian, gambar 4.13 hubungan kedalaman terhadap waktu pemanasan menggunakan beberapa bahan bakar dan gambar 4.14 perhitungan waktu - temperatur – kedalaman. Beberapa metode flame hardening :

Spot, or stationary Progressive Spinning Combination progressive-spinning·

Gambar 4.12 Combination progressive-

spinning flame hardeningT

Gambar 4.13 Comparison of heating times for MAPP (methylacetylene propadiene) ,acetylene,and propane.

Flame velocity, 170 m/s

4.7. Induksi hardening Induksi hardening adalah suatu metode pemanasan yang dapat melakukan pengerasan permukaan yang seragam dengan melalui proses pengerasan dan tempering pada benda kerja. Pemanasan yang sangat baik dengan menempatkan benda kerja didalam pembangkit medan magnit oleh arus frequensi tinggi melalui suatu indikator, biasanya suatu water-cooled copper coil. Kedalaman dari hasil pemanasan oleh induksi yang dihubungkan ke frequensi oleh arus pilihan. Kedalaman lapisan bergantung pada tebalnya permukaan yang mengalami pemanasan sampai ketemperatur austenit sebelum diquenching. Adanya panas terutama bergantung intensitas pemanasan oleh arus induksi (arus Eddy) dan juga waktu pemanasan. Baja yang diinduksi hardening memperlihatkan adanya distorsi rendah dibandingkan dengan quenching dari dapur. Baja yang telah mengalami quenching dan tempering dapat dikeraskan dengan kulit yang sangat tipis dan kekerasan cukup tinggi

Gambar 4.15 Calculated time-temperature-depth relationships for spot (stationary), spinning, and progressive flamehardening. Depth of hardness given in millimeters