PROSES PERLAKUAN PENGERASAN PERMUKAAN

Dr.ir.Myrna Ariati MS

Alasan Melakukan Pengerasan Permukaan Mengeraskan lapisan permukaan (0.1mm – 5mm) Menambah ketahanan aus Menambah ketahanan permukaan terhadap beban

dan gaya mekanis (crush resistance) Tahan terhadap tegangan sisa tekan yang terjadi

dipermukaan Memperbaiki ketahanan fatique Menghasilkan bagian inti yang tangguh, tahan

impact

Metode Pengerasan Permukaan1. Selective / Termal

Induction Flame Laser Light

2. Termokimia Carburizing Carbonitriding Nitriding Nitrocarburizing

Selective Heat Treatment

Selective Heat Treatment Prosedur:

Menggunakan medium dan high carbon steels Panaskan baja ke temperatur austenite Bagian dalam (core) tidak bertransformasi

menjadi austenit Dinginkan untuk membentuk martensite di

permukaan Bagian dalam tak berubah Martensit mengalami tegangan Umumnya dilakukan tempering

Flame Hardening Dipilih dengan alasan:

komponen berukuran sangat besar sehingga tidak ekonomis dilakukan didalam dapur.

pengerasan permukaan segmen tertentu dari luas keseluruhan kompenen.

komponen yang memiliki geometri permukaan kompleks sehingga sulit mengontrol keakuratan dimensinya dengan menggunakan sistem dapur.

Biaya produksi paling murah sehingga cocok untuk jenis baja kualitas umum.

Keterbatasannya adalah sulit mengontrol over heating dan mendapatkan case depth kurang dari 1.5 mm.

Flame Hardening Karakteristik

Menggunakan peralatan burner dan semprot air, serta campuran gas yang terdiri dari oksigen + gas asetilen / gas alam / propane.

Kedalaman kulit pengerasan (case depth) 1 - 6 mm, dengan parameter proses: intensitas nyala api, waktu pemanasan, serta kecepatan lintas.

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Figure 12.26 (a) Surface hardening by localized heating. (b) Only the surface heats above the A1 temperature and is quenched to martensite.

Flame HardeningPrinsip kerja flame hardening

Flame Hardening

Induction Hardening

Mempersingkat siklus

heat treatment Lokasi

terseleksi Efisiensi energi Proses polusi

rendah

Keunggulan

Problem • Sulit mengontrol heating time and temperature distribution

• Sifat material tak selalu linear.

• Sulit menentukan transformasi yang terjadi dan kontrol kekerasan

•Sulit mengevaluasi efek kombinasi rapat arus AC, frekwensi dan pola kekerasan akhir.

• Adanya Trial and error, sehingga ada periode perkiraan biaya

Induction Hardening Karakteristik:

Kedalaman pengerasan tergantung frequency (induction)

Contoh: Freq: 1.000 Hz Depth: 4.5-9 mm Freq: 1.000.000 Hz Depth: 0.25-0.8 mm

Kekerasan Permukaan 50-60 HRC (martensite atau temper martensite)

Interior 10-20 HRC (pearlite-ferrite-pearlite)

Induction HardeningPrinsip kerja induction hardening

Arus

A.C.

A.C. Supply

Medan magnit

Arus

Induksi

Energy

Thermal

Induction Hardening

Induction Hardening batang bahan shaft

Induction Hardening

Thermochemical Heat Treatment

Mudah mengontrol kedalaman pengerasan Baik untuk bentuk kompleks Biaya rendah terutama untuk produksi

massal Bahan baku low carbon steel

penghematan Struktur lebih tangguh daripada baja medium

atau high carbon steel.

Pengerasan Termokimia

LPG : 15 % LPG : 1 %

Surface Hardening

0.1 - 0.2 mm

Nitrocarburizing

Temperature570 - 590

N2 : 49 %

Nitriding

Temperature510 - 525

N2 : 50 %

0.5 mm

NH3 : 50 %

WAKTU15 - 300 Menit

LAPISAN

NH3 : 50 %

WAKTU460 - 1440 Menit

LAPISAN0.2 - 0.3 mm

Carbonitriding

Temperature825 -875

N2 : 77 %NH3 : 8 %

WAKTU60 - 120 Menit

LAPISAN0.7 mm

N2 : 90 -85 %

WAKTU30 - 480 Menit

LAPISAN

Carburizing

870 - 950Temperature

LPG : 10-15 %

Baja karbon rendah mudah dibentuk dan machining dibutuhkan kekerasan permukaan meningkat, bagian tengah ulet

Prinsip DifusiC-Co= (C1-Co) [1-erf (x/2Dt)]

C = kadar karbon pada kedalaman xCo = kadar karbon dasar dalam bajaC1 = Kadar karbon dipermukaanx = Kedalaman dari permukaan (cm)D = Koef diff (cm2/s)t = waktu (s)erf = error function

Carburizing

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.Figure 12.27 Carburizing of a low-carbon steel to produce a

high-carbon, wear-resistant surface.

Carburizing

Reaksi karburisasi (pack carburizing) BaCO3BaO + CO2 (Ba carbonate sbg energizer)

CO + H2OCO2 + H2

CO2 + C 2 CO CH4 C + 2 H2

Suhu Austenisasi 900oC

Carburizing

Pack carburizing

Carburizing

CarburizingMikrostruktur hasil Karburisasi baja (5% nital)

Prinsip perkiraan kekerasan

Martensite %

0 20 40 60 80 99

HRCValue

10 20 30 40 50 60

Carburizing

2 NH3 2 Nfe + 3 H2

Permukaan lebih keras, tahan aus (adanya Nitrida paduan)

Ketahanan tempering dan kekerasan temperatur tinggi

Kekuatan fatique tinggi Meningkatkan ketahanan korosi untuk baja

yang bukan SS Kestabilan dimensi tinggi

Nitriding

Single stage nitriding

Doble stage nitriding

NitridingStruktur permukaan nitriding

Jarak dari permukaan

% Ni

NitridingProfil Nitrogen

Nitriding

• Pengaruh elemen pembentuk nitrida• Membentuk senyawa nitrida dan karbonitrida (Contoh,

Aluminum, Titanium, Niobium, dan Zirconium)• Aluminum nitrida amat halus dan hanya dapat dilihat

setelah pengambilan replika yang amat halus, dengan menggunakan Transmission Electron Microscope.

Nitriding

PENGARUH UNSUR PEMBENTUK NITRIDAPADA KEKERASAN SETELAH NITRIDING

Nitriding

Low Al Steel

mediumAl Steel

High Al Steel

Efek Al terhadap nitride precipitates layer

Studi Kasus

Baja Paduan akan dikeraskan hingga 450HB Setelah dilakukan austenisasi dan quench,

kekerasan tidak naik, bahkan menjadi berkurang

Apa penyebabnya dan bagaimana mengatasinya?

Failure Analysis

Struktur baja terdekarburisasi. Permukaan atas hampir tidak terdapat karbon, tampak terang. Fe dipermukaan cepat teroksidasi akibat tak terdapatnya karbon pada besi

Failure AnalysisSTRUKTUR PERMUKAAN BAJA TERDEKARBURISASI

Struktur mikro jauh dari permukaan dekarburisasi, tampak ferit jauh lebih sedikit.

Failure AnalysisSTRUKTUR MIKRO BAGIAN DALAM,JAUH DARI PERMUKAAN DEKARBURISASI

Buatlah desain perlakuan panas permukaan untuk axle dan drive gear mobil

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Gambar axle dan drive gear

Surface Heat Treatment Design

Surface Heat Treatment DesignThe axle might be made from a forged 1050 steel

containing a matrix of ferrite and pearlite. The axle could be surface-hardened, perhaps by moving the axle through an induction coil to selectively heat the surface of the steel above the A3 temperature (about 770oC). After the coil passes any particular location of the axle, the cold interior quenches the surface to martensite. Tempering then softens the martensite to improve ductility.

Surface Heat Treatment DesignCarburize a 1010 steel for the gear. By performing a

gas carburizing process above the A3 temperature (about 860oC), we introduce about 1.0% C in a very thin case at the surface of the gear teeth. This high-carbon case, which transforms to martensite during quenching, is tempered to control the hardness. This high-carbon case, which transforms to martensite during quenching, is tempered to control the hardness.