Surface hardening

Surface hardening(case hardening)

Case Hardening dapat dikatakan sebagai suatu proses Heat Treatment untuk memperoleh pengerasan hanya pada lapisan permukaan saja, atau dengan kata lain lapisan  permukaan mempunyai kekerasan yang lebih tinggi sedangkan bagian yang lebih dalam tetap seperti semula (kekerasan rendah tetapi keuletannya tinggi).

Tujuannya banyak, industri yang membutuhkan material yang keras(pada permukaanya, tahan aus) tetapi bagian dalamnya masih ulet/tangguh. Dengan kondisi ini pada lapisan  permukaan terdapat tegangan sisa yang berupa tegangan tekan (tahan terhadap kelelahan, fatigue limitnya naik) dan secara keseluruhan material tersebut masih ulet. Contoh pengerasan pada gigi-gigi dari roda gigi, poros, beberapa tool dan die.

 Ada 5 cara yang banyak dilakukan dalam Case Hardening :

1. Carburising

2. Nitriding

3. Cyaniding/ carbonitriding

4. Pengerasan api (flame hardening)

5. Pengerasan induksi (induction hardening)

Tiga yang teratas dengan merubah komposisi kimia, dua cara berikutnya dengan membuat martensit hanya pada permukaan saja (shallow hardening methods, syarat kadar karbon tidak kurang dari 0.30%)

 1. CARBURISING

              

             Cara paling murah dan metode paling sering yang digunakan dalam pengerasan permukaan. dilakukan Pada baja dengan keuletan tinggi, yang memiliki kadar karbon =< 0.2%.

             Karena kadar karbon rendah maka harus ditambah dengan mendifusikan karbon melalui permukaannya sehingga mampu dikeraskan dengan quenching (pembentukan martensit).

Tahapan carburising :

a.     Penembahan carbon

b.    Pengerasan

                 a. Penembahan karbon (carburising)

Pemanasan pada temperatur cukup tinggi di lingkungan yang mengandung karbon aktif dimana atom karbon berdifusi ke dalam baja sampai kadar tertentu & kedalaman tertentu

Selanjutnya proses quenching

Ada 3 cara penambahan karbon (carburising):

                                                             i.  Solid carburising,

                                                             ii. Gas carburising,

                                                             iii. Liquid carburising

i. Solid carburising

           Benda kerja dimasukkan dalam suatu kotak ditimbun dengan carburising compound, kotak ditutup (kedap udara), dipanaskan sampai 900-950^oC selama beberapa jam, kotak dikeluarkan dari dapur, dibiarkan dingin, dibongkar & benda kerja dibersihkan kemudian dipanaskan kembali untuk pengerasan (quenching).

Ø Carburising compound

           Berupa serbuk arang kayu/coke 70-80%, barium/natrium karbonat20-25%, kalsiumkarbonat2,5-3,5%. Selama pemanasan udara yang terperangkap dalam kotak akan bereaksi dengan arang menjdi CO:

2C + O₂ -----> 2CO

Selanjutnya CO akan berdissosiasi menjadi karbon aktif(C.at) yang dapat berdifusi ke dalam baja:

2CO -----> CO2 + C.at

(C.at) ini adalah atom karbon aktif, yang dapat berdifusi ke dalam baja, karbon aktif pada carburisingcompound berfugsi sebagai energizer atau activator yang mempercepat proses carburising yaitu dengan menghasilkan sejumlah CO2 dari reaksi dekomposisinya:

BaCO₃ ----> BaO+ CO₂

Yang kemudian bereaksi dengan carbon membentuk CO.

Karena pada temperatur tinggi baja mampu melarutkan banyak karbon maka dalam waktu singkat permukaan baja akan menyerap karbon hingga mencapai batas jenuhnya.

           Mengingat bahwa bagian dalam baja hanya mengandung sedikit karbon maka karbon akan berdifusi masuk lebih kedalam. Tebal lapisan permukaan yang mengalami penambahan karbon(case depth) ini tergantung pada temperatur pemanasan dan panjangnya holding time pada temperatur pemanasan itu.

            ii. Gas Carburising

           Baja dipanaskan dalam  dapur dengan atmosfernya banyak mengandung gas CO dan/atau gas hydrokarbon yang sudah berdekomposisi pada temperatur carburising (900-950 C) akan berdekomposisi menghasilkan (C.at) yang nantinya berdifusi ke dalam baja

 Reaksi dekomposisinya:

2CO <----> C.at + CO₂

CH₄ <----> C.at + H₂

CO + H₂ <----> C.at + H₂O

·       Diffusion Period

           Pada gas carburising lapisan hypereutektoid dapat dihilangkan dengan memberikan suatu diffusion period yaitu dengan menghentikan aliran gas carburising tetapi mempertahankan temperatur pemanasan.

Dengan demikian karbon akan berdifusi lebih kedalam dan merata pada lapisan kulit. Benda kerja akan lebih bersih sehingga dapat langsung diquench, sehingga dapur lebih efisien

I                      iii. Liquid Carburising

           Pemanasan dilakukan dalam saltbath yang tadi campuran sodium cyanide (NaCN) atau potassium cyanide (KCN) yang berfungsi sebagai carburising agent yang aktif, dengan sodium carbonat (Na₂CO₃) yang berfungsi sebagai energiser.

4 NaCN + 2O₂ ----> 4 NaCNO

4 NaCNO ----> 2NaCN + Na₂CO₃ + CO + 2 N.at

2 CO ----> CO₂ + C.at

           Terlihat bahwa selain atom carbon, atom nitrogen juga ikut berdifusi ke dalam baja. Nitrogen ini bereaksi membentuk nitrida yang juga keras.

Tebal kulit pengerasan (case depth) juga tergantung pada kandungan cyanide dalam saltbath (biasanya digunakan campuran dengan 40-50% NaCN), sedangkan selama pemakaian kandungan cyanide ini terus berkurang, karena itu secara periodik komposisi saltbath harus selalu diperiksa/dipertahankan konstan.

a.     Pengerasan (Quenching)

           Setelah lapisan kulit mengandung cukup karbon, proses dilanjutkan dengan pengerasan (quenching) untuk mencapai kekerasan yang tinggi & tempering, untuk mengurangi kegetasan & tegangan sisa yang berlebihan.

Pada pack carburising quenching dilakukan setelah pemanasan kembali, tetapi pada gas & liquid carburising quenching dapat dilakukan langsung sesudah pemanasan untuk penambahan karbon. 

         

 Saat carburising baja dipanaskan pada temperatur cukup tinggi di daerah austenit, sehingga  kemungkinan terjadi pertumbuhan butir yang berlebihan àcoarse grained steel

 Jika langsung diquench maka material menjadi getas/terdistorsi.

 Baja yang mengandung unsur paduan dapat mencegah terjadi nya pertumbuhan butir àfine grained steel(yang dapat langsung diquench)

               2. NITRIDING

                   Nitriding dilakukan dengan memanaskan baja di dalam dapur dengan atmosfer yang mengandung atom nitrogen aktif yang akan berdifusi ke dalam baja dan bereaksi dengan unsur dalam membentuk nitrida.

Nitrida yang terbentuk sangat keras dan stabil, nitrigen aktif diperoleh dari gas amonia yang bila dipanaskan pada temperatur nitriding (500-600C) akan berdissosiasi menjadi nitrogen aktif dan gas hidrogen:

2 NH₃ ------> 2 N.at + 3 H₂

Pada dasarnya smua baja dapat dinitriding, tetapi hasil yang baik akan diperoleh bila baja mengandung unsur paduan yang membentuk nitrida (nitride forming element) seperti aluminium, chrom atau molybden.

Benda kerja dimasukkan dalam dapur yang kedap udara, gas amonia dialirkan secara kontinyu selama proses pemanasan pada temperatur 500-600C.

  Proses nitriding berlangsung lama (bisa dalam beberapa hari). Kekerasan yang dihasilkan sangat tinggi (sehingga tidak perlu quenching) sehingga benda kerja terhindar dari distorsi, retak atau tegangan sisa. Nitrida yang terbentuk sangat stabil, kekerasannya tidak berubah selama pemanasan walaupun sampai dengan suhu 600C.

Walaupun proses nitriding berlangsung lama sekali tetapi tebal kulit yang terjadi tipis sekali. Baja untuk dinitriding tidak boleh terlalu lunak (>= 0,3-0,4%C) agar mampu mendukung kulit yang sangat tipis tadi.

Benda kerja setelah dinitriding disarankan tidak dilakukan proses machining (selain polishing/lapping). Baja hasil nitriding mempunyai sifat tahan aus yang sangat baik, mempunyai sifat tahan terhadap kelelahan dan juga tahan terhadap korosi.

            3. CYANIDING & CARBONITRIDING

Cyaniding menyerap karbon dan nitrogen dengan perbandingan yang lebih seimbang. Proses cyaniding merupakan modifikasi liquid carburising, proses dengan menggunakan saltbath tetapi dengan konsentrasi garam cyanide yang lebih rendah dan temperatur pemanasan yang lebih rendah, sehingga diffusi nitrogen cukup banyak.

Saltbath mengandung 25-45% NaCN pada 550-600C dan holdingtime 5-30men àdidapatkan kulit (case) yang sangat tipis (0.02-0.04mm). Kulit tipis ini tahan aus dan kekerasan sangat tinggi, sering dilakukan terhadap baja perkakas (HSS, high speed steel).

           Pada cyaniding komposisi saltbath dan temperatur pemanasan sangat berpengruh terhadap tebal dan kompss kimia dari kulit. Dengan temperatur pemanasan makin tinggi dan kandungan NaCN dalam saltbath yang makin rendah akan menghasilkn case depth yang makin besar, dan kadar karbon dari kulit yang makin tinggi (kadar nitrogen makin rendah)

Untuk proses yang menghasilkn kulit dengan kadar karbon yang cukup tinggi (>0.4%C) perlu dilakukan quenching dan tempering.

           Corbonitriding merupakan modifikasi proses gas carburising, dengan menggunakan campuran gas-gas tadi karbonmonoksida dan gas hidrokarbon yang diperkaya dengan gas amonia. Sehingga yang berdifusi tidak hanya karbon tetapi juga nitrogen, proses berlangsung dengan temperatur yang lebih rendh.

           Kekerasan yang dihasilkan dari cyaniding ataupun carbonitriding (sesudah quenching) akan lebih stabil daripada yang diperoleh dari carburising, lebih tahan terhadap pemanasan, tidak mudah menjadi lunak karena pemanasan.

             4. FLAME HARDENING

Pada flame hardening dan induction hardening komposisi kimia dari permukaan benda kerja tidak berubah. Pengerasan dilakukan dengan memanaskan hanya bagian permukaan. Flame hardening dilakukan dengan menyembulkan api dengan intensitas tinggi ke permukaan, biasanya api dari brander oxyacetylene (sehingga sebelum panas sempat menjalar ke bagian dalam di bagian  permukaan sudah mencapai temperatur austenitising, kemudian segera diquench. Sehingga bagian permukaan terbentuk martensit sedang di bagian  dalam tetap seperti semula.

Benda kerja (baja) harus mempunyai hardenability yang memadai kadar karbonnya (0,3-0,6%C) Proses sederhana (manual), menggunakan welding torch (brander las oxyasetylen), permukaan dipanaskan sampai temperatur austenitising kemudian dicelupkn dalam air/minyak. Hanya bisa untuk ukuran benda kerja kecil. Kekerasan kulit terutama tergantung pada kadar karbon dari baja, sedangkan tebal kulit tergantung pada seberapa tebal bagian permukaan yang mengalami pemanasan sampai menjadi austenit dan didinginkan dengan laju pendinginan kritis. Pada proses pemanasan tergantung intensitas pemanasan, jarak permukaan benda kerja dengan brander, lamanya pemanasan, kecepatan gerakan antara brander dan benda kerja.

                   5. INDUCTION HARDENING           

                                    Pada prinsipnya sama dengan flame hardening, hanya saja pemanasan ditimbulkan                             oleh arus induksi yang terjadi karena adanya medan magnet yang berubah-ubah dengan                                 sangat cepat (di sekitar konduktor yang dialiri arus listrik akan timbul medan magnet yang                             besar dan arahnya tergantung pada besar dan arah arus yang mengalir).Arus induksi ini akan                         menimbulkan panas, karena arus induksi ini terjadi di permukaan maka panas akan terjadi di                         permukaan (panas yang timbul akan sangat intens jika arus induksi ditimbulkan oleh arus                               bolak-balik dengan frekwensi tinggi.                                                                                                                              Untuk menimbulkan pemanasan yang merata pada permukaan maka benda kerja                         diletakkan di dekat koil yang dialiri arus bolak-balik frekwensi tinggi. Tebal kulit tergantung                           pada tebalnya permukaan yang mengalami pemanasan sampai ke temperatur austenit                                     sebelum diquench. Baja yang di-induction hardening akan memperlihatkan distorsi lebih                                 sedikit daripada yang diquench dari dapur. Baja yang telah diquench & ditemper dapat                                 dikeraskan dengan kulit yang sangat tipis dan kekerasan yang cukup tinggi.