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 900-950oC 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.
0 komentar:
Posting Komentar