SURFACE HARDENING

Oleh:

BUDHI WURAGIL W.N

WIWIT DAMAYANTI

ACHMAD SIGIT S

MARDIKA DWI A

SUTANSYAH M.A.S

MUHAMMAD NUR HIDAYAT

ALDO ARMANDO

FEISAL HINDANI

MARINE ENGINEERING 1A 2013POLITEKNIK PERKAPALAN NEGERI SURABAYA

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).

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.

b. 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 coarse grained steel

Jika langsung diquench maka material menjadi getas/terdistorsi.

Baja yang mengandung unsur paduan dapat mencegah terjadi nya

pertumbuhan butir fine 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 & CARBONITRIDINGCyaniding 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 didapatkan 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.

Gambar Flame Hardening

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.