v1 no1-06-sutrisno-26-28

3
SIMETRI, Jurnal Ilmu Fisika Indonesia Volume 1 Nomor 1(B) Mei 2012 Pengerasan Permukaan Baja Karbon Rendah ST37 dengan Metode Boronisasi Sutrisno 1 dan Bambang Soegijono 2 1 Program Studi Fisika, UIN Syarif Hidayatullah Jakarta, Indonesia; e-mail: [email protected] 2 Pusat Riset Ilmu Material, Universitas Indonesia, Jakarta, Indonesia Intisari: Sifat mekanik seperti kekerasan mikro dari lapisan borida yang terbentuk pada baja karbon rendah St37 melalui proses boronisasi telah diselidiki. Proses ini dilakukan dalam medium padat terdiri dari serbuk B4C 50% sebagai donor, SiC 45% sebagai pengencer, dan 5% KBF4 sebagai aktivator pada suhu 1000 C selama 8 jam. Fase yang terbentuk pada sampel baja adalah lapisan Fe2B dan FeB yang memiliki morfologi bentuk yang halus dan datar. Kekerasan mikro lapisan besi borida yang terjadi adalah 700 HV, hampir enam kali lipat kekerasan semula yang besarnya 123,82 HV. Lapisan besi borida terbentuk pada kedalaman 20 sampai 60 μm, yang mengarah ke proses difusi yang terkendali. Kata kunci: boronisasi, lapisan besi borida, baja St37 , kekerasan mikro Abstract: The property such as microhardness of boride layer formed on ST37 iron was investigated. Boronizing was carried out in a solid medium consisting of nano size powders of 50% B4C as a donor, 45% SiC as a diluent, and 5% KBF4 as an activator treated at the temperature of 1000 C for 8 hours. The phases that were formed on the substrate was found as Fe2B and FeB layer that had smooth and flate shape morphology. The hardness of boride layer on ST37 was over 700 HV, while the hardness of untreated ST37 iron was about 123,82 HV. Depending on process time and temperature, the depth of boride layer ranges from 20 to 60 μm, leading to a diffusion controlled process. Keywords: boronizing, borides, ST37 iron, microhardness Received : 15 Maret 2012; Accepted : 10 April 2012 1 PENDAHULUAN B oronisasi termokimia dapat menghasilkani lapisan Fe2B, FeB tunggal, atau keduanya secara bersamaan yang dapat digunakan terutama untuk meningkatkan kekerasan permukaan dan ke- tahanan aus [1] . Boronisasi merupakan proses difusi termokimia yang dapat diterapkan untuk berbagai macam bahan termasuk logam besi, logam non- besi dan beberapa paduan super. Boronisasi permukaan baja dapat mengurangi be- sarnya kecepatan korosi dan untuk meningkatkan kek- erasan permukaan. Perlakuan difusi termal senyawa boron digunakan untuk membentuk borida besi dan biasanya membutuhkan suhu proses antara 700 dan 1000 C. Proses ini dapat dilakukan dalam medium padat, medium cair atau gas. Metode yang paling sering digunakan adalah boronisasi serbuk yang mirip dengan proses karburasi [2] . Difusi boron ke permukaan paduan logam yang dipilih menciptakan zona reaksi padat dari borida logam. Efek ini menghasilkan sifat permukaan yang lebih keras [3] . Difusi boron ke dalam baja memben- tuk borida besi FeB dan Fe2B, dan ketebalan lapisan boride ditentukan oleh suhu dan lama pemanasan. Bi- asanya bergantung pada suhu proses, komposisi kimia dari bahan logam, potensi boron medium dan waktu boronisasi. Fase tunggal Fe2B atau dua fase intermet- alik dari FeB dan Fe2B diperoleh dengan atom boron menyebar ke permukaan bahan logam [4,5] . Secara umum, pembentukan fase tunggal Fe2B de- ngan bentuk morfologi seperti gigi gergaji lebih di- inginkan dari pada lapisan dua fase FeB dan Fe2B un- tuk aplikasi industri [6] . Melalui pengendalian parame- ter proses boronisasi, komposisi serbuk, dan waktu pe- manasan, fase Fe2B dapat secara konsisten dicapai se- lama boronisasi . Lapisan Fe2B tunggal menghasilkan ketahanan aus yang unggul dan sifat mekanik yang tinggi [7] . Ada dua karakteristik lapisan besi boride, yaitu : (i) kekerasan tinggi yang diharapkan dapat memberikan ketahanan aus yang tinggi, dan (ii) morfologi kolum- nar yang diperlukan untuk adhesi yang baik antara lapisan borida dan sampel baja. Baja boronisasi me- nunjukkan kekerasan jauh lebih tinggi (HVN 1600- 2000) dari baja carburisasi atau nitridasi (HVN 650- 900) [5] . Secara khusus, baja boronisasi menunjukkan keta- hanan yang sangat baik untuk berbagai mekanisme keausan. Secara umum, campuran boronisasi komer- c 2012 SIMETRI 1106-26

Upload: robin-simamora

Post on 18-Feb-2017

527 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: V1 no1-06-sutrisno-26-28

SIMETRI, Jurnal Ilmu Fisika Indonesia Volume 1 Nomor 1(B) Mei 2012

Pengerasan Permukaan Baja Karbon Rendah ST37dengan Metode Boronisasi

Sutrisno1 dan Bambang Soegijono2

1Program Studi Fisika, UIN Syarif Hidayatullah Jakarta, Indonesia; e-mail: [email protected] Riset Ilmu Material, Universitas Indonesia, Jakarta, Indonesia

Intisari: Sifat mekanik seperti kekerasan mikro dari lapisan borida yang terbentuk pada baja karbon rendah St37

melalui proses boronisasi telah diselidiki. Proses ini dilakukan dalam medium padat terdiri dari serbuk B4C 50% sebagai

donor, SiC 45% sebagai pengencer, dan 5% KBF4 sebagai aktivator pada suhu 1000◦C selama 8 jam. Fase yang terbentuk

pada sampel baja adalah lapisan Fe2B dan FeB yang memiliki morfologi bentuk yang halus dan datar. Kekerasan mikro

lapisan besi borida yang terjadi adalah 700 HV, hampir enam kali lipat kekerasan semula yang besarnya 123,82 HV.

Lapisan besi borida terbentuk pada kedalaman 20 sampai 60 µm, yang mengarah ke proses difusi yang terkendali.

Kata kunci: boronisasi, lapisan besi borida, baja St37 , kekerasan mikro

Abstract: The property such as microhardness of boride layer formed on ST37 iron was investigated. Boronizing was

carried out in a solid medium consisting of nano size powders of 50% B4C as a donor, 45% SiC as a diluent, and 5%

KBF4 as an activator treated at the temperature of 1000◦C for 8 hours. The phases that were formed on the substrate

was found as Fe2B and FeB layer that had smooth and flate shape morphology. The hardness of boride layer on ST37

was over 700 HV, while the hardness of untreated ST37 iron was about 123,82 HV. Depending on process time and

temperature, the depth of boride layer ranges from 20 to 60 µm, leading to a diffusion controlled process.

Keywords: boronizing, borides, ST37 iron, microhardness

Received : 15 Maret 2012; Accepted : 10 April 2012

1 PENDAHULUAN

B oronisasi termokimia dapat menghasilkanilapisan Fe2B, FeB tunggal, atau keduanya

secara bersamaan yang dapat digunakan terutamauntuk meningkatkan kekerasan permukaan dan ke-tahanan aus [1]. Boronisasi merupakan proses difusitermokimia yang dapat diterapkan untuk berbagaimacam bahan termasuk logam besi, logam non- besidan beberapa paduan super.

Boronisasi permukaan baja dapat mengurangi be-sarnya kecepatan korosi dan untuk meningkatkan kek-erasan permukaan. Perlakuan difusi termal senyawaboron digunakan untuk membentuk borida besi danbiasanya membutuhkan suhu proses antara 700 dan1000◦C. Proses ini dapat dilakukan dalam mediumpadat, medium cair atau gas. Metode yang palingsering digunakan adalah boronisasi serbuk yang miripdengan proses karburasi [2].

Difusi boron ke permukaan paduan logam yangdipilih menciptakan zona reaksi padat dari boridalogam. Efek ini menghasilkan sifat permukaan yanglebih keras [3]. Difusi boron ke dalam baja memben-tuk borida besi FeB dan Fe2B, dan ketebalan lapisanboride ditentukan oleh suhu dan lama pemanasan. Bi-

asanya bergantung pada suhu proses, komposisi kimiadari bahan logam, potensi boron medium dan waktuboronisasi. Fase tunggal Fe2B atau dua fase intermet-alik dari FeB dan Fe2B diperoleh dengan atom boronmenyebar ke permukaan bahan logam [4,5].

Secara umum, pembentukan fase tunggal Fe2B de-ngan bentuk morfologi seperti gigi gergaji lebih di-inginkan dari pada lapisan dua fase FeB dan Fe2B un-tuk aplikasi industri [6]. Melalui pengendalian parame-ter proses boronisasi, komposisi serbuk, dan waktu pe-manasan, fase Fe2B dapat secara konsisten dicapai se-lama boronisasi . Lapisan Fe2B tunggal menghasilkanketahanan aus yang unggul dan sifat mekanik yangtinggi [7].

Ada dua karakteristik lapisan besi boride, yaitu : (i)kekerasan tinggi yang diharapkan dapat memberikanketahanan aus yang tinggi, dan (ii) morfologi kolum-nar yang diperlukan untuk adhesi yang baik antaralapisan borida dan sampel baja. Baja boronisasi me-nunjukkan kekerasan jauh lebih tinggi (HVN 1600-2000) dari baja carburisasi atau nitridasi (HVN 650-900) [5].

Secara khusus, baja boronisasi menunjukkan keta-hanan yang sangat baik untuk berbagai mekanismekeausan. Secara umum, campuran boronisasi komer-

c© 2012 SIMETRI 1106-26

Page 2: V1 no1-06-sutrisno-26-28

Sutrisno & Soegijono/Pengerasan Permukaan Baja . . . SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12

sial mengandung B4C sebagai donor, KBF4 sebagaipenggerak dan SiC sebagai pengencer yang mengen-dalikan potensi boronisasi dari media [8].

2 PROSEDUR EKSPERIMEN

Sampel dasar yang digunakan untuk penelitian iniadalah baja karbon rendah St37 dengan komposisikimia: 0,17% C ; 0,30% Si ; 0,20 - 0.50% Mn, P danS masing-masing 0.05% dan 0.05% [6]. Pengujian di-lakukan pada potongan baja berbentuk silinder berdi-mensi 11 mm dan 12 mm. Sebelum boronisasi, semuasampel dipoles menggunakan kertas poles halus un-tuk mendapatkan permukaan akhir yang baik. Kek-erasan Vickers dari besi yang tidak diboronisasi adalah123.82HV [6].

Perlakuan panas dalam boronisasi dilakukan denganmenggunakan metode serbuk yang berdiameter ku-rang dari 1 m. Campuran serbuk ini terdiri dari B4C50%, 5% KBF4 dan SiC 45% yang mengendalikanpotensi medium boronisasi. Sampel yang akan diboro-nisasi dikemas dalam serbuk campuran dan ditekandengan kekuatan 5 ton. Percobaan boronisasi di-lakukan dalam pemanas hambatan listrik dalam kon-disi vakum pada suhu 1000◦C selama 8 jam dandidinginkan secara alami di udara.

Keberadaan borida yang terbentuk pada permukaanbaja St37 dikarakterisasi dengan Shimadzu X-raydifraktometer (XRD 7000) dengan sumber radiasi KaCu dan panjang gelombang 1.541Apada rentang sudut2θ berkisar antara 40◦ sampai dengan 90◦.

3 HASIL DAN PEMBAHASAN

Secara umum hasil boronisasi dapat membentuklapisan Fe2B satu fasa pada permukaan sampel dasarbaja karbon.

Gambar 1: Skema gambar Vickers indentor digunakan un-tuk menguji kekerasan mikro [5]

Gambar 2 menunjukkan morfologi dari mikroskopoptik lapisan borida pada baja St37 dengan metodeboronisasi padat. Dalam gambar ini,“a” merupakan

Gambar 2: Morfologi lapisan besi borida hasil difusiyang membentuk lapisan lebih keras (warna putih) diband-ingkan lapisan dibawahnya

sebuah lapisan besi borida dan “b” merupakan sam-pel dasar baja St37. Pertumbuhan lapisan didominasioleh difusi boron ke dalam sampel dasar dengan mem-bentuk fase Fe2B dan FeB. Tergantung pada waktuproses dan suhu, kedalaman lapisan boride berkisar20 sampai 60µm.

Pengukuran kekerasan mikro dilakukan padalapisan borida di bagian penampang irisan dan sampelbaja untuk membandingkan kekerasan lapisan boridadan sampel baja yang tidak mengalami difusi. Se-buah mikrograf optik termasuk tanda indentasi Vick-ers digunakan nuntuk menguji kekerasan mikro. Hasilpengukuran kekerasan lapisan borida jauh lebih tinggidari pada lapisan sampel baja yang tidak mengalamiboronisasi.

Menurut diagram fase Fe-B , lapisan yang diperolehterdiri dari FeB boride ortorombik dan Fe2B boridetetragonal, yang membentuk morfologi kolumnar yangtumbuh di arah preferensial [2], karena kepadatan mak-simum dari atom boron ke arah itu. Dalam studi ini,borida terbentuk pada permukaan sampel baja St37memiliki morfologi datar (gambar 2).

Dua daerah yang diidentifikasi pada penampangirisan lapisan borida baja St37 menunjukkan dualapisan dengan kekerasan yang berbeda (gambar 3).Pertama, lapisan permukaan dengan fase Feb danFe2B, dan kedua lapisan baja St37 yang tidak ter-pengaruh oleh boron untuk membentuk lapisan besiborida. Pengukuran kekerasan dilakukan dari per-mukaan ke kedalaman tertentu dan hasilnya menun-jukkan kekerasannya menurun dengan kedalaman dari

1106-27

Page 3: V1 no1-06-sutrisno-26-28

Sutrisno & Soegijono/Pengerasan Permukaan Baja . . . SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12

700 HV menjadi 200 HV.

Gambar 3: Variasi kekerasan mikro menurun dari per-mukaan sampel ke kedalaman tertentu

Pada gambar 4 dari hasil pengujian menggunakanXRD menunjukkan spektrum dengan membentukfase-fase FeB dan Fe2B. Dengan terbentuknya fase-fase tersebut maka telah terjadi perubahan konstantakisi pada sampel dasar. Perubahan konstanta kisitersebut mengakibatkan terbentuknya sistem kristalbaru dari FCC (face central cubic) untuk baja St37manjadi ortorombic untuk fase FeB dan tetragonal un-tuk fase Fe2B.

4 KESIMPULAN

Dari hasil dan pembahasan dapat disimpulkan sebagaiberikut:

1. Dengan pengukuran kekerasan mikro dari per-mukaan ke kedalaman tertentu, besi borida dibagimenjadi tiga bagian: (i) lapisan memiliki borida,(ii) zona transisi dimana boron membuat larutanpadat, (iii) matriks yang tidak terpengaruh olehboron.

Gambar 4: Spektrum dari data X-RD pada lapisan boridabaja ST37

2. Dari data XRD menunjukkan bahwa baja St37menyebabkan pertumbuhan nukleasi fase Fe2Bdan FeB borida.

3. Diperoleh bahwa kekerasan mikro lapisan per-mukaan besi boride sekitar 700 HV dan padalapisan bagian dalam bukan borida sekitar 200HV.

4. Dari analisis metalografi dengan mikroskop op-tik diketahui bentuk morfologi lapisan besi boridahalus dan datar.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Calik, A., O. Sahin, and N. Ucar, 2009, MechanicalProperties of boronized AISI 316, AISI 1040, AISI 1045,and AISI 4140 steels, Acta Physica Polonica A, Vol.115

[2] Bindal, C. and A.H. Ucisik, 2008, Characterization ofBoriding of 0.3% C, 0.02% Plain Carbon Steel, Vacuum,90 - 94

[3] Bouaouadja, A.N. and G. Saindernan, 2006,Characterization of Boronized Layers on a XC38 Steel,Surface and Coating Technology, 201, 3475 - 3482

[4] Martini, C. and G. Palombarini, 2004, Mechanism ofThermochemical Growth of Iron Borides on Iron, Journalof Material Science, 39, 933-937

[5] Ozde1mira, O., M. Ustab, C. Bindala, and A. Hikmet,2006, Hard iron boride (Fe2B) on 99.97wt% pure iron,Vacuum, 80, 1391-1395

[6] Setiawan, J., 2010, Analisis Lapisan Besi Borida padaST37 dan S45C yang Diboronisasi dengan Teknik PowderPack, Universitas Indonesia

[7] Matsuda, F., K. Nakata, and K. Tohmoto, 1984, Surfacehardening of various metal and alloys with boronizingtechnique, Japan Welding Research Institute of OsakaUniversity, Ibaraki, Osaka 567, Japan

[8] Biddulph, R.H., 1977, Boronizing for Erosion Resistance,Thin Solid Film, 45, hal.341-347

1106-28