Karbonitriding: Penguatan Permukaan yang Ditingkatkan untuk Kinerja Baja yang Unggul

Definisi dan Konsep Dasar

Karbonitriding adalah proses pengerasan permukaan termokimia yang secara bersamaan mendifusikan karbon dan nitrogen ke dalam lapisan permukaan bahan ferrous pada suhu tinggi. Teknik pengerasan ini menciptakan lapisan permukaan yang keras dengan ketahanan aus yang lebih baik, kekuatan lelah, dan kekerasan permukaan yang lebih tinggi sambil mempertahankan inti yang tangguh dan ulet. Proses ini dilakukan dalam atmosfer yang kaya karbon dan nitrogen, biasanya pada suhu antara 700-900°C (1300-1650°F).

Karbonitriding merupakan varian penting dari carburizing konvensional, menawarkan beberapa keuntungan termasuk suhu pemrosesan yang lebih rendah, waktu siklus yang lebih singkat, dan sifat permukaan yang lebih baik. Penambahan nitrogen ke dalam proses carburizing tradisional menciptakan zona difusi yang lebih kompleks dengan karakteristik metalurgi yang unik.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, karbonitriding termasuk dalam keluarga perlakuan difusi termokimia bersama dengan carburizing, nitriding, nitrocarburizing, dan boronizing. Ini menempati posisi strategis antara carburizing dan nitriding, menggabungkan aspek menguntungkan dari kedua proses sambil mengatasi beberapa keterbatasan yang melekat pada masing-masing perlakuan individu.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, karbonitriding melibatkan difusi simultan atom karbon dan nitrogen ke dalam kisi besi dari substrat baja. Atom interstisial ini menempati situs oktahedral dalam struktur austenit kubik berpusat muka (FCC) selama pemrosesan suhu tinggi. Kehadiran karbon dan nitrogen menciptakan zona difusi yang lebih kompleks daripada yang dihasilkan oleh salah satu elemen saja.

Mekanisme difusi terutama dikendalikan oleh gradien konsentrasi dan mobilitas atom yang bergantung pada suhu. Atom nitrogen berdifusi lebih cepat daripada atom karbon dalam austenit karena radius atomnya yang lebih kecil. Laju difusi yang berbeda ini menciptakan profil konsentrasi karakteristik di mana nitrogen awalnya menembus lebih dalam tetapi karbon akhirnya mencapai kedalaman kasus yang lebih besar dalam sebagian besar aplikasi.

Kehadiran karbon dan nitrogen secara bersamaan menstabilkan fase austenit pada suhu yang lebih rendah daripada karbon saja, memungkinkan suhu pemrosesan yang lebih rendah dibandingkan dengan carburizing tradisional. Setelah pendinginan, austenit yang kaya karbon dan nitrogen berubah menjadi berbagai fase termasuk martensit, austenit yang terjaga, dan karbonitrida kompleks.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan karbonitriding didasarkan pada hukum difusi Fick, khususnya hukum kedua yang menggambarkan perubahan konsentrasi seiring waktu. Model ini memperhitungkan difusi simultan dari beberapa elemen interstisial dengan koefisien difusi yang berbeda.

Secara historis, pemahaman tentang karbonitriding berkembang dari pengamatan empiris awal pada tahun 1920-an hingga model berbasis difusi yang lebih canggih pada tahun 1950-an dan 1960-an. Pendekatan komputasi modern menggabungkan kinetika transformasi fase bersama dengan persamaan difusi.

Berbagai pendekatan teoretis ada untuk memodelkan karbonitriding, termasuk solusi analitis untuk persamaan difusi yang disederhanakan, metode numerik untuk geometri kompleks, dan model yang menggabungkan termodinamika-kinetik. Pendekatan CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) telah menjadi semakin penting untuk memprediksi pembentukan fase selama karbonitriding.

Dasar Ilmu Material

Karbonitriding secara langsung mempengaruhi struktur kristal baja dengan memperkenalkan atom karbon dan nitrogen interstisial yang mendistorsi kisi besi. Distorsi ini menciptakan penguatan larutan padat dan mendorong pembentukan karbonitrida—senyawa kompleks yang mengandung karbon dan nitrogen yang terikat pada besi atau elemen paduan lainnya.

Proses ini secara signifikan mengubah mikrostruktur di dan dekat permukaan, menciptakan gradien fase dari kasus ke inti. Mikrostruktur yang khas termasuk martensit halus, austenit yang terjaga, dan presipitat karbonitrida yang terdispersi dekat permukaan, bertransisi ke mikrostruktur inti asli pada kedalaman.

Prinsip dasar ilmu material yang mengatur karbonitriding mencakup difusi keadaan padat, kinetika transformasi fase, pengerasan presipitasi, dan penguatan larutan padat. Interaksi sinergis antara karbon dan nitrogen menciptakan sifat unik yang tidak dapat dicapai dengan salah satu elemen saja.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kedalaman difusi dalam karbonitriding dapat diperkirakan menggunakan persamaan difusi yang dimodifikasi:

$$x = k \sqrt{D t}$$

Di mana:
- $x$ adalah kedalaman kasus efektif (mm)
- $k$ adalah konstanta yang bergantung pada proses
- $D$ adalah koefisien difusi efektif (mm²/jam)
- $t$ adalah waktu proses (jam)

Formula Perhitungan Terkait

Koefisien difusi efektif untuk karbon dalam austenit selama karbonitriding dapat dihitung menggunakan persamaan Arrhenius:

$$D_C = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana:
- $D_C$ adalah koefisien difusi karbon (mm²/jam)
- $D_0$ adalah faktor pre-ekspresional (mm²/jam)
- $Q$ adalah energi aktivasi (J/mol)
- $R$ adalah konstanta gas (8.314 J/mol·K)
- $T$ adalah suhu mutlak (K)

Profil konsentrasi karbon dapat diperkirakan menggunakan solusi fungsi kesalahan untuk hukum kedua Fick:

$$C(x,t) = C_s - (C_s - C_0) \cdot \text{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}\right)$$

Di mana:
- $C(x,t)$ adalah konsentrasi karbon pada kedalaman $x$ dan waktu $t$
- $C_s$ adalah konsentrasi karbon permukaan
- $C_0$ adalah konsentrasi karbon awal
- $\text{erf}$ adalah fungsi kesalahan

Kondisi dan Keterbatasan yang Berlaku

Model matematis ini berlaku terutama untuk geometri semi-tak hingga dengan komposisi awal yang seragam dan konsentrasi permukaan yang konstan. Mereka mengasumsikan kondisi isotermal sepanjang proses.

Model ini memiliki keterbatasan ketika diterapkan pada geometri kompleks, terutama sudut tajam atau bagian tipis di mana efek tepi menjadi signifikan. Mereka juga tidak sepenuhnya memperhitungkan interaksi antara difusi karbon dan nitrogen atau efek elemen paduan.

Formula ini mengasumsikan bahwa difusi adalah langkah yang membatasi laju dan tidak memperhitungkan kinetika reaksi permukaan, yang mungkin menjadi signifikan pada suhu yang lebih rendah atau dalam atmosfer tertentu. Selain itu, transformasi fase selama pendinginan tidak dimasukkan ke dalam model difusi dasar ini.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E1077: Metode Uji Standar untuk Memperkirakan Kedalaman Pengerasan Kasus pada Baja
• ISO 2639: Baja - Penentuan dan verifikasi kedalaman efektif pengerasan setelah pengerasan permukaan
• SAE J423: Metode Mengukur Kedalaman Kasus
• DIN 50190: Kedalaman kekerasan bagian yang dipanaskan; penentuan kedalaman efektif pengerasan setelah pengerasan api atau induksi

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji mikrohardness dengan beban biasanya antara 100-500 gf adalah peralatan utama yang digunakan untuk mengukur profil kedalaman kasus. Instrumen ini menerapkan gaya yang dikendalikan dengan tepat pada indentor berlian dan mengukur ukuran jejak yang dihasilkan untuk menentukan kekerasan pada kedalaman tertentu.

Mikroskop optik dan mikroskop elektron pemindaian (SEM) digunakan untuk memeriksa mikrostruktur lapisan karbonitrida. Teknik ini mengungkapkan distribusi fase, transisi kasus-inti, dan keberadaan karbonitrida atau senyawa lainnya.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan analisis mikroprobes elektron (EPMA), spektroskopi emisi optik pelepasan cahaya (