Karburisasi: Proses Difusi Karbon untuk Meningkatkan Kekerasan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Karburisasi adalah proses perlakuan panas yang memperkenalkan karbon ke dalam lapisan permukaan baja karbon rendah untuk meningkatkan kekerasan permukaan sambil mempertahankan inti yang tangguh dan ulet. Proses ini melibatkan pemanasan baja dalam lingkungan kaya karbon pada suhu di mana austenit stabil, memungkinkan karbon difusi ke dalam permukaan baja, diikuti dengan pendinginan dan tempering untuk mencapai mikrostruktur dan sifat yang diinginkan.

Teknik pengerasan permukaan termokimia ini sangat penting dalam pembuatan komponen yang memerlukan ketahanan aus tinggi di permukaan sambil mempertahankan ketangguhan di inti. Komponen seperti roda gigi, poros cam, dan bantalan umumnya menjalani karburisasi untuk memperpanjang umur layanan mereka di bawah kondisi yang menuntut.

Dalam metalurgi, karburisasi merupakan salah satu dari beberapa metode pengerasan permukaan, bersama dengan nitriding, karbonitriding, dan nitrokarburizing. Ini merupakan salah satu teknik pengerasan permukaan tertua dan paling banyak digunakan, memberikan solusi ekonomis untuk meningkatkan kinerja baja karbon rendah dalam aplikasi di mana ketahanan aus dan kekuatan impak diperlukan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, karburisasi melibatkan difusi atom karbon ke dalam kisi besi. Ketika baja dipanaskan ke rentang suhu austenitik (biasanya 850-950°C), struktur kristal berubah dari kubus berpusat badan (ferrit) menjadi kubus berpusat wajah (austenit), yang dapat melarutkan karbon jauh lebih banyak.

Atom karbon dari media karburisasi menembus permukaan baja dan menempati posisi interstitial dalam kisi austenit. Gradien konsentrasi mendorong difusi karbon dari permukaan menuju inti, dengan laju difusi diatur oleh suhu dan waktu. Setelah pendinginan, lapisan permukaan yang kaya karbon berubah menjadi martensit, sementara inti yang lebih rendah karbon membentuk kombinasi ferrit, perlit, dan bainit tergantung pada laju pendinginan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan karburisasi adalah hukum difusi Fick. Hukum kedua Fick secara khusus membahas proses difusi yang bergantung pada waktu:

$\frac{\partial C}{\partial t} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2}$

Di mana C adalah konsentrasi karbon, t adalah waktu, x adalah jarak dari permukaan, dan D adalah koefisien difusi.

Pemahaman historis tentang karburisasi berkembang dari praktik empiris di peradaban kuno menjadi pemahaman ilmiah di awal abad ke-20. Pandai besi awal mengamati bahwa memanaskan besi dalam arang meningkatkan kekerasan permukaan tanpa memahami mekanisme difusi. Pemahaman modern berkembang seiring dengan teori atom dan kristalografi di awal 1900-an.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model fase-lapangan yang memperhitungkan evolusi mikrostruktur selama karburisasi dan termodinamika komputasional menggunakan metode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) untuk memprediksi transformasi fase selama proses.

Dasar Ilmu Material

Karburisasi secara langsung mempengaruhi struktur kristal baja dengan memperkenalkan atom karbon yang mendistorsi kisi besi. Dalam keadaan austenitik, karbon menempati posisi interstitial dalam kisi FCC. Setelah pendinginan, austenit yang kaya karbon berubah menjadi martensit tetragonal berpusat badan, di mana atom karbon yang terjebak menyebabkan distorsi kisi yang menghambat pergerakan dislokasi.

Batas butir memainkan peran penting dalam karburisasi karena berfungsi sebagai jalur difusi tinggi untuk karbon. Baja dengan butir halus biasanya lebih merata dalam karburisasi dibandingkan dengan bahan dengan butir kasar karena area batas butir yang lebih tinggi. Proses ini juga mempengaruhi dinamika pertumbuhan butir selama perlakuan suhu tinggi.

Prinsip difusi keadaan padat, transformasi fase, dan pengerasan presipitasi secara fundamental mengatur proses karburisasi. Kedalaman kasus dan profil kekerasan tergantung pada interaksi antara kinetika difusi, stabilitas austenit, dan pembentukan martensit selama pendinginan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Profil konsentrasi karbon dalam baja yang dikarburisasi dapat dinyatakan menggunakan solusi hukum kedua Fick untuk padatan semi-tak hingga:

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

Di mana:
- $C(x,t)$ adalah konsentrasi karbon pada kedalaman x setelah waktu t
- $C_s$ adalah konsentrasi karbon permukaan
- $C_0$ adalah konsentrasi karbon awal dalam baja
- $\text{erf}$ adalah fungsi kesalahan
- $D$ adalah koefisien difusi
- $t$ adalah waktu karburisasi
- $x$ adalah jarak dari permukaan

Formula Perhitungan Terkait

Koefisien difusi D mengikuti hubungan Arrhenius dengan suhu:

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

Di mana:
- $D_0$ adalah faktor pre-ekspresional (m²/s)
- $Q$ adalah energi aktivasi untuk difusi (J/mol)
- $R$ adalah konstanta gas (8.314 J/mol·K)
- $T$ adalah suhu mutlak (K)

Kedalaman kasus dapat diperkirakan menggunakan:

$d = k\sqrt{t}$

Di mana:
- $d$ adalah kedalaman kasus untuk kandungan karbon tertentu
- $k$ adalah konstanta yang bergantung pada proses
- $t$ adalah waktu karburisasi

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan konsentrasi karbon permukaan yang konstan, yang berlaku untuk karburisasi gas dan paket tetapi mungkin tidak berlaku untuk karburisasi vakum dengan pulsa asetilena. Model juga mengasumsikan material homogen tanpa mempertimbangkan efek elemen paduan pada laju difusi.

Solusi fungsi kesalahan hanya berlaku untuk geometri semi-tak hingga dan tidak memperhitungkan efek tepi pada bagian yang kompleks. Untuk prediksi yang akurat dalam pengaturan industri, model-model ini harus dilengkapi dengan koreksi empiris berdasarkan geometri bagian dan karakteristik tungku.

Suhu harus tetap dalam rentang austenitik (biasanya 850-950°C) agar model-model ini valid, karena mekanisme difusi berubah secara dramatis di luar rentang ini. Model juga mengasumsikan kondisi kesetimbangan di permukaan, yang mungkin tidak benar dalam proses karburisasi dinamis.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E1077: Metode Uji Standar untuk Memperkirakan Kedalaman Karburisasi Baja
• ISO 2639: Baja - Penentuan dan verifikasi kedalaman efektif karburisasi
• SAE J423: Metode Mengukur Kedalaman Kasus
• DIN 17022-3: Perlakuan panas bahan ferrous - Bagian 3: Karburisasi

ASTM E1077 mencakup metode metalografi, kimia, dan kekerasan untuk menentukan kedalaman kasus. ISO 2639 berfokus pada teknik pengukuran berbasis kekerasan dan prosedur verifikasi. SAE J423 memberikan pedoman spesifik industri untuk aplikasi otomotif.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji mikrohardness dengan beban 100-500g umumnya digunakan untuk menghasilkan profil kekerasan dari permukaan ke inti. Instrumen ini mengukur ketahanan terhadap deformasi plastik dengan membuat indentasi kecil dan mengukur ukurannya.

Spektrometer emisi optik memungkinkan analisis kimia gradien karbon melalui penghapusan dan analisis lapisan demi lapisan. Mikroprobes elektron memberikan pemetaan kimia resolusi lebih tinggi tetapi memerlukan persiapan sampel yang lebih canggih.

Teknik karakterisasi lanjutan termasuk mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan spektroskopi sinar-X energi-disperif (EDS) untuk analisis mikrostruktur dan difraksi sinar-X (XRD) untuk pengukuran stres residual dalam lapisan yang dikarburisasi.

Persyaratan Sampel

Kembali ke blog

Tulis komentar

Nama *

Email *

Komentar *