Penguatan Kasus: Membuat Permukaan Baja Tahan Aus untuk Penggunaan Industri

Definisi dan Konsep Dasar

Pengerasan permukaan adalah proses metalurgi yang memodifikasi lapisan permukaan logam ferrous dengan meningkatkan kandungan karbon atau nitrogen melalui difusi, menciptakan "kasus" luar yang keras sambil mempertahankan inti yang lebih lembut dan lebih tangguh. Teknik pengerasan selektif ini menghasilkan komponen dengan ketahanan aus yang sangat baik di permukaan sambil mempertahankan ketahanan benturan dan duktilitas di bagian dalam.

Proses ini merupakan pendekatan dasar untuk rekayasa permukaan dalam metalurgi, memungkinkan insinyur untuk mengoptimalkan persyaratan material yang bertentangan dalam satu komponen. Pengerasan permukaan menjembatani kesenjangan antara sifat material massal dan persyaratan spesifik permukaan.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, pengerasan permukaan menggambarkan prinsip rekayasa gradien sifat, di mana karakteristik material bervariasi secara sistematis di seluruh penampang komponen. Pendekatan ini berbeda dengan metode pengerasan menyeluruh dan merupakan salah satu teknik tertua yang masih banyak digunakan untuk meningkatkan kinerja baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pengerasan permukaan melibatkan difusi karbon, nitrogen, atau kedua elemen tersebut ke dalam lapisan permukaan baja. Atom interstitial ini menempati ruang dalam kisi kristal besi, menciptakan distorsi yang menghambat pergerakan dislokasi.

Elemen yang terdifusi bergabung dengan besi dan elemen paduan lainnya untuk membentuk senyawa keras seperti karbida, nitrida, atau karbonitrida. Presipitat ini lebih lanjut menghalangi pergerakan dislokasi dan berkontribusi secara signifikan terhadap peningkatan kekerasan.

Gradien kedalaman elemen yang terdifusi menciptakan gradien yang sesuai dalam mikrostruktur dan sifat, dengan konsentrasi tertinggi elemen pengerasan dan presipitat di permukaan, yang secara bertahap berkurang menuju inti.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pengerasan permukaan adalah hukum difusi Fick, khususnya hukum kedua yang memperhitungkan difusi non-stasioner. Model ini menggambarkan bagaimana konsentrasi karbon atau nitrogen berubah seiring waktu dan jarak dari permukaan.

Pemahaman historis berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris di peradaban kuno hingga penjelasan ilmiah pada abad ke-19. Kemajuan signifikan terjadi dengan hukum difusi Adolf Fick (1855) dan penerapannya dalam metalurgi oleh Roberts-Austen pada akhir abad ke-19.

Pendekatan modern mencakup model komputasi yang menggabungkan beberapa spesies yang berdifusi, transformasi fase, dan efek stres. Model-model canggih ini, seperti DICTRA (DIffusion Controlled TRAnsformations) dan metode fase-lapangan, memberikan prediksi yang lebih akurat untuk sistem paduan yang kompleks.

Dasar Ilmu Material

Pengerasan permukaan secara mendalam mempengaruhi struktur kristal dengan memperkenalkan atom interstitial yang mendistorsi kisi. Dalam proses karburisasi, fase austenit kubik berpusat wajah dapat melarutkan karbon yang substansial, yang berubah menjadi martensit tetragonal berpusat tubuh setelah pendinginan.

Batas butir berfungsi sebagai jalur difusi cepat selama proses tetapi juga dapat bertindak sebagai situs presipitasi untuk karbida atau nitrida. Pengendalian ukuran butir selama pengerasan permukaan sangat penting, karena butir kasar dapat mengurangi ketangguhan dan ketahanan kelelahan.

Proses ini menggambarkan prinsip ilmu material bahwa sifat ditentukan oleh komposisi, pemrosesan, dan mikrostruktur yang dihasilkan. Pengerasan permukaan memanipulasi ketiga faktor ini secara bersamaan untuk mencapai karakteristik kinerja yang diinginkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar yang mengatur difusi dalam pengerasan permukaan adalah hukum kedua Fick:

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

Di mana $C$ adalah konsentrasi spesies yang berdifusi (karbon atau nitrogen), $t$ adalah waktu, $x$ adalah jarak dari permukaan, dan $D$ adalah koefisien difusi.

Formula Perhitungan Terkait

Untuk padatan semi-tak hingga dengan konsentrasi permukaan yang konstan, solusi untuk hukum kedua Fick adalah:

$$\frac{C_x - C_0}{C_s - C_0} = 1 - \text{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}\right)$$

Di mana $C_x$ adalah konsentrasi pada kedalaman $x$, $C_0$ adalah konsentrasi awal, $C_s$ adalah konsentrasi permukaan, dan $\text{erf}$ adalah fungsi kesalahan.

Koefisien difusi $D$ bervariasi dengan suhu menurut persamaan Arrhenius:

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

Di mana $D_0$ adalah faktor pre-ekspresional, $Q$ adalah energi aktivasi untuk difusi, $R$ adalah konstanta gas, dan $T$ adalah suhu absolut.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model difusi ini mengasumsikan material homogen tanpa jalur difusi yang diutamakan seperti batas butir atau dislokasi. Dalam baja nyata, fitur mikrostruktur ini mempercepat difusi.

Model ini biasanya mengasumsikan koefisien difusi yang konstan, sedangkan dalam kenyataannya, $D$ bervariasi dengan konsentrasi. Model yang lebih canggih menggabungkan koefisien difusi yang bergantung pada konsentrasi.

Persamaan ini mengasumsikan kondisi isotermal, sementara proses industri sering melibatkan variasi suhu. Selain itu, transformasi fase selama pemanasan dan pendinginan memperumit proses difusi di luar model sederhana ini.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikro Bahan, yang mencakup pengujian mikrokeras untuk menentukan profil kedalaman kasus.

ISO 2639: Baja - Penentuan dan verifikasi kedalaman pengerasan yang efektif setelah pengerasan permukaan, khususnya membahas pengukuran pengerasan permukaan.

ASTM A1033: Praktik Standar untuk Pengukuran Kuantitatif dan Pelaporan Transformasi Fase Baja Karbon Hypoeutectoid dan Baja Paduan Rendah, relevan untuk analisis mikrostruktur lapisan yang dipengerasan permukaan.

SAE J423: Metode Mengukur Kedalaman Kasus, memberikan pedoman spesifik industri untuk aplikasi otomotif.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji mikrokeras menggunakan indentor Vickers atau Knoop adalah instrumen utama untuk mengukur gradien kekerasan di seluruh lapisan yang dipengerasan permukaan. Perangkat ini menerapkan beban kecil (biasanya 10-1000 gf) untuk membuat indentasi mikroskopis.

Mikroskopi optik dengan teknik etsa yang sesuai mengungkapkan gradien mikrostruktur dari permukaan ke inti. Etsa Nital (2-5% asam nitrat dalam etanol) biasanya digunakan untuk membedakan antara martensit, ferrit, dan fase lainnya.

Teknik mikroskopi elektron, termasuk SEM dan TEM, memberikan analisis resolusi lebih tinggi dari presipitat dan distribusi fase. EBSD (Electron Backscatter Diffraction) dapat memetakan orientasi kristalografi di seluruh wilayah yang dipengerasan permukaan.

Persyaratan Sampel

Potongan metalografi standar harus disiapkan tegak lurus terhadap permukaan yang dipengerasan. Sampel biasanya dipasang dalam resin, digiling, dan dipoles hingga permukaan cermin.

Persiapan permukaan memerlukan penghalusan yang hati-hati untuk menghindari pembulatan tepi, yang dapat mendistorsi pengukuran dekat permukaan. Penghalusan akhir dengan suspensi alumina atau diamond 0.05-0.1 μm adalah hal yang umum.

Sampel harus bebas dari artefak persiapan seperti lapisan deformasi atau kerusakan panas yang dapat mengubah mikrostruktur atau pembacaan kekerasan.

Parameter Uji