Cyaniding: Proses Penguatan Permukaan untuk Meningkatkan Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Cyaniding adalah proses perlakuan panas penguatan permukaan untuk baja yang melibatkan difusi karbon dan nitrogen secara bersamaan ke dalam lapisan permukaan komponen dengan memanaskannya dalam bak garam sianida cair. Proses termokimia ini menciptakan lapisan yang keras dan tahan aus sambil mempertahankan inti yang relatif tangguh, secara signifikan meningkatkan sifat permukaan komponen tanpa mengubah karakteristik massanya.

Proses ini termasuk dalam keluarga teknik penguatan permukaan dan merupakan metode penting dalam rekayasa permukaan bahan ferrous. Cyaniding menempati posisi khusus dalam bidang metalurgi yang lebih luas, menjembatani proses karburisasi dan nitridasi dengan menggabungkan aspek keduanya untuk mencapai sifat permukaan yang unik.

Dalam hierarki perlakuan panas baja, cyaniding diklasifikasikan sebagai proses difusi termokimia yang memodifikasi komposisi kimia permukaan daripada hanya mengubah mikrostruktur melalui siklus termal saja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Pada tingkat atom, cyaniding melibatkan difusi simultan dari atom karbon dan nitrogen ke dalam kisi besi dari permukaan baja. Atom interstitial ini menempati ruang antara atom besi dalam struktur kristal, menyebabkan distorsi kisi dan memperkuat material melalui mekanisme penguatan larutan padat.

Proses ini biasanya terjadi pada suhu antara 760-870°C, di mana fase austenit baja memiliki kelarutan yang lebih tinggi untuk karbon dan nitrogen. Atom yang terdifusi membentuk karbida dan nitride kompleks dengan besi dan elemen paduan yang ada dalam baja, menciptakan gradien komposisi dari permukaan ke dalam.

Lapisan yang dihasilkan mengandung campuran karbida besi, nitride, dan karbonitrida yang secara signifikan meningkatkan kekerasan melalui penguatan presipitasi dan mekanisme penguatan larutan padat.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan cyaniding didasarkan pada hukum difusi Fick, khususnya hukum kedua yang memperhitungkan profil konsentrasi yang bergantung pada waktu. Model ini menggambarkan bagaimana atom karbon dan nitrogen bergerak dari bak garam dengan konsentrasi tinggi ke permukaan baja dengan konsentrasi lebih rendah.

Secara historis, pemahaman tentang cyaniding berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 menjadi model berbasis difusi yang lebih canggih pada tahun 1950-an. Pandai besi awal telah menggunakan versi primitif dari proses ini tanpa memahami ilmu yang mendasarinya.

Pendekatan modern mencakup model komputasi yang memperhitungkan difusi simultan dari beberapa spesies (C dan N), interaksi mereka, dan pembentukan berbagai senyawa selama proses. Model-model ini menggabungkan basis data termodinamika untuk memprediksi pembentukan fase dan parameter kinetik untuk memperkirakan laju difusi.

Dasar Ilmu Material

Cyaniding secara langsung mempengaruhi struktur kristal baja dengan memperkenalkan atom karbon dan nitrogen interstitial ke dalam kisi austenit kubik berpusat muka (FCC) selama perlakuan. Setelah pendinginan, elemen-elemen ini membentuk berbagai senyawa dan mendistorsi struktur ferrit kubik berpusat badan (BCC).

Proses ini menciptakan mikrostruktur gradien dengan konsentrasi tinggi karbonitrida dekat permukaan yang secara bertahap menurun menuju inti. Gradien ini menghasilkan profil kekerasan yang sesuai yang bertransisi dari lapisan keras ke inti yang lebih lunak.

Prinsip dasar ilmu material yang mendasari cyaniding adalah difusi terkontrol, di mana pergerakan atom mengikuti gradien konsentrasi sesuai dengan gaya pendorong termodinamika. Proses ini menunjukkan bagaimana manipulasi distribusi atom dapat secara dramatis mengubah sifat material makroskopis.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kedalaman difusi dalam cyaniding mengikuti hukum kedua difusi Fick, yang dapat disederhanakan untuk padatan semi-tak hingga dengan konsentrasi permukaan konstan sebagai:

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

Di mana $C(x,t)$ adalah konsentrasi pada kedalaman $x$ setelah waktu $t$, $C_s$ adalah konsentrasi permukaan, $C_0$ adalah konsentrasi awal dalam baja, $D$ adalah koefisien difusi, dan erf adalah fungsi kesalahan.

Formula Perhitungan Terkait

Kedalaman lapisan efektif dapat diperkirakan menggunakan:

$$x_{eff} = k \sqrt{Dt}$$

Di mana $x_{eff}$ adalah kedalaman lapisan efektif, $k$ adalah konstanta yang bergantung pada proses (biasanya 2-5), $D$ adalah koefisien difusi, dan $t$ adalah waktu proses.

Koefisien difusi mengikuti hubungan 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 mutlak.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon biasa dengan kandungan karbon di bawah 0,25% dan ketika suhu cyaniding tetap konstan selama proses. Model-model ini mengasumsikan geometri semi-tak hingga dan mengabaikan efek tepi.

Model matematis memiliki batasan ketika diterapkan pada geometri kompleks atau baja paduan tinggi di mana penghalang difusi dapat terbentuk. Mereka juga tidak memperhitungkan pembentukan senyawa secara simultan yang dapat mengubah laju difusi.

Perhitungan ini mengasumsikan bahwa konsentrasi permukaan tetap konstan, yang memerlukan agitasi bak yang cukup dan kontrol konsentrasi. Dalam praktiknya, pengurangan bak dan kontaminasi dapat mempengaruhi profil difusi yang sebenarnya.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikro Material - Mencakup pengujian mikrohardness untuk menentukan profil kedalaman lapisan.

ISO 18203: Baja - Penentuan ketebalan lapisan yang diperkuat permukaan - Menyediakan metode untuk mengukur kedalaman lapisan pada baja yang diperkuat.

ASTM A965/A965M: Spesifikasi Standar untuk Paduan Baja, Austenitik, untuk Bagian Tekanan dan Suhu Tinggi - Termasuk persyaratan untuk komponen yang dicyaniding.

SAE J423: Metode Mengukur Kedalaman Lapisan - Merinci prosedur untuk menentukan kedalaman lapisan efektif pada baja yang diperkuat permukaan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji mikrohardness dengan indentor Vickers atau Knoop umumnya digunakan untuk mengukur profil kekerasan dari permukaan ke inti. Instrumen ini menerapkan beban kecil yang tepat (biasanya 10-1000 gf) untuk membuat indentasi mikroskopis.

Mikroskopi optik dengan teknik etsa mengungkapkan perubahan mikrostruktur antara lapisan dan inti. Etsa nital atau picral biasanya digunakan untuk membedakan mikrostruktur lapisan dari inti.

Mikroskopi elektron (SEM/TEM) dengan kemampuan EDS memberikan analisis rinci tentang distribusi karbonitrida dan gradien komposisi kimia di seluruh antarmuka lapisan-inti.

Persyaratan Sampel

Potongan metalografi standar harus disiapkan tegak lurus terhadap permukaan yang diperlakukan. Sampel biasanya memiliki panjang 10-25 mm dan harus menangkap seluruh kedalaman lapisan.

Persiapan permukaan memerlukan penggilingan dan pemolesan yang hati-hati untuk menghindari pembulatan tepi, yang dapat mendistorsi pengukuran kedalaman lapisan. Pemolesan akhir dengan pasta berlian 1 μm atau lebih halus disarankan.

Sampel harus bebas dari dekarburisasi atau artefak perlakuan panas lainnya yang dapat mempengaruhi interpretasi lapisan yang dicyaniding.

Parameter Uji

Pengujian mikrohardness biasanya dilakukan pada suhu ruangan (23±5°C) dalam lingkungan bebas getaran. Kelembaban harus dikontrol untuk mencegah korosi