Flame Hardening: Perlakuan Panas Permukaan untuk Meningkatkan Daya Tahan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pengerasan api adalah proses perlakuan panas pengerasan permukaan selektif di mana permukaan komponen baja dipanaskan dengan cepat melalui impingement langsung dari nyala gas oksigen-bahan bakar, diikuti dengan pendinginan segera untuk menghasilkan lapisan permukaan yang keras sambil mempertahankan inti yang lebih lunak dan lebih tangguh. Teknik perlakuan panas lokal ini menciptakan lapisan luar yang tahan aus dengan nilai kekerasan tinggi sambil mempertahankan duktilitas dan ketangguhan interior komponen.

Proses ini sangat penting dalam pembuatan komponen besar atau bagian dengan geometri kompleks di mana pengerasan furnace konvensional akan tidak praktis atau tidak ekonomis. Pengerasan api memungkinkan perlakuan selektif pada area tertentu yang terkena aus tinggi, seperti gigi roda, permukaan bantalan, dan rel kereta api.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pengerasan api termasuk dalam keluarga teknik pengerasan permukaan bersama dengan pengerasan induksi, pengerasan laser, dan karburisasi. Berbeda dengan metode pengerasan kasus yang mengubah komposisi permukaan, pengerasan api adalah proses termal yang mengubah kandungan karbon yang ada dalam baja karbon sedang hingga tinggi menjadi martensit tanpa mengubah komposisi kimia.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pengerasan api menyebabkan transformasi fase dalam struktur kristal baja. Ketika permukaan baja dipanaskan dengan cepat di atas suhu kritis atasnya (biasanya 727-912°C tergantung pada kandungan karbon), struktur ferrit kubik pusat tubuh (BCC) dan karbida besi (Fe₃C) berubah menjadi austenit kubik pusat wajah (FCC).

Selama pendinginan cepat berikutnya (pendinginan), austenit tidak memiliki cukup waktu untuk berubah kembali menjadi ferrit dan semenit melalui proses difusi. Sebaliknya, transformasi tanpa difusi terjadi, menciptakan martensit tetragonal pusat tubuh (BCT)—solusi padat jenuh karbon dalam besi dengan kekerasan tinggi dan kerapuhan akibat distorsi kisi.

Kedalaman pengerasan tergantung pada penetrasi panas, yang dikendalikan oleh suhu nyala, waktu pemanasan, dan konduktivitas termal baja. Di bawah lapisan yang dikeraskan, material inti tetap dalam mikrostruktur aslinya, memberikan ketangguhan dan duktilitas pada komponen.

Model Teoritis

Model teoritis utama yang menggambarkan pengerasan api didasarkan pada prinsip transfer panas yang dikombinasikan dengan kinetika transformasi fase. Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) membentuk dasar untuk memahami kinetika transformasi selama fase pemanasan dan pendinginan.

Secara historis, pemahaman tentang pengerasan api berkembang seiring dengan kemajuan dalam ilmu metalurgi pada awal abad ke-20. Pendekatan empiris awal memberi jalan bagi model yang lebih canggih seiring dengan pengetahuan tentang transformasi fase dan diagram transformasi pendinginan kontinu (CCT) yang berkembang pada tahun 1930-an dan 1940-an.

Pendekatan modern menggabungkan dinamika fluida komputasional (CFD) untuk memodelkan karakteristik nyala dan analisis elemen hingga (FEA) untuk memprediksi distribusi panas, gradien termal, dan mikrostruktur yang dihasilkan. Metode komputasional ini memungkinkan kontrol yang lebih tepat terhadap proses dibandingkan dengan pendekatan berbasis pengalaman tradisional.

Dasar Ilmu Material

Efektivitas pengerasan api sangat terkait dengan struktur kristal baja dan batas butir. Proses ini menciptakan gradien mikrostruktur dari permukaan ke inti, dengan butir martensit halus di permukaan bertransisi ke struktur ferrit-perlit asli di inti.

Ukuran butir di lapisan yang dikeraskan secara signifikan mempengaruhi sifat akhir. Butir austenit yang lebih halus yang terbentuk selama pemanasan berubah menjadi martensit yang lebih halus saat pendinginan, menghasilkan kekerasan yang lebih tinggi dan ketahanan aus yang lebih baik. Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, berkontribusi pada penguatan permukaan.

Proses ini menggambarkan prinsip dasar ilmu material tentang transformasi fase, kontrol difusi, dan hubungan struktur-sifat. Laju pemanasan dan pendinginan yang cepat menciptakan kondisi non-ekuilibrium yang menjebak atom karbon dalam posisi interstisial dalam kisi besi, menyebabkan distorsi kisi yang menjadi ciri martensit.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kedalaman pengerasan ($D_h$) dalam pengerasan api dapat diperkirakan dengan:

$$D_h = k \sqrt{t}$$

Di mana:
- $D_h$ adalah kedalaman pengerasan (mm)
- $k$ adalah konstanta spesifik material yang terkait dengan difusivitas termal (mm/s^(1/2))
- $t$ adalah waktu pemanasan (detik)

Formula Perhitungan Terkait

Input panas ($Q$) selama pengerasan api dapat dihitung sebagai:

$$Q = \eta \cdot V_g \cdot H_v$$

Di mana:
- $Q$ adalah input panas (kW)
- $\eta$ adalah faktor efisiensi nyala (biasanya 0.7-0.9)
- $V_g$ adalah laju aliran gas (m³/jam)
- $H_v$ adalah nilai pemanasan gas (kWh/m³)

Laju pendinginan ($C_r$) yang diperlukan untuk pembentukan martensit harus melebihi laju pendinginan kritis:

$$C_r = \frac{T_a - T_f}{t_c} > C_{critical}$$

Di mana:
- $C_r$ adalah laju pendinginan (°C/detik)
- $T_a$ adalah suhu austenitisasi (°C)
- $T_f$ adalah suhu akhir (°C)
- $t_c$ adalah waktu pendinginan (detik)
- $C_{critical}$ adalah laju pendinginan kritis untuk pembentukan martensit

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon sedang hingga tinggi (0.35-0.60% C) dengan geometri yang relatif sederhana. Model transfer panas mengasumsikan sifat termal yang seragam di seluruh material.

Hubungan akar kuadrat antara kedalaman pengerasan dan waktu hanya berlaku ketika konduktivitas termal adalah faktor pembatas. Untuk waktu pemanasan yang sangat singkat atau bagian tipis, hubungan ini tidak berlaku karena batasan pemanasan permukaan.

Model ini mengasumsikan kondisi pendinginan yang sempurna dan tidak memperhitungkan variasi laju pendinginan di seluruh geometri kompleks atau pembentukan produk transformasi antara seperti bainit.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam
• ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikro Material
• ISO 6508: Material logam - Uji kekerasan Rockwell
• ASTM E140: Tabel Konversi Kekerasan Standar untuk Logam

ASTM E18 dan ISO 6508 menyediakan metode standar untuk mengukur kekerasan permukaan menggunakan skala Rockwell, yang umum digunakan untuk komponen yang dikeraskan dengan api. ASTM E384 mencakup pengujian mikrohardness yang digunakan untuk menentukan profil kekerasan melalui kedalaman kasus. ASTM E140 memungkinkan konversi antara berbagai skala kekerasan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan pengujian kekerasan biasanya mencakup penguji kekerasan Rockwell untuk pengukuran kekerasan permukaan dan penguji mikrohardness (Vickers atau Knoop) untuk profil kedalaman kasus. Perangkat ini mengukur ketahanan material terhadap indentasi menggunakan indentor standar di bawah beban yang terkontrol.

Mikroskop metalografi digunakan untuk memeriksa mikrostruktur penampang setelah di etsa dengan reagen yang sesuai (biasanya nital). Ini mengungkapkan transisi dari struktur martensit di permukaan ke mikrostruktur inti.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan difraksi elektron backscatter (EBSD) untuk menganalisis orientasi kristal dan distribusi fase di seluruh lapisan yang dikeraskan.