Nitriding: Proses Penguatan Permukaan untuk Meningkatkan Kinerja Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Nitriding adalah proses perlakuan panas yang mendifusikan nitrogen ke dalam permukaan baja atau paduan logam lainnya untuk menciptakan permukaan yang diperkeras dengan peningkatan kekerasan, ketahanan aus, dan kekuatan kelelahan. Teknik modifikasi permukaan termokimia ini terjadi pada suhu yang relatif rendah (biasanya 500-550°C) sementara logam tetap dalam keadaan padat, menghasilkan distorsi minimal dibandingkan dengan metode pengerasan lainnya.

Nitriding merupakan salah satu teknik rekayasa permukaan yang paling penting dalam metalurgi, menciptakan lapisan senyawa dan zona difusi yang secara signifikan meningkatkan kinerja komponen tanpa memerlukan pendinginan selanjutnya. Proses ini secara fundamental mengubah kimia permukaan dan mikrostruktur material sambil mempertahankan sifat inti.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, nitriding termasuk dalam keluarga perlakuan difusi termokimia bersama dengan carburizing, carbonitriding, dan nitrocarburizing. Ini berbeda dari metode pengerasan transformasi dengan menghasilkan kekerasan melalui pembentukan nitride daripada melalui transformasi fase, memungkinkan perlakuan komponen yang telah dipanaskan sebelumnya dengan perubahan dimensi minimal.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mechanisme Fisik

Di tingkat atom, nitriding melibatkan difusi atom nitrogen ke dalam kisi kristal baja. Atom nitrogen menempati posisi interstisial dalam kisi besi dan bergabung dengan elemen pembentuk nitride yang kuat seperti aluminium, kromium, molibdenum, dan vanadium untuk membentuk presipitat nitride paduan yang halus dan terdispersi.

Proses ini menciptakan dua zona yang berbeda: lapisan senyawa luar (lapisan putih) yang terdiri terutama dari nitride besi (γ'-Fe₄N dan ε-Fe₂₋₃N) dan zona difusi yang lebih dalam yang mengandung nitrogen terlarut dan presipitat nitride paduan yang halus. Nitride ini mendistorsi kisi kristal, menciptakan medan regangan yang menghambat pergerakan dislokasi, sehingga meningkatkan kekerasan dan kekuatan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan nitriding adalah hukum difusi Fick, khususnya hukum kedua yang dinyatakan sebagai $\frac{\partial C}{\partial t} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2}$, yang menggambarkan bagaimana konsentrasi nitrogen berubah seiring waktu dan kedalaman. Model ini membentuk dasar untuk memprediksi kedalaman kasus dan profil konsentrasi nitrogen.

Secara historis, pemahaman tentang nitriding berkembang dari pengamatan empiris pada awal 1900-an ketika Adolph Machlet dan Dr. Adolf Fry secara independen mengembangkan proses tersebut. Dasar termodinamika kemudian ditetapkan melalui diagram fase besi-nitrogen dan teori difusi.

Pendekatan modern mencakup model komputasi yang menggabungkan beberapa spesies yang berdifusi, kinetika presipitasi, dan transformasi fase. Model-model ini, seperti metode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams), memberikan prediksi yang lebih akurat tentang evolusi mikrostruktur selama nitriding.

Dasar Ilmu Material

Nitriding secara langsung mempengaruhi struktur kristal baja dengan memperkenalkan atom nitrogen yang menciptakan distorsi kisi dan membentuk presipitat nitride. Presipitat ini biasanya terbentuk pada dislokasi, batas butir, dan cacat lainnya, mengikat fitur mikrostruktural ini.

Proses ini menciptakan mikrostruktur gradien dengan konsentrasi nitrogen dan kekerasan tertinggi di permukaan, secara bertahap menurun menuju inti. Struktur gradien ini memberikan kombinasi optimal antara ketahanan aus permukaan dan ketangguhan inti.

Prinsip dasar yang mendasari nitriding adalah difusi terkontrol, yang mengikuti perilaku Arrhenius di mana laju difusi meningkat secara eksponensial dengan suhu. Proses ini menunjukkan bagaimana modifikasi kimia permukaan yang terkontrol dapat secara dramatis mengubah sifat material tanpa mengubah karakteristik bulk.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kedalaman kasus dalam nitriding dapat diperkirakan menggunakan persamaan difusi:

$$d = K \sqrt{t}$$

Di mana:
- $d$ adalah kedalaman kasus (mm)
- $K$ adalah koefisien difusi (mm/√jam), tergantung pada suhu dan material
- $t$ adalah waktu nitriding (jam)

Formula Perhitungan Terkait

Koefisien difusi mengikuti persamaan Arrhenius:

$$K = K_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana:
- $K_0$ adalah faktor pre-ekspresional (mm/√jam)
- $Q$ adalah energi aktivasi untuk difusi nitrogen (J/mol)
- $R$ adalah konstanta gas (8.314 J/mol·K)
- $T$ adalah suhu absolut (K)

Profil konsentrasi nitrogen dapat dimodelkan 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 nitrogen pada kedalaman $x$ dan waktu $t$
- $C_s$ adalah konsentrasi nitrogen permukaan
- $C_0$ adalah konsentrasi nitrogen awal dalam baja
- $D$ adalah koefisien difusi (mm²/jam)
- $\text{erf}$ adalah fungsi kesalahan

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku di bawah kondisi isotermal dan mengasumsikan potensi nitrogen permukaan yang konstan. Mereka berlaku terutama untuk zona difusi fase tunggal tanpa mempertimbangkan pembentukan lapisan senyawa.

Model-model ini memiliki batasan ketika diterapkan pada sistem paduan kompleks di mana beberapa elemen pembentuk nitride bersaing untuk nitrogen. Mereka juga tidak memperhitungkan efek stres, difusi batas butir, atau transformasi fase.

Perhitungan ini mengasumsikan difusi satu dimensi yang tegak lurus terhadap permukaan dan mengabaikan efek tepi yang terjadi di sudut atau dalam geometri kompleks.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikro Material, digunakan untuk pengukuran profil kekerasan
• ISO 6507: Material logam - Uji kekerasan Vickers, berlaku untuk penentuan kedalaman kasus
• ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi, untuk analisis mikrostruktural
• DIN 50190: Kedalaman kekerasan bagian yang diperlakukan panas; penentuan kedalaman efektif pengerasan setelah nitriding

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 (biasanya 100-500g) untuk membuat indentasi mikroskopis yang ukurannya berkorelasi terbalik dengan kekerasan.

Mikroskopi optik dan elektron pemindaian (SEM) dengan teknik etsa mengungkapkan ketebalan lapisan senyawa dan mikrostruktur zona difusi. Etsa Nital (2-5% asam nitrat dalam etanol) umumnya digunakan untuk membedakan kasus yang dinitrasi.

Karakterisasi lanjutan menggunakan difraksi sinar-X (XRD) untuk mengidentifikasi fase nitride, analisis mikroprobes elektron (EPMA) untuk profil konsentrasi nitrogen, dan spektroskopi emisi optik pelepasan cahaya (GDOES) untuk pemprofilan kedalaman kimia.

Persyaratan Sampel

Potongan silang metalografi standar memerlukan pemotongan yang hati-hati untuk menghindari kerusakan tepi, diikuti dengan pemasangan dalam resin, penggilingan, dan pemolesan hingga hasil akhir cermin (biasanya 1μm berlian atau lebih halus).

Persiapan permukaan harus menghindari pemanasan yang dapat mengubah kasus yang dinitrasi. Pendinginan air selama pemotongan dan penggilingan sangat penting, dengan tekanan