Penguatan Permukaan: Meningkatkan Kinerja Baja Melalui Perlakuan Selektif

Definisi dan Konsep Dasar

Pengerasan permukaan mengacu pada sekelompok teknik yang digunakan untuk meningkatkan kekerasan lapisan luar objek logam sambil mempertahankan interior yang lebih lunak dan lebih tangguh. Proses metalurgi ini menciptakan komponen dengan permukaan yang keras dan tahan aus (case) serta inti yang tangguh dan ulet.

Pengerasan permukaan sangat penting dalam ilmu material dan rekayasa karena memungkinkan optimasi baik ketahanan aus maupun kekuatan impak dalam satu komponen. Karakteristik dua properti ini sangat berharga dalam aplikasi di mana komponen mengalami aus permukaan dan stres mekanis.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pengerasan permukaan merupakan subset penting dari proses perlakuan panas. Ini menjembatani kesenjangan antara sifat material massal dan rekayasa permukaan, memungkinkan metalurgis untuk secara selektif memodifikasi karakteristik material di lokasi tertentu daripada di seluruh komponen.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pengerasan permukaan biasanya melibatkan pembentukan fase atau struktur keras di lapisan permukaan baja. Mekanisme yang paling umum adalah transformasi austenit menjadi martensit di lapisan permukaan, yang menciptakan struktur kristalin keras dengan kepadatan dislokasi tinggi.

Dalam proses pengerasan case seperti karburisasi, atom karbon difusi ke permukaan baja dan menempati posisi interstitial dalam kisi besi. Supersaturasi karbon ini mendistorsi struktur kristal, menghambat pergerakan dislokasi dan meningkatkan kekerasan.

Untuk proses nitriding, atom nitrogen membentuk presipitat nitride dengan elemen paduan seperti aluminium, kromium, dan molibdenum. Presipitat halus ini menghalangi pergerakan dislokasi dan secara signifikan meningkatkan kekerasan permukaan melalui mekanisme pengerasan presipitasi.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk pengerasan permukaan didasarkan pada teori difusi, khususnya hukum difusi Fick. Model ini menggambarkan bagaimana karbon, nitrogen, atau elemen pengerasan lainnya menembus permukaan baja seiring waktu dan suhu.

Secara historis, pemahaman tentang pengerasan permukaan berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi pemahaman ilmiah pada awal abad ke-20. Pengembangan diagram fase, khususnya diagram fase besi-karbon, memberikan dasar teoretis untuk teknik pengerasan permukaan modern.

Berbagai pendekatan teoretis ada untuk berbagai metode pengerasan. Sementara model difusi berlaku untuk proses kimia seperti karburisasi dan nitriding, model kinetika transformasi lebih baik menggambarkan pengerasan induksi dan api, di mana siklus pemanasan dan pendinginan yang cepat menyebabkan transformasi fase tanpa perubahan komposisi.

Dasar Ilmu Material

Pengerasan permukaan secara langsung terkait dengan struktur kristal dengan mengubah susunan atom di lapisan permukaan. Dalam baja, transformasi dari austenit kubik pusat wajah menjadi martensit tetragonal pusat tubuh menciptakan stres internal yang meningkatkan kekerasan.

Hubungan dengan mikrostruktur adalah kompleks, karena batas butir sering berfungsi sebagai jalur difusi preferensial untuk elemen pengerasan. Struktur butir yang lebih halus biasanya menghasilkan kedalaman case dan profil kekerasan yang lebih seragam.

Pengerasan permukaan terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk difusi keadaan padat, transformasi fase, pengerasan presipitasi, dan teori dislokasi. Prinsip-prinsip ini menjelaskan mengapa permukaan yang dikeraskan menahan deformasi melalui mekanisme yang menghambat pergerakan dislokasi.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kedalaman case dalam pengerasan permukaan berbasis difusi dapat diperkirakan menggunakan solusi hukum kedua Fick:

$$x = K \sqrt{Dt}$$

Di mana:
- $x$ adalah kedalaman case (mm)
- $K$ adalah konstanta yang bergantung pada proses
- $D$ adalah koefisien difusi (mm²/s)
- $t$ adalah waktu perlakuan (s)

Formula Perhitungan Terkait

Koefisien difusi mengikuti hubungan Arrhenius dengan suhu:

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

Di mana:
- $D_0$ adalah faktor pre-ekspresional (mm²/s)
- $Q$ adalah energi aktivasi (J/mol)
- $R$ adalah konstanta gas (8.314 J/mol·K)
- $T$ adalah suhu absolut (K)

Kedalaman case efektif sering didefinisikan sebagai kedalaman di mana kekerasan sama dengan kekerasan inti ditambah 50 HV:

$$d_{eff} = d_{HV(core+50)}$$

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk proses berbasis difusi di bawah kondisi isotermal dan mengasumsikan geometri semi-tak hingga dengan konsentrasi permukaan yang konstan.

Model memiliki batasan ketika diterapkan pada geometri kompleks, terutama di sudut dan tepi di mana difusi multi-arah terjadi.

Model matematis ini mengasumsikan material dasar yang homogen dan tidak memperhitungkan efek dari pekerjaan dingin sebelumnya, variasi ukuran butir, atau keberadaan karbida yang dapat mempengaruhi jalur difusi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikro Material, mencakup prosedur pengujian mikrohardness yang penting untuk mengukur gradien kekerasan di lapisan yang dikeraskan.

ISO 2639: Baja - Penentuan dan verifikasi kedalaman pengerasan yang efektif setelah pengerasan permukaan, menentukan metode untuk menentukan kedalaman case.

ASTM A255: Metode Uji Standar untuk Menentukan Hardenability Baja, memberikan prosedur untuk mengevaluasi potensi kedalaman pengerasan.

SAE J423: Metode Mengukur Kedalaman Case, merinci berbagai teknik untuk mengukur kedalaman case pada komponen yang dikarburasi, dinitridasi, dan dikeraskan induksi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji mikrohardness dengan indentor Vickers atau Knoop umumnya digunakan untuk mengukur profil kekerasan di seluruh transisi case-ke-inti. Instrumen ini menerapkan beban kecil (biasanya 10-1000 gf) untuk membuat indentasi mikroskopis.

Mikroskopi optik digunakan untuk memeriksa spesimen yang dipotong melintang, mengungkapkan perubahan mikrostruktur antara daerah case dan inti setelah etsa yang sesuai.

Karakterisasi lanjutan dapat mencakup mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan spektroskopi energi-disperse X-ray (EDS) untuk memetakan distribusi elemen, atau difraksi backscatter elektron (EBSD) untuk menganalisis perubahan kristalografi.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar memerlukan pemotongan melintang yang tegak lurus terhadap permukaan yang dikeraskan, diikuti dengan pemasangan dalam resin untuk memfasilitasi penanganan selama persiapan dan pengujian.

Persiapan permukaan melibatkan penggilingan dengan abrasif yang semakin halus (biasanya hingga 1200 grit), diikuti dengan pemolesan dengan suspensi berlian untuk mencapai hasil akhir cermin yang cocok untuk pengujian mikrohardness dan mikroskopi.

Spesimen harus bebas dari artefak persiapan seperti pembulatan tepi, yang dapat mendistorsi pembacaan kekerasan dekat permukaan, dan pembangkitan panas selama pemotongan, yang mungkin mengubah mikrostruktur.

Parameter Uji

Pengujian biasanya dilakukan pada suhu kamar (20-25°C) di bawah kelembaban terkontrol untuk mencegah oksidasi permukaan spesimen yang disiapkan.

Untuk pengujian mikrohardness, waktu tinggal standar 10-15 detik digunakan dengan beban yang dipilih untuk membuat indentasi dengan ukuran yang sesuai untuk mikrostruktur yang dievaluasi.

Travers kekerasan biasanya dimulai dekat permukaan (25-50 μm dari tepi) dan bergerak ke dalam pada interval reguler (sering 100 μm) hingga jauh ke dalam material inti.

Pengolahan Data

Data