Chromizing: Teknik Pelapisan Permukaan untuk Meningkatkan Ketahanan Aus Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Chromizing adalah proses perlakuan permukaan suhu tinggi dalam industri baja yang melibatkan difusi kromium ke dalam lapisan permukaan komponen baja untuk membentuk pelapis yang kaya kromium dan melindungi. Teknik ini bertujuan untuk meningkatkan sifat permukaan baja, terutama meningkatkan ketahanannya terhadap korosi, oksidasi, dan keausan, sambil mempertahankan sifat mekanik bulk dari substrat.

Secara fundamental, chromizing memodifikasi permukaan baja dengan menciptakan zona difusi yang diperkaya dengan atom kromium, yang membentuk lapisan yang stabil, melekat, dan tahan korosi. Proses ini menghasilkan ikatan metalurgi antara pelapis dan substrat, menghasilkan modifikasi permukaan yang tahan lama.

Dalam spektrum yang lebih luas dari metode penyelesaian permukaan baja, chromizing diklasifikasikan sebagai proses pelapisan difusi, yang dibedakan dari elektroplating, penyemprotan termal, atau teknik deposisi uap fisik. Ini sangat dihargai karena integrasi metalurgisnya dengan substrat, stabilitas suhu tinggi, dan kinerja jangka panjang di lingkungan yang agresif.

Sifat Fisik dan Prinsip Proses

Mekanisme Modifikasi Permukaan

Selama chromizing, komponen baja terpapar pada lingkungan yang mengandung kromium pada suhu tinggi, biasanya antara 900°C dan 1050°C. Proses ini melibatkan reaksi difusi fisik dan kimia di mana atom kromium bermigrasi dari sumber ke permukaan baja.

Dari segi kimia, proses ini sering menggunakan paket bubuk kaya kromium, pasta, atau atmosfer gas yang mengandung senyawa kromium seperti karbida kromium atau kromat. Di bawah suhu tinggi, senyawa ini terurai, melepaskan atom kromium yang difusi ke dalam permukaan baja.

Dari segi fisik, difusi terjadi pada tingkat atom, di mana atom kromium menembus mikrostruktur baja, menempati posisi interstisial atau substitusi dalam matriks besi. Ini menghasilkan pembentukan zona difusi yang diperkaya kromium, biasanya setebal beberapa mikrometer hingga puluhan mikrometer, tergantung pada parameter proses.

Karakteristik antarmuka antara pelapis dan substrat dicirikan oleh ikatan metalurgi yang terbentuk melalui difusi, tanpa antarmuka yang jelas atau zona transisi yang bertahap. Ikatan ini memastikan daya lekat dan daya tahan yang sangat baik di bawah kondisi layanan.

Komposisi dan Struktur Pelapis

Lapisan permukaan yang dihasilkan terutama terdiri dari zona difusi yang kaya kromium, sering kali mengandung karbida kromium, nitride, atau oksida, tergantung pada lingkungan proses. Mikrostruktur permukaan yang dirawat memiliki lapisan difusi dengan gradien konsentrasi kromium, bertransisi dengan mulus ke baja dasar.

Mikrostruktur dapat mencakup karbida kromium halus atau nitride yang tersebar dalam matriks besi, memberikan kekerasan dan ketahanan korosi. Ketebalan lapisan yang terchromizing biasanya berkisar antara 10 hingga 50 mikrometer untuk aplikasi standar, tetapi dapat disesuaikan hingga 100 mikrometer untuk penggunaan khusus.

Dalam beberapa varian, lapisan paduan permukaan dengan kandungan kromium tinggi terbentuk, menawarkan sifat permukaan yang ditingkatkan. Stabilitas mikrostruktural lapisan ini pada suhu tinggi adalah keuntungan utama dari chromizing.

Klasifikasi Proses

Chromizing diklasifikasikan sebagai proses pelapisan difusi dalam kategori perlakuan permukaan termokimia. Ini terkait dengan proses difusi lainnya seperti carburizing, nitriding, dan boriding, tetapi dibedakan oleh penggunaan sumber kromium.

Jika dibandingkan dengan elektroplating atau penyemprotan termal, chromizing melibatkan difusi atom dan pengikatan metalurgi daripada deposisi fisik. Ini menawarkan daya lekat yang lebih baik, stabilitas suhu tinggi, dan ketahanan korosi.

Varian dari chromizing termasuk pack cementation, gas chromizing, dan plasma chromizing. Pack chromizing melibatkan penanaman komponen dalam campuran bubuk; gas chromizing menggunakan sumber kromium gas; plasma chromizing menggunakan busur plasma untuk memfasilitasi difusi.

Metode Aplikasi dan Peralatan

Peralatan Proses

Chromizing industri menggunakan peralatan khusus seperti furnace pack cementation, ruang gas chromizing, atau reaktor plasma. Furnace pack cementation adalah yang paling umum, dengan ruang tertutup di mana komponen ditempatkan dalam paket bubuk yang mengandung senyawa kromium, pengisi inert, dan aktivator.

Peralatan gas chromizing terdiri dari ruang tertutup dengan atmosfer terkontrol dari gas yang mengandung kromium, seperti kromat atau kromida, yang disuplai melalui sistem aliran gas. Plasma chromizing memanfaatkan obor plasma dan ruang vakum untuk menghasilkan busur plasma energi tinggi yang memfasilitasi difusi cepat.

Prinsip desain dasar berfokus pada pemeliharaan distribusi suhu yang seragam, komposisi atmosfer yang terkontrol, dan waktu proses yang tepat. Fitur khusus termasuk sistem kontrol suhu, regulasi aliran gas, dan atmosfer pelindung untuk mencegah oksidasi atau kontaminasi.

Teknik Aplikasi

Prosedur chromizing standar melibatkan pembersihan permukaan baja secara menyeluruh untuk menghilangkan oksida, minyak, dan kontaminan lainnya. Persiapan permukaan dapat mencakup penggilingan, pemolesan, atau pembersihan kimia untuk memastikan difusi yang optimal.

Komponen kemudian ditempatkan di dalam furnace dengan media chromizing yang dipilih. Parameter proses—suhu, waktu, komposisi atmosfer—dikendalikan dengan hati-hati untuk mencapai ketebalan dan sifat pelapis yang diinginkan.

Parameter proses yang khas termasuk suhu 950°C hingga 1050°C, durasi dari 4 hingga 24 jam, dan laju aliran gas atau komposisi bubuk tertentu. Pemantauan melibatkan termokopel, analisis gas, dan timer proses untuk memastikan konsistensi.

Chromizing diintegrasikan ke dalam jalur produksi di mana komponen diproses dalam mode batch atau kontinu, tergantung pada skala aplikasi. Sistem otomatisasi mengontrol profil suhu, komposisi atmosfer, dan durasi proses.

Persyaratan Pra-perlakuan

Sebelum chromizing, permukaan baja harus dipersiapkan dengan cermat untuk memastikan kebersihan dan aktivasi. Pembersihan permukaan melibatkan penghilangan minyak, peledakan abrasif, atau etsa kimia untuk menghilangkan oksida, minyak, dan kontaminan permukaan.

Aktivasi permukaan meningkatkan efisiensi difusi dan daya lekat pelapis. Pengasahan mekanis dapat meningkatkan penguncian mekanis, sementara etsa kimia dapat meningkatkan energi permukaan.

Kondisi permukaan awal secara signifikan mempengaruhi keseragaman pelapis, kekuatan daya lekat, dan kedalaman difusi. Persiapan permukaan yang buruk dapat menyebabkan cacat seperti porositas, difusi yang tidak lengkap, atau delaminasi pelapis.

Proses Pasca-perlakuan

Langkah-langkah pasca-perlakuan dapat mencakup pendinginan di bawah atmosfer terkontrol untuk mencegah oksidasi, penghilangan bubuk residu, dan penyelesaian permukaan seperti penggilingan atau pemolesan untuk mencapai dimensi dan kualitas permukaan yang ditentukan.

Dalam beberapa kasus, perlakuan penyegelan atau pasivasi diterapkan untuk lebih meningkatkan ketahanan korosi. Jaminan kualitas akhir melibatkan pengujian non-destruktif, analisis mikrostruktural, dan pengujian daya lekat.

Perlakuan panas tambahan, seperti tempering atau penghilangan stres, dapat dilakukan untuk mengoptimalkan sifat mekanik tanpa mengorbankan lapisan difusi.

Sifat Kinerja dan Pengujian

Sifat Fungsional Utama

Permukaan yang terchromizing menunjukkan kekerasan tinggi, biasanya dalam kisaran 800–1200 HV (kekerasan Vickers), yang meningkatkan ketahanan terhadap keausan. Lapisan difusi memberikan ketahanan korosi dan oksidasi yang sangat baik pada suhu tinggi.

Pengujian standar termasuk pengukuran kekerasan (Vickers atau Rockwell), pengujian daya lekat (seperti pengujian tarik atau gores), dan penilaian ketahanan keausan melalui pengujian pin-on-disk atau keausan abrasif.

Nilai kinerja tergantung pada parameter proses tetapi umumnya menunjukkan perbaikan signifikan dibandingkan baja yang tidak diolah, dengan laju keausan yang berkurang hingga faktor 3–10 dan ketahanan korosi