Tag: Karburisasi padat (solid carburizing)

Pengertian Proses Karburasi Baja Karbon, Karburasi sering disebut juga sebagai proses sementasi, yaitu proses penambahan karbon permukaan baja (biasanya baja karbon rendah) pada temperatur di atas AC₃ yaitu pada daerah stabilnya fasa austenit.

Karburasi dilakukan pada temperatur sekitar 815 – 955 ºC dengan media yang memiliki karbon potensial yang tinggi, sehingga terjadi difusi atom-atom karbon dari media ke dalam lapisan permukaan baja. Pada temperature austenite, laju difusi karbon dalam baja relatif tinggi.

Namun demikian, kandungan karbon tidak akan melebihi batas maksimum dari kelarutan karbon dalam fasa austenit yang ditentukan oleh garis Acm.

Walaupun begitu, untuk baja paduan, khususnya baja perkakas, kandungan karbon di permukaan baja setelah karburasi dapat melebihi dari 3 persen.

Tujuan Proses Karburasi (Pengerasan Permukaan – Surface Hardening)

Adapun Tujuan dilakukannya karburasi diantaranya adalah

Meningkatkan kekerasan di permukaan benda kerja dengan tetap mempertahankan ketangguhkan benda kerja secara keseluruahan.

Menaikan ketahanan abrasi untuk suku cadang atau produk produk yang permukaannya bergesekan selama operasi.

Menaikan life time suku cadang atau spare part mesin produksi, sehingga produktivitas menjadi lebih tinggi.

Meningkatkan Efisiensi Produksi dan penghematan biaya perawatan pabrik untuk mengurangi biaya produksi.

Contoh Produk Karburasi Surface Case Hardening 

Contoh Produk karburasi adalah roda gigi, permukaannya harus dikeraskan karena komponen ini kerjanya bersinggungan antara satu dengan yang lainnya. Apabila kekerasan permukaannya rendah, maka permukaan roda gigi akan cepat aus. Oleh karena itu permukaannya harus memiliki kekerasan yang cukup tinggi, sedangkan bagian dalamnya tetap ulet dan Tangguh untuk menahan beban.

Contoh lainnya adalah poros lokal belakang sepeda motor, sproket sepeda motor,

Peralatan Utama Proses Karburasi Baja Karbon (Surface Hardening)

Beberapa peralatan utama yang digunakan dalam prosesn pengerasan permukaan pada logam baja karbon adalah dapur pemanas, bok dan tutup baja, karbon aktif seperti ditunjukkan pada berikut:

Bok Baja digunakan sebagai tempat pengerjaan karburisasi yang terbuat dari baja. Benda kerja ditutupi oleh Karbon aktif yang dicampur merata energizer dimasukan dalam bok dan ditutup rapat.

Dapur Pemanas merupakan furnace yang berfungsi sebagai sumber energi panas yang dibutuhkan untuk proses karburisasi. Energi panas ini akan memanaskan bok baja beserta isinya. Semua reaksi akan terjadi di dalam bok.

Karbon Aktif merupakan sumber utama karbon padat yang akan berdifusi ke dalam permukaan benda kerja selama pemanasan.

Benda Kerja merupakan bahan logam yang akan dikeraskan permukaannya.

Jenis Jenis Metoda Karburasi

Berdasarkan media yang memasok unsur karbonnya, Karburasi dapat dibedakan menjadi tiga jenis metode yaitu: solid carburizing, liquid carburizing, gas carburizing.

Karburasi Padat Solid Carburizing (Surface – Case Hardening)

Karburisasi padat (solid carburizing) adalah suatu cara karburisasi yang menggunakan bahan karbon berbentuk padat. Sumber karbon padat adalah Kayu Arang, Batubara, batok kelapa dll.

Karburasi Cair Liquid Carburizing (Surface – Case Hardening)

Karburisasi cair (liquid carburizing) adalah suatu cara karburisasi dengan menggunakan bahan karbon berbentuk cair. Contoh sumber karbon liquid adalah garam kalium ferro Cyanida K₄Fe(CN)₆ dan sebagainya.

Karburisasi Gas Gas Carburizing (Surface – Case Hardening)

Karburisasi gas (gas carburizing) adalah suatu cara karburisasi dengan menggunakan bahan karbon berbentuk gas. Contoh sumber karbon gas adalah gas alam, hidrokarbon gas propan dll

Prinsip Mekanisme Cara Kerja Proses Karburasi (Surface – Case Hardening)

Proses karburasi meliputi tiga tahap berurutan seperti berikut

1). Disosiasi gas berkarbon menjadi bentuk atom karbon.

2). Pengayaan karbon pada lapisan permukaan benda kerja. Tingkat kejenuhan karbon dalam lapisan tergantung pada temperatur karburisasi dan komposisi karburizer.

3). Difusi karbon dari lapisan permukaan ke bagian yang lebih dalam. Tingkat difusi tergantung pada suhu karburasi. Semakin tinggi suhunya, semakin cepat karbon akan terdifusi.

Proses Karburasi Padat, Pack Carburizing (Surface – Case Hardening)

Pack carburizing disebut juga box carburizing atau solid carburizing atau karburasi padat merupakan proses karburasi yang cukup tua. Pada metoda case hardening ini, benda kerja dibungkus dalam campuran kayu arang dan bahan tambahan lainnya dan kemudian dipanaskan dalam bok yang tertutup.

Jenis Garam Karbonat Karburasi Padat, Pack Carburizing (Surface – Case Hardening)

Pada kenyataannya, proses pembentukan gas karbon dioksida CO₂ dan gas karbon mono oksida CO berlangsung sangat lambat. Sehingga perlu ditambahkan bahan lain atau katalis yang dapat mempercepat proses pembentukan gas yang disebut energizer.

Energizer yang dapat digunakan adalah senyawa dari garam karbonat.  Beberapa contoh garam karbonat diantaranya adalah Barium karbonat (BaCO₃), Sodium karbonat (Na₂CO₃) dan Kalium karbonat (K₂CO₃).

Energizer berfungsi untuk mempercepat pembentukan gas CO melalui beberpapa tahapan reaksi.

Pada Temperatur karburasi yaitu antara 850 sampai 950 Celcius, garam karbonat terdekomposisi menghasilkan gas karbon dioksida CO₂ mengikuti persamaan reaksi berikut

Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂ atau

CaCO₃ → CaO + CO₂ atau

BaCO₃ → BaO + CO₂

Gas karbon dioksida yang dihasilkan bereaksi dengan karbon dari kayu arang membentuk karbon mono oksida seperti berikut:

CO₂ + C_k→ 2CO

C_k = karbon dalam kayu arang

Gas karbon mono oksida tidak stabil di temperature proses dan terdekomposisi menjadi gas gas karbon dioksida dan atom karbon bebas menurut persamaan berikut

2CO = CO₂ + C_a

C_a = atom karbon hasil dekomposisi

Atom atom karbon (C_a) dengan cepat terabsorb pada permukaan logam dan berdifusi ke dalam fasa austenite logam. Sedangkan karbon dioksida bereaksi dengan karbon dalam kayu arang menghasilkan gas karbon mono oksida memenuhi persamaan berikut;

CO₂ + C_k = 2CO

Proses ini berulang terus menerus sehingga terjadi peningkatan konsentrasi atom karbon yang terabsorb pada permukaan logam. Pada proses ini, logam terkarburasi oleh gas yang dihasilkan dari carburizer padat (kayu arang).

Selain itu, Gas CO₂ yang terbentuk juga bereaksi dengan BaO atau CaO atau Na₂O membentuk BaCO₃, atau CaCO₃ atau Na₂CO₃. Dengan demikian, garam korbonat selalu ada selama proses karburasi dan reaksi-reaksi di atas dapat berjalan terus.

Diagram Continuous Cooling Transformation (CCT) Proses Pendingnan Karburasi Surface Case Hardening

Proses pendinginan lambat diakhir karburasi akan diikuti dengan terjadinya transformasi fasa austenite ke struktur ferit dan perlit.

Reaksi transformasi fasa selama pendinginan lambat dapat diperkirakan melalui diagram CCT berikut:

Laju pendinginan lambat akan mengikuti kurva c dan menghasilkan struktur akhir perlit dan ferit melalui reaksi transformasi fasa berikut:

Austenite → Ferti + Perlit

Permukaan baja hasil karburasi memiliki kadar karbon sangat tinggi, sehingga mayoritas strukturnya adalah perlit dengan sedikit ferit pada batas butir. Sedangkan pada bagian tengah kadar karbonnya relative rendah, sehingga strukturnya ferit dan perlit.

Struktur Mikro dan Kekerasan Baja Karbon Surface Case Hardening

Gambar di bawah menunjukkan Mikro struktur baja karbon spesifikasi AISI-SAE 1018 hasil telah dikarburasi dengan menggunakan media karbon batok kelapa dan sebagai aktivatornya natrium karbonat Na₂CO₃. Karburasi dilakukan pada temperature 925 Celcius selama 20 menit dan didinginkan di dalam furnace.

Baja awal memiliki struktur ferit dan perlit dengan kekerasan sekitar 200 HV. Sedanglan Hasil karburasi menunjukkan adanya lapisan kaya karbon (LKK) pada permukaan dengan ketebalan sekitar 230 mikron. Tampak bahwa karbon yang berdifusi menenbus permukaan baja membentuk struktur perlit dengan kekerasan mencapai 605 HV.

Struktur lapisan kaya karbon hasil karburasi sangat tergantung dari laju pendingin di akhir karburasi. Struktur perlit yang terbentuk pada lapisan permukaan baja menunjukkan bahwa laju pendinginan di dalam furnace cukup lambat.

Kekerasan Logam Baja Karbon Surface Case Hardening

Pengaruh karburasi terhadap kekerasan logam baja karbon mulai dari permukaan sampai kedalaman 500 mikro benda kerja dapat dilihat pada gambar berikut:

Dari gambar diketahui bahwa benda kerja menjadi lebih keras dibandingkan dengan baja sebelum di karburasi. Pada permukaan kekerasannya lebih tinggi dibandingkan dengan bagian yang lebih ke dalam.

Pada permukaan kekerasan mencapai lebih dari 640 HV, sedangkan pada jarak 0,5 mm dari permukaan nilai kekerasannya sekitar 400 HV.

Distribusi Lapisan Layer  Karbon Pada Baja Hasil Karburisasi Surface Case Hardening

Distribusi karbon dan hubungannya dengan kekerasan sepanjang benda kerja hasil karburasi dapat dilihat pada gambar berikut:

Kadar karbon pada permukaan benda kerja setelah proses karburasi naik menjadi 0,8 persen yang diikuti dengan naiknya kekerasan menjadi sekitar 50 HRC. Sedangkan pada bagian yang lebih jauh dari permukaan, kadar karbonnya adalah 0,3 persen dengan  kekerasan sekitar 20 HRC.

Daftar Pustaka

1. Jaleel Kareem Ahmad, 2015, “Carburizing of steel”, International Journal of Materials Science and Applications, 4(2-1): 11-14.
2. Krauss, George., 1990, “Steels: Heat treatment and Processing Principles”, Ohio, ASM International.
3. Callister Jr., W.D. and David G. Rethwisch., 2009, “Materials science and engineering an introduction”, 8th edition., New York, John Wiley & Sons.
4. Ringkasan Rangkuman: Pengerasan Permukaan Karburasi, Surface Hardening, Case Hardening, Pengertian Proses Karburasi Baja Karbon, Tujuan Karburasi, Fungsi Karburasi, Contoh Produk Karburasi, Peralatan Proses Karburasi Baja Karbon, Jenis Jenis Metoda Karburasi, Karburasi Padat Solid Carburizing,
5. Karburisasi padat (solid carburizing), Sumber karbon padat Karburisasi padat, Karburasi Cair, Liquid Carburizing, Pengertian Contoh Karburasi Cair, Pengertian Contoh Liquid Carburizing, Contoh sumber karbon liquid carburizing, adalah suatu cara karburisasi dengan menggunakan bahan karbon berbentuk cair. Karburisasi cair (liquid carburizing),
6. Garam kalium ferro Cyanida K4Fe(CN)6 untuk liquid carburizing, Karburisasi Gas, Gas Carburizing, Prinsip Mekanisme Cara Kerja Proses Karburasi, Karburasi Padat, Pack Carburizing, Pengertian Contoh Karburasi Padat, Pengertian Contoh Pack Carburizing, Jenis Garam Karbonat Karburasi Padat, Pack Carburizing,
7. Fungsi Garam Karbonat Karburasi Padat, Fungsi Energizer Pack Carburizing, Temperatur Karburisasi, Fungsi Energizer, Contoh Reaksi Pada Karburisasi, Transformasi Fasa Proses Pendinginan Karburasi, Pengaruh Karburasi Terhadap Struktur Mikro dan Kekerasan Baja Karbon, Struktur Mikro Sampel Karburisasi,
8. Pengaruh Korburisasi Terhadap Kekerasan Logam Baja Karbon, Kekerasan Karburasi Sampel Baja, Distribusi Kadar Karbon Pada Baja Hasil Karburisasi, Gambar Tebal Karburisasi, Karburisasi gas (gas carburizing), Sumber karbon gas pada Karburisasi gas, Gambar Contoh Struktur Lapisan Karburisasi,