case hardening

5/24/2018 Case Hardening

1/13

HEAT TREATMEN

I. PENGERASAN KULIT (Case Hardening)

Pengerasan kulit atau case hardeningmerupakan proses laku panas yang bertujuan untuk

memperoleh pengerasan hanya pada kedalaman tertentu atau kulitnya saja. Dengan demikian

lapisan kulit mempunyai kekerasan yang tinggi sedang bagian dalam terjaga dengan kekerasanlebih rendah tetapi keuletannya tinggi.

Dalam dunia industri seringkali diperlukan bahan yang keras dan tahan aus. Tetapi

kekerasan yang diperoleh dengan proses pengerasan tembus (through hardening) akan

mengakibatkan turunnya keuletan atau ketangguhannya. Sehingga untuk mendapatkan material

dengan kekerasan yang tinggi tetapi masih tetap ulet atau tangguh perlu dilakukan case

hardening.

Macam-macam proses pengerasan kulit antara lain :

1. Nitriding

Nitridingmerupakan proses laku panas pada logam secara thermochemicaldimana atom

nitrogen aktif akan berdifusi kedalam baja membentuk nitrida. itrida yang terbentuk ini sangat

keras dan stabil. itrogen aktif ini bisa diperoleh dari gas ammonia dan bila dipanaskan padatemperatur nitriding antara (!""-#"" $%& akan berdisosiasi menjadi nitrogen aktif dan gas

hidrogen :

'. as nitriding Menggunakan gas nitrogen (Moraes) *""'$

*' * aktif

aktif akan mengikat unsur paduan membentuk nitride:

+l , aktif +l (Aluminium nitrides$

'. as nitriding menggunakan gas ammonia (akharo) '/#*$ :

*01 * , 10*

Pada dasarnya semua baja dapat di nitridingtetapi hasil yang optimal dapat diperoleh bilabaja membentuk unsur paduan yang membentuk nitrida ( Nitride Forming Element ) seperti

aluminium) titanium) nikel) chrom dan molybdenum. Pengaruh unsur paduan setelah nitriding

dapat dilihat pada gambar '.

ambar '. Pengaruh 2nsur Paduan ProsesNitriding

Sumber : 3ainer 4eppanen 5 0akan 6onsson) '///:!


2/13

Macam-macam proses nitriding, yaitu:

a. GasNitriding

as nitridingdilakukan dengan pemanasan antara temperatur ( !""-#"" $%& dalam dapur

pemanas dengan atmosfer yang banyak mengandung atom nitrogen . +tom tersebut dapat

diperoleh dari gas 01 ( ammonia $ yang mudah berdekomposisi pada temperatur nitriding

sehingga atom nitrogen aktif akan berdifusi kedalam benda kerja.b. Packnitriding

Pack nitriding atau serbuk (solid$ mempunyai kesamaan pada proses pack carburising.

Pack nitriding dilakukan dengan memanaskan benda kerja didalam kotak tertutup rapat yang

berisi nitriding compound. Nitriding compound ini biasanya sebagai sumber nitrogen aktif.

Pemanasan proses nitridingdilakukan pada temperatur antara

(!*"-!7"$%& dengan 8aktu pemanasan kurang dari '* jam.

c. PlasmaNitriding

Plasma nitriding biasanya juga dikenal sebagai ion nitriding atau glow-discharge

nitriding. Plasma nitriding merupakan pengembangan dari konensional gas nitriding dimana

sumber gas bisa diperoleh dari ammonia atau campuran antara nitrogen dan hidrogen. Proses

tersebut berlangsung pada tekanan gas ('"-9""$ Pa dengan menggunakan tegangan listrik antara(1""-9"" $ . Sehingga gas terionisasi dan akan melakukan bombardment pada benda kerja.

Plasma nitriding dilakukan pada temperatur ;""-9""%& (3ainer 4eppanen 5 0akan 6onsson)

'///: /$.

2. Carburising

arburising merupakan proses laku panas logam secara thermochemical dimana benda

kerja dipanaskan pada temperatur yang cukup tinggi dalam lingkungan yang mengandung atom

karbon aktif) sehingga atom karbon akan berdifusi kedalam baja dan mencapai kadar tertentu dan

kedalaman tertentu. Tebal lapisan tergantung pada suhu dan 8aktu perlakuan panas. arburising

terdiri dari tiga macam yaitu:

a.Pack arburisingProses laku panas logam denganpack carburisingdilakukan dengan memasukkan benda

kerja ke dalam suatu kotak dan ditimbun dengan carburising compound, kotak ditutup rapat

(kedap udara$) kemudian dipanaskan pada suhu /""o-/!"o& selama beberapa jam. Selanjutnya

benda kerja dikeluarkan dan didingingkan dengan media pendingin.

arburising compound berupa serbuk terdiri dari arang kayu 7"&$) yang berfungsi sebagai carburising agent


3/13

yang aktif dengan sodium carbonate (a*&=1$ yang berfungsi sebagai energi#er.Pada temperatur

carburisingcyanide akan bereaksi:

* a& , =* * a&=

; a&= * a& , a*&=1 , &= , * at* &= &=*, &at

Dari reaksi diatas tampak bah8a di samping atom karbon) atom nitrogen juga ikut berdifusimasuk kedalam benda kerja. itrogen ini dalam benda kerja akan bereaksi membentuk nitrida

yang juga keras. ?anyaknya karbon dan nitrogen yang berdifusi tergantung pada temperatur

pemanasan dan kandungan a& dalamsalth bath.

3. Cyaniding dan Carbonitriding

$aniding merupakan modifikasi dari proses li"uid carburising. Dilakukan dengan

menggunakansalth bath seperti pada li"uid carburising,tetapi dengan konsentrasi garam cyanide

yang lebih rendah dan temperatur pemanasan yang lebih rendah. 3eaksi yang terjadi padasalth

bath sama dengan reaksi yang terjadi pada li"uid carburising, hanya saja karena temperatur

pemanasan yang dipakai lebih rendah) maka difusi nitrogen cukup banyak.

$aniding yang sering dilakukan adalah dengan menggunakan salth bath dengan

kandungan cyanide sekitar 1"< pada temperatur 9""o@ 9!"o&) 8aktu difusi bisa sampai ')! jam.Pada kulit akan diperoleh kandungan nitrogen sampai ")!ulit ini

memiliki kekerasan tinggi dan tahan aus.

Pada c$aniding komposisi salth bath dan temperatur pemanasan sangat berpengaruh

terhadap tebal dan komposisi kimia dari kulit. Dengan temperatur pemanasan makin tinggi dan

kandungan a& dalamsalth bathyang makin rendah akan menghasilkan tebal kulit yang makin

besar dan kadar karbon pada kulit akan semakin tinggi (kadar nitrogen makin rendah$. 2ntuk

proses yang menghasilkan kadar karbon yang cukup tinggi (B");


4/13

ambar *. Perbandinganeat rans&erpadaFluidi#ed *ed Furnace dengan

on'ensional Furnace

Sumber :888 .getottenassociates.com

Pada gambar *. dapat dilihat bah8a 8aktu perlakuan dapat dikurangi pada pembentukan

lapisan senya8a yang sama misalnya dengan penghematan 8aktu 11 < untuk pembentukan

lapisan ;" m pada #1" & dan dengan penghematan 8aktu 1! < untuk menghasilkan lapisan *"

m pada !9" &.

ambar 1.Pembentukan

Senya8a dalamFluidi#edbeddan Dapur

>onensional

Sumber : 3eynoldson)

'/9/ : ;"

Fluidi#ed *ed terdiri

atas dapur serta sistem

kontrolnya. Dapur

dipanaskan oleh elemen

pemanas dan gas nitrogen dialirkan ke dapur untuk melindungi terjadinya oksidasi di dalam

&luidi#ed bed. >onstruksi dapur&luidi#ed beddapat ditunjukan pada gambar ;.

+ utl et

as *

eater

element

pecimen

%nlet

hermocouple

Diffuser

Pressure egulator

emperature

control

emperature

indikator
http://www.getottenassociates.com/http://www.getottenassociates.com/http://www.getottenassociates.com/http://www.getottenassociates.com/http://www.getottenassociates.com/


5/13

ambar ;. >onstruksi DapurFluidi#ed *ed.

Selama proses nitriding berlangsung) didalam dapur &luidi#ed bed terjadi proses difusi

atom nitrogen kedalam benda kerja. +tom nitrogen ini akan membentuk nitrida yang sifatnya

keras dan stabil sehingga mempengaruhi ketahanan aus pada permukaan benda kerja.

III. DIFUSI ATOM

Difusi merupakan proses berpindahnya suatu atom baik berupa gas) cair maupun padat dari

kosentrasi tinggi ke kosentrasi yang lebih rendah pada periode 8aktu tertentu. >onsep dasar dari

difusi dapat dijelaskan sebagai berikut:

C +danya migrasi atom-atom dalam material pada kondisi gas) cair dan padat.

C +danya gradient konsentrasiC Terjadi secara subtitusi atau interstisi

Sesuai dengan hukum difusi ickEs pada kondisi stead$-state dimana tidak adanya

perubahan konsentrasi selama periode 8aktu tertentu maka fluks atau aliran atom merupakan

perkalian antara koofisien difusi dengan konsentrasi gradient) sesuai dengan persamaan :

6 F D d& G dH ('$

Dimana :

6 F luks atau aliran atom ( atom G m*. s $

D F Difusitas atau koofisien difusi (m*Gs $

d&GdH F gradient konsentrasi ( atoms G m1 . 'Gm $

6umlah atom yang berdifusi dalam satuan 8aktu melalui satu satuan luas penampangsepanjang satu satuan gradient kosentrasi disebut difusitas atau koofisien difusi. Sedangkan

koofisien difusi bisa dihitung menggunakan persamaanArrhenius:

= -).

/o/ eHp. ( * $

Dimana : D F koefisien difusi (m*Gs$

Do F >oefisien difusi pada keadaan standar (m*Gs$

I F Jnergi aktiasi: energi yang digunakan untuk memindahkan atom keposisi yang

baru dalam kisi kristal (6Gmol$

3 F >onstanta gas (9)1'; 6G(mol.o>$ atau ')/97 kalG(mol>$$

T F Temperatur absolut (>$


6/13

Persamaan ini tidak dapat menjelaskan perubahan konsentrasi yang terjadi akibat

pengaruh difusi) sehingga penggunaan hukum Fick0s K hanya terbatas pada konsentrasi yang

dianggap sama pada setiap posisi (stead$ state$. Sehingga untuk menjelaskan perbedaan

konsentrasi yang terjadi terhadap 8aktu (non stead$ state), Fick0smensubstitusikan hukumFick0s

K yang dikenal dengan hukumFick0sKK sebagai berikut:

*

*

1

/

t

**

*

=

(1$

Persamaan ini merupakan profil konsentrasi antara jumlah perubahan komposisi terhadap 8aktu)

dimana*

*

1

*

diinterpretasikan dalam bentuk grafik sederhana berupa kura konsentrasi dengan

jarak tertentu) dapat dilihat pada gambar !.

ambar !. Profil konsentrasi difusi non stead$ state

Sumber : &allister) '//7 : 119.

+plikasi dari batas kondisi persamaan (1$ dapat dilihat pada persamaan berikut:

=

/t

1er&

s

1

*'

"

"

(;$

Dimana : &HF konsentrasi pada jarak H

&sF konsentrasi permukaan yang diperoleh pada 8aktu tertentu

&oF konsentrasi pada t F " (kondisi a8al$

/t

1er& * F Gaussian error &unctionyang disimbolkan dengan L dapat dilihat pada

lampiran

6arak rata-rata difusi merupakan fungsi akar kuadratis terhadap 8aktu dengan persamaan

H F /t (!$

Dimana:

H : jarak difusi (mm$

D : koefisien difusi (m*Gs$

t : 8aktu proses difusi (s$

>oefisien difusi (Do$ dan energi aktiasi (I$ dapat dilihat pada tabel '.

Tabel '. >onstanta dan Jnergi aktiasi unsur nitrogen dan karbon


7/13

Jlemen yang berdifusi Do ( cm*Gs$ I (>jGmol$

&arbon in && e

itrogen in e

*.'"-'

1 H '"-1';*

7#

Sumber : 6.&. +nderson) '//" : '1'

+da * macam mekanisme difusi atom kedalam kisi-kisi kristal) yaitu :

1. Mekanisme larutan sutitusi

?erpindahnya atom pada kisi kristal dari posisi atom yang satu ke posisi atom yang

lainnya dan kondisi tersebut dipengaruhi oleh peluang kosongnya kedudukan tersebut ( yang pada

gilirannya sebanding dengan fraksi kekosongan dalam kristal $ dan besarnya energi aktifasi yang

dibutuhkan untuk pindah posisi atom. Mekanisme difusi subtitusi dapat dilihat pada gambar #.

2acanc$ motion

Atom motion

ambar #. Difusi Substitusional

Sumber : 6ames P Schaffer) '/// : '*/

!. Di"usi Interstisial

Pengangkutan atom melalui kisi berlangsung dengan berbagai cara) istilah difusi

interstisial menggambarkan keadaan ketika atom tidak lagi bergerak disekitar kisi kristal namun

menempati posisi intersisi . Pada mekanisme intertisial ukuran atom yang akan bersifusi harus

lebih kecil daripada matrik atomnya) seperti difusi atom hidrogen) oksigen) karbon dan nitrogen

kedalam besi . Mekanisme difusiKnterstisial dapat dilihat pada gambar 7.

ambar 7. Difusi KntertisialSumber : Ailliam Smith) '/7/ : '!7

Knterstitial atom

diffusing into

Knterstitial acancy


8/13

aktor-faktor yang mempengaruhi difusiitas antara lain :

'. Tipe dari mekanisme difusi.

Proses difusi secara intersisi atau subtitusi memberikan efek terhadap koofisien difusi.

2ntuk difusi interstisi atom yang kecil dapat bergabung ke dalam kisi kristal pada atom pelarut

yang lebih besar) seperti nitrogen berdifusi intersisi pada struktur kristal ?&& atau &&.

Sedangkan contoh proses difusi subtitusi adalah atom tembaga berdifusi ke dalam aluminiumsebagai atom pelarut dimana dimensi dari kedua atom tersebut sama besar.

*. Tipe struktur kristal dari kisi pelarut.

Struktur kristal ?&& mempunyai faktor tumpukan ")#9 yang lebih rendah dibandingkan

&& yaitu ")7;. Sehingga ruang antar atom pada ?&& lebih lebar daripada && sehingga atom

karbon mudah berdifusi pada struktur ?&& daripada &&.

1. +danya cacat kristal

Difusi berjalan lebih cepat melalui batas butir karena merupakan merupakan daerah

dengan cacat kristal) dapat dilihat pada gambar 9.

ambar 9. Difusi atom pada batas butir

Sumber : &allister) '//7 : '7*.

;. Temperatur difusi.

Suhu yang lebih tinggi menghasilkan difusiitas yang tinggi) atom@atom memiliki energi

termal yang tinggi. =leh karena itu besar kemungkinan untuk melampaui hambatan antara atom-

atom. 2kuran atom relatif lebih kecil dari pada ukuran atom +l) sehingga mudah masuk ke kisi

kristal +l dan bertindak sebagai atom interstisi. Tabel * memperlihatkan ukuran atom

dibandingkan dengan ukuran atom +l.

Tabel *. 2kuran atom +l dan

Jlemen 3adius atom(nm$

+l

")';1'

")"7*

Sumber : 6.&. +nderson) '//" : !"".

Selama proses difusi berlangsung ) terjadi dua proses yang berlangsung serentak yaitu

peningkatan kadar nitrogen permukaan dan penetrasi nitrogen ke dalam material. Dengan

mengatur pemasukan gas) temperatur dan 8aktu proses) maka dapat diperoleh kadar nitrogen

permukaan dan kedalaman lapisan yang diinginkan. Pengaruh penambahan nitrogen pada

permukaan adalah untuk menaikkan kekerasan dan ketahanan aus.

I#. KEAUSAN MATERIAL


9/13

>eausan merupakan proses hilangnya bagian dari material satu atau dua permukaan

material padat yang mengalami kontak akibat gesekan relatif yang berupa gesekan (sliding$

ataupun gelinding (rolling$. 0ilangnya bagian material tersebut biasanya berlangsung sangat

lambat tetapi bekerja secara terus menerus danstead$(?hushan) *.*$.

=leh karena itu keausan merupakan faktor penting yang dapat memperburuk proses

permesinan pada bagian yang bergerak. 6ika hal tersebut dibiarkan maka akan berpengaruhterhadap umur (li&e time$ dan kinerja suatu komponen.

$enis keausan

6enis-jenis keausan dibedakan menjadi:

1. KeausanAd"esi#e

>eausan adhesi'e sering juga disebut sebagai galling atau scu&&ing) terjadi jika kontak

antar kedua permukaan (sur&ace$ diberi gaya bersama dan bergerak relatif satu dengan yang

lainnya. 4aju keausan tersebut dipengaruhi oleh beban yang bekerja dan tingkat kekerasan

material (+rchad)'/9"$. Semakin besar beban yang diberikan dan gesekan (&riction$ antar

permukaan berlangsung terus menerus maka akan menurunkan ketahanan aus. Mekanisme

>eausan adhesi'edapat dilihat pada gambar /.

ambar /. >eausanAdhesi'e

Sumber : ?hushan) '//' : *.'7

!. KeausanAbrasi#e

>eausan abrasi'edisebabkan oleh partikel yang terjebak antara dua permukaan yang

bergerak. +danya partikel tersebut bisa bersendiri-sendiri atau bersamaan dengan gas) cairan atau

pelumas. >eausan yang disebabkan oleh abrasi'e adalah yang paling berbahaya diantaramekanisme keausan yang ada. Pada keausan abrasi'epartikel bisa dianggap sebagai alat potong

dimana kekerasan) ukuran dan bentuk partikel akan mempengaruhi laju keausan. Mekanisme

>eausan abrasi'edapat dilihat pada gambar '".


10/13

ambar '". >eausanAbrasi'e

Sumber : 888. ordonengland. &o.uk.

%. Keausan Fati$ue

>eausan terjadi karena pembebanan yang berulang-ulang pada permukaan logam sehinggamenimbulkan microcrack pada permukaan material yang lebih lunak. 2ntuk mengatasi hal

tersebut biasanya dipilih material yang lebih keras dengan keuletan yang tinggi. Mekanisme

>eausan&ati"uedapat dilihat pada gambar ''.

compression

3icrocrack

ambar ''. >eausanFati"ue

Sumber : ?hushan) '//' : *.'/

&. Keausan Fretting

>eausan ini terjadi karena pasangan material yang disebabkan karena adanya getaran danbukan karena gerakan relatif dari material. >eausan fretting biasanya terjadi pada dua sambungan

material yang mengalami ibrasi) seperti pada sambungan keling. Mekanisme >eausan &retting

dapat dilihat pada gambar '*.

ambar '*. >eausan reetting

Sumber : ?hushan) '//' : *.*'

'. Keausan Corrosi#e

olid sur&ace Aemo'al o&

material

olid sur&ace *


11/13

>eausan corrosi'e ini disebabkan karena adanya pengaruh lingkungan dengan pasangan

permukaan material. +da dua tahap terjadinya keausan jenis ini) yaitu:

Tahap pertama) yaitu kontak permukaan material dengan lingkungannya akan

menghasilkan pembentukan keausan pada permukaan.

Tahap kedua) yaitu terjadinya keausan akibat dari reaksi akan menghasilkan retak (crack$

pada permukaan materialMekanisme >eausan corrosi'e dapat dilihat pada gambar '1.

ambar ';. >eausan orrosi'e

Sumber : ?hushan) '//' : *.*"

(. KeausanErosi#e

Pengikisan permukaan material atau komponen yang disebabkan oleh partikel padat yang

terba8a oleh media cairan atau gas yang dile8atinya. ?esarnya laju keausan erosi'e tergantungdari dimensi partikel) besarnya energi tumbukan dan sudut tumbukan. Mekanisme >eausan

erosi'e dapat dilihat pada gambar ';.

ambar ';. >eausanErosi'e

Sumber : www. Gordonengland. o.uk.


12/13

#. METODE PENGU$IAN KEAUSAN

Pengujian keausan yang dilakukan menggunakan metode +G+% dengan prinsip

piringan putar (re'ol'ing disk)sebagai media penggesek pada alat uji keausan akan menggesek

permukaan sampel uji) gesekan tersebut akan menghasilkan jejak keausan pada bagian yang lebih

lunak.Skema uji ketahanan aus ditunjukkan seperti gambar '!.

4aju keausan dapat dihitung sesuai dengan rumus berikut (?husan) '//':*.'#$:

luncur4arak

2olumekeausan!a4u = (#$

Perhitungan olume berdasarkan pengukuran kehilangan berat:

52olume

= (7$

Dimana:

5 F Selisih berat (gram$

N F berat jenis aluminium (gramGmm1$

6arak luncur dapat dihitung sesuai dengan rumus berikut:t'luncur6arak .= (9$

Dimana:

F kecepatan piringan pengaus (mGmenit$

t F 8aktu (menit$

6adi laju keausan dapat dihitung sesuai dengan rumus berikut:

t'

5

luncur4arak

2olumekeausan!a4u

..

== (mm1Gm$ (/$

KEPUSTAKAAN

+nderson) 6.&. '//".3aterial cience. ourth Jdition. 4ondon : &hapman and 0all.?harat) ?hushan 5 upta) ?.>. '//'. andbook o& ribolog$ 3aterials, coatings, and ur&ace

reatments.e8 Oork: Mc. ra8 0ill.

ambar '!. Skema uji ketahanan aus

Disk Pengaus

Spesimen 2ji

?

r


13/13

&allister. 6r) Ailliam.D. '/9!.3aterial cience and Engineering. ourt Jdition. Singapore : 6ohn

Ailey and Sons Knc.

4eppanen) 3ainer 5 6onsson) 0akan. '///. Properties o& Nitrided ompenents.=ako Steel.

S8eden.

Moraes) Mello. *""'. Predicting 3icrostructure /e'elopment /uring igh emperature

Nitriding o& 3artensitic tainless teels 7sing hermodinamics 3odeling. ?raLil :2niersity of Sao Paolo.

Priest) 6.M. *""". tudies in low pressure plasma nitriding.Knggris : 2niersity of e8 Jngland.

3eynoldson. 3.A.'/9/. eat reatment in Fluidi#ed Furnace. Melbourne: &ammoran

Publishing.

Smith) Ailliam..'//1". Foundation +& 3aterial cience and Engineering. ifth Jdition.

Singapore : Mc.ra80ill Knc.

888 .getottenassociates.com .

888. Gordonengland. &o.uk.

akharo) ?. '/#*.eat reatment o& 3etals.Mosco8 : Peace Publisers.
http://www.getottenassociates.com/http://www.getottenassociates.com/http://www.getottenassociates.com/http://www.getottenassociates.com/

case hardening

Documents

aktif l aluminium nitrides