C. Pembahasan khusus Pengerasan baja karbon rendah dengan proses Chromizing
Baja karbon banyak digunakan dalam alat-alat industri dan alat-alat mekanis karena baja karbon banyak diproduksi dan harganya memang relatif lebih murah dan juga memenuhi syarat teknis tetapi kelemahan dari baja karbon adalah mudah terkorosi. Salah satu cara untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah proses pelapisan dengan cara mendifusikan atom-atom logam pelapis ke dalam logam utama dan karena temperatur proses yang cukup tinggi maka atom-atom logam pelapis yang berdifusi ke dalam logam utama membentuk larutan padat dan senyawa logam lainya. Proses ini disebut dengan diffusion coating atau pelapisan difusi. difusi. Proses pelapisan pelapisan difusi ada bermacam-macam bermacam-macam yaitu ; Nitriding Nitriding (pelapisan dengan dengan nitrida), nitrida), Carburising Carburising (pelapisan (pelapisan dengan dengan karbon), karbon), Calorising Calorising (pelapisan (pelapisan dengan aluminium), Chromising (pelapisan dengan khrom). Pada proses Nitriding dan Karburising biasanya digunakan untuk mendapatkan lapisan permukaan yang keras. Pros Proses es chro chromi mizi zing ng sela selain in meni mening ngka katk tkan an mamp mampu u
kera kerass
juga juga untu untuk k
meningkatkan ketahanan terhadap serangan korosi suatu logam dan meningkatkan ketahanan aus logam. Baja karbon yang dilapisi khrom akan tahan korosi sebab lapisa lapisan n kromiu kromium m bereak bereaksi si dengan dengan oksige oksigen n memben membentuk tuk selaput selaput tipis tipis kromiu kromium m oksida yang sangat stabil dan akan melindungi logam yang berada di dalamnya sehingga terhadap serangan korosi berikutnya. Pada proses chromizing hasil yang optimu optimum m banyak banyak dipe dipenga ngaruh ruhii oleh bebe beberap rapaa faktor faktor pemanasan dan lama pemanasan.
antara antara lain lain temper temperatur atur
A. Chro Chromi mizi zing ng
Pengertian Pengertian secara umum umum chromizing chromizing adalah pelapisan pelapisan logam kromium kromium keperm kepermuka ukaan an permuk permukaan aan benda benda utama. utama. Pelapi Pelapisan san logam logam kromiu kromium m dapat dapat dilakukan dilakukan dengan cara plating plating atau biasa dikenal dikenal dengan dengan elektroplatti elektroplatting ng dan dengan difusi. Pelapisan dengan difusi akan lebih kuat dibanding dengan cara elektroplatting. Pelapisan yang dilakukan dengan elektroplatting hanya akan terjadi terjadi ikatan adhesi adhesi,,
antar permuka permukaan an logam logam dasar dasar dan logam logam pelapisn pelapisnya, ya,
sehingga kekuatan lapisan tidak terlalu kuat. Sedang pelapisan dengan proses chromi chromisin sing g
akan akan terjadi terjadi proses proses difusi difusi atom kromium kromium ke logam logam dasar.
Sehing Sehingga ga lapisa lapisan n permuk permukaan aan akan akan sangat sangat kuat kuat dan terjad terjadii proses proses alloyi alloying ng ( perpaduan dua buah antara ogam dasar dan logam yang melapisi). Proses pack chromising pada prinsipnya sama s ama dengan proses pack carburizing. Pada proses ini bahan baja yang akan dilapis dibungkus dalam bubuk yang mengandun mengandung g Kromium Kromium (Cr 2O3) dan dan baha bahan n gara garam m hali halida da sepe sepert rtii NH4CL, NH4Br dan NH4I. Pena Penamb mbah ahan an amon amoniu ium m klor klorid idaa dima dimaks ksud udka kan n untu untuk k membentuk gas aktif (Actifator) yang membantu mempercepat proses difusi atom-atom Cr ke dalam baja. B. Proses Proses Penel Peneliti itian an Chromi Chromizin zing g
Pada penelitian chromizing baja variabel yang dibuat konstan adalah : Konsen Konsentras trasii kromium kromium
95%, 95%, konsentr konsentrasi asi aktivat aktivator or NH 4Cl
5%., 5%., juml jumlah ah
campuran bahan-bahan yang diisikan kedalam silinder (wadah) untuk sekali proses sebanyak 40 gram. Jenis material logam dasar ( base metal )dan ukuran benda uji : baja karbon rendah dengan ukuran diameter 25,4 mm dan tebal 20
mm.
Lama Lama pemana pemanasan san 10 jam., jam., dengan dengan media media pendin pendingin gin air.Sed air.Sedang angkan kan
variabel yang tidak konstan adalah : Temperatur pemanasan dibuat bervariasi bervariasi 900, 950, 1000, 1050 dan 1100ºC 1. Diag Diagra ram m alir alir pen penel elit itia ian n
Jala Jalann nnya ya pene peneli liti tian an agar agar dapa dapatt tera terara rah h dibu dibuat at diag diagra ram m alir alir penelitian seperti gambar 1. Logam Dasar
Pengujian Awa l uji Komposisi Kimia uji Kekerasan Vickers
Persiapan material Pemotongan Pengamplasan Pencucian
Struktur Mikro
Pengujian Akhir uji Kekerasan Vickers pengukuran tebal Lapisan Struktur Mikro
Data dan Pembahasan
Proses Pelapisan Difusi Pack Difusion Coating Powder : Cr2O3 & NH4Cl Waktu pemanasan 10 jam Variabel Temperatur pemanasan = 900, 950, 1000, 1050, 1100oC Kesimpulan
Gambar 1. Diagram alir penelitian
2. Persi Persiapa apan n Media Media Chromi Chromizin zing g
Untu Untuk k mene menent ntuk ukan an ukur ukuran an samp sampel el dan dan tabu tabung ng baja baja haru haruss memp memperh erhitu itung ngka kan n
kebu kebutu tuha han n
baha bahan-b n-bah ahan an medi mediaa
chro chromi mizi zing ng yang yang
diperlukan diperlukan.. Hal ini penting penting karena karena perlu mempertimbangk mempertimbangkan an mahalnya mahalnya bubuk kromium oksida (Cr 2O3) sebagai sebagai sumber sumber pelapis pelapis dan Amonium klorida (NH4Cl) sebaga sebagaii aktiva aktivator tor pelapi pelapiss disamp disamping ing itu juga juga agar agar cara penelitian dapat efisien, efektif dan ekonomis.
a. Perhit Perhitung ungan an media media chromiz chromizing ing adalah adalah sebaga sebagaii berikut berikut :
Cr 2O3 : NH4Cl = 38 gram : 2 gram b. Material dasar (base metal) ; Baja karbon rendah St37 dengan komposisi kimia sebagai berikut:
Tabel 1. Prosentase Komposisi Material Dasar (Base Metal) St St 37 Fe = 99,31 Si = 0,055 V < 0,001
C = 0,118 Cu < 0,004 Al < 0.002
Mn = 0,375 Ni = 0,026 W = 0,046
P = 0,017 Cr = 0,021 Co = 0,007
S = 0,015 Mo < 0.004 Nb = 0.006
3. Hasil Hasil Penel Peneliti itian an dan dan Pemba Pembahas hasan an
a. Tahapa Tahapan n Pemb Pembent entuka ukan n Loga Logam m Pelap Pelapis is
Reak Reaksi si yang yang terj terjad adii dala dalam m camp campur uran an krom kromiu ium m dan dan amon amoniu ium m klorida selama proses difusi adalah sebagai berikut : Reaksi Penguraian NH4Cl NH4Cl (s)
NH3(g) + HCl(g)
Reaksi pembentukan garam kromium 6HCl+2Cr (pack) CrCl3 + 2Cr (pack)
2CrCl3 + 3H2(g) 3CrCl3
Reaksi Reaksi peresap peresapan an kromiu kromium m pada pada pemuka pemukaan an baja. baja. Reaksi Reaksi yang yang terj terjad adii beru berupa pa reak reaksi si pert pertuk ukar aran an temp tempat at (sub (subti titu tusi si difu difusi sion on ) yang yang menyebabk menyebabkan an terjadinya terjadinya pelepasan atom-atom atom-atom kromium kromium dengan reaksi reaksi sebagai berikut : a) disp displa lace ceme men n react reactio io 2CrCl3 + 3 Fe
2CrFe (alloy) + FeCl2
b) displacemen reaction 3FeCl2(g) + 5Cr (pack)
3CrFe(alloy) + 2CrCl3(g)
c) disp dispro ropo porsi rsion onal al reacti reaction on 3CrCl (g) + 2Fe (substrat) d) disc discom ompo posis sisio ion n react reactio ion n
CrCl3 (g) + 2CrFe (alloy)
2CrCl (g) + 2Fe(substrat)
2CrFe(alloy) + Cl2 (g)
e) Redu Reduct ctio ion n react reactio ion n 2CrCl (g) + H2 (g) (substrat)
2CrFe(alloy) +2HCl(g)
Proses reaksi tersebut terjadi dalam bejana tertutup dan berlangsung terus seiring dengan waktu pemanasan, konsentrasi kromium. Bila unsur kromium ditambahkan pada baja karbon, maka atom karbon dan atom besi berkoordinasi dengan atom kromiu kromium m sehing sehingga ga kadar kadar karbon karbon
eutekt eutektoid oid dan temper temperatu aturr eutekt eutektoid oid berubah. berubah.
kromium menaikkan temperatur eutektoid karena kromium berbentuk BCC (body centered cubic), sehingga merupakan penstabil ferit dalam baja. Kromium dalam baja akan larut dalam bentuk Tukar Tempat ( subtitusion ), selain itu juga akan membentuk karbida krom. Cr yang berdisfusi adalah pada persamaan (6) dan (7) yaitu CrFe sebagai logam paduan.
4. Peng Penguj ujia ian n Kek Keker eras asan an
Peng Penguj ujia ian n
keke kekera rasa san n
meng engguna gunak kan
Mik Mikro
Hard Hardne ness ss
Teste ester. r.
Pengujian Pengujian kekerasan kekerasan pada permukaan lapisan (coating) (coating) hasil pengujian kekerasan lihat pada gambar 3, pada permukaan lapisan terlihat bahwa setelah proses chromizing kekerasan tertinggi yaitu pada pemanasan 1100 o
C sebesar 257 HV dibanding dibanding sebelum sebelum chromizing chromizing yaitu pada base metal
sebesar 170 .Pengaruh temperatur terhadap kekerasan permukaan lapisan akan akan
meni mening ngka katt
deng dengan an
naik naikny nyaa
temp temper erat atur ur..
Kena Kenaik ikan an
ters terseb ebut ut
dikarenakan temperatur yang tinggi akan meningkatkan koefisien difusi dari dari atom-at atom-atom. om. Dengan Dengan mening meningkat katnya nya kemamp kemampuan uan difusi difusi suatu suatu atom atom maka maka akan akan semak semakin in bany banyak ak atom atom-at -atom om Cr yang yang berd berdif ifus usi. i. Cr yang yang
berdifusi masuk menyebabkan logam menjadi sebuah logam paduan pada permukaan. Adanya unsur paduan dilakukan dengan proses difusi dengan sendir sendiriny inyaa akan akan mening meningkat katkan kan kekera kekerasan san logam. logam. Karena Karena pening peningkat katan an kekerasan suatu logam dapat dilakukan dengan penambahan unsur paduan. Adanya Adanya atom-atom atom-atom asing menyebabka menyebabkan n terjadinya terjadinya distorsi pada daerah dimana dimana atom-a atom-atom tom tersebu tersebutt berada berada.. Distor Distorsi si dengan dengan sendir sendiriny inyaa akan akan meningkatkan kekerasan logam.
260 250
) V H 240 ( n 230 a s a r e 220 k e K 210
255
257
1050
1100
248 234 225
200 900
950
1000
Tempe ratur ( C )
Gambar 2. Pengaruh Tempertur pemanasan terhadap Kekerasan Permukaan Lapisan Pengujian pada kondisi permukaan lapisan hingga ke material dasar. Hasil pengujian kekerasan yang dilakukan pada lapisan (coating) sampai ke material dasar (base metal) dengan interval jarak ; 0,03 mm ; 0,06 mm ; 0,09 mm ; 0,12 mm ; 0,18 mm dan 0,24 mm seperti terlihat pada tabel 2. Dari hasil pengujian kekerasan terhadap kedalaman proses difusi atom-atom adalah pada bagian bagian yang paling paling tepi mempunyai mempunyai kekerasan kekerasan yang lebih lebih tinggi, selanju selanjutny tnyaa pada pada pengu pengujian jian di titik titik yang yang lebih lebih dalam dalam kekeras kekerasann annya ya menuru menurun, n,
terlihat terlihat pada Gambar grafik grafik 4. Ini terjadi karena pada daerah daerah yang dekat dengan dengan permukaan konsentrasi kromiumnya lebih besar dibandingkan dengan bagian dalam, dimana konsentrasinya turun. Dengan Dengan turunnya konsentrasi konsentrasi atom-atom Cr maka maka deng dengan an sendi sendiri riny nyaa akan akan menu menuru runk nkan an keke kekera rasan san.. Indi Indika kasi si peng pengar aruh uh perubahan kekerasan ini dapat dijadikan pedoman berapa jauh atom-atom Cr dapat berdifusi ke dalam base metalnya.
Tabel 2. Distribusi kekerasan lapisan (coating) Jarak
K ekeras an Set elah Chromis ing (H V)
Pengukuran
Sebelum
T = 900 C
T = 950 C
T = 1000 C
T = 1050 C
T = 1100 C
(mm)
Chromising
t = 10 jam
t = 10 jam
t = 10 jam
t = 10 jam
t = 10 jam
0.03
168.60
193.30
243.80
229.40
243.80
222.40
0.06
172.20
175.20
234.10
224.90
220.60
218.40
0.09
166.40
165.70
176.00
211.20
202.40
212.20
0.12
187.80
160.90
163.36
188.10
188.10
184.70
0.18
179.10
154.40
160.90
163.36
188.10
181.50
0.23
177.50
152.50
162.30
167.80
177.50
172.20
300.00
250.00
200.00
a s e n r 150.00
100.00 0.03
0.06
0.09
0.12
0.18
0.23
Jarak Pengukuran Pengukuran ( mm)
Bahan awal
Temp = 900 C
temp = 950 C
Temp = 1000 C
Temp = 1050
Temp = 1100
Gambar 3. Distribusi kekerasan terhadap jarak pengukuran dari permukaan lapisan hingga benda uji (base metal) bagian dalam
Dari struktur mikro yang ada dapat dilihat bahwa pada temperatur yang lebih tinggi tebal lapisan yang terbentuk lebih tebal. tebal. Hal disebabkan karena karena pada temperatur yang lebih tinggi akan mempunyai kecepatan difusi yang lebih cepat. Berdasar ketentuan bahwa persamaan (8). Dengan meningkatnya temperatur akan meningkatkan koefisien difusi. Dari rumus diatas jika temperatur pemanasan dinaikkan, dengan koefisien difusi, panas jenis dan konstanta gas yang konstan maka harga difusifitas (D) meng mengal alam amii
peni pening ngka kata tan. n.
Deng Dengan an
naik naikny nyaa
difu difusi sisi sita tas, s,
seda sedang ngka kan n
wakt waktu u
pemanasannya konstan perubahan tebal lapisan akan ditentukan dari peningkatan difusisitas. difusisitas. Semakin besar difusisitas difusisitas maka kedalam kedalam difusi menjadi lebih besar, hal ini dapat dilihat dari persamaan (7).
(a). base metal
(b) Temperatur 900oC
(c) Temperatur 950 oC
(e) Temperatur 1050 oC
(d) Temperatur 1000 oC
(f) Temperatur 1100 oC
Gambar 4. Foto Struktur mikro dan lapisan hasil proses chromizing dengan variasi temperatur perbesaran 200 x 5. Kesimpulan
Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan antara lain : a. Harg Hargaa
keke kekeras rasan an rata rata-ra -rata ta perm permuk ukaa aan n
juga juga meni mening ngka kat, t, sebel sebelum um
proses chromizing kekera kekerasan san rata-ra rata-rata ta permuk permukaan aan adalah adalah 170 HV, setelah chromizing keke kekeras rasan an ratarata-ra rata ta teren terenda dah h dipe dipero role leh h pada pada pemanasan dengan temperatur 900 C sebesar 225 HV dan kererasan °
yang yang paling paling tinggi tinggi dihasil dihasilkan kan pada pada pemana pemanasan san dengan dengan temper temperatu atur r 1100 C sebesar 257 HV. °
b. Kedalaman difusi atom-atom Cr berdasarkan pengukuran kekerasan dapat mencapai 230 μm.(dimana kekerasan mulai menurun menyamai logam induknya). c. Semaki Semakin n tinggi tinggi temper temperatu aturr pemana pemanasan san dengan dengan waktu waktu yang yang konstan konstan maka tebal lapisan
kromium kromium yang terbentuk terbentuk lebih tebal, untuk
temperatur temperatur pemanasan pemanasan 9000C terb terben entu tuk k lapi lapisa san n seteb setebal al 40 μm dan dan temperatur pemanasan 11000C terbentuk lapisan setebal 83 μm. d. Stru Strukt ktur ur mikr mikro o baha bahan n sete setelah lah pros proses es relat relatif if teta tetap p tida tidak k meng mengal alam amii perubahan, yaitu tetap ferit. Tatapi mengalami perubahan besar butir yaitu semakin besar.
