SIMETRI, Jurnal Ilmu Fisika Indonesia. Volume 1 Nomor 1(B) Mei 2012.
Pengerasan Permukaan Baja Karbon Rendah ST37 dengan Metode Boronisasi.
SIMETRI, Jurnal Ilmu Fisika Indonesia
Volume 1 Nomor 1(B) Mei 2012
Pengerasan Permukaan Baja Karbon Rendah ST37 dengan Metode Boronisasi Sutrisno1 dan Bambang Soegijono2 1 2
Program Studi Fisika, UIN Syarif Hidayatullah Jakarta, Indonesia; e-mail:
[email protected] Pusat Riset Ilmu Material, Universitas Indonesia, Jakarta, Indonesia
Intisari: Sifat mekanik seperti kekerasan mikro dari lapisan borida yang terbentuk pada baja karbon rendah St37 melalui proses boronisasi telah diselidiki. Proses ini dilakukan dalam medium padat terdiri dari serbuk B4C 50% sebagai donor, SiC 45% sebagai pengencer, dan 5% KBF4 sebagai aktivator pada suhu 1000◦ C selama 8 jam. Fase yang terbentuk pada sampel baja adalah lapisan Fe2B dan FeB yang memiliki morfologi bentuk yang halus dan datar. Kekerasan mikro lapisan besi borida yang terjadi adalah 700 HV, hampir enam kali lipat kekerasan semula yang besarnya 123,82 HV. Lapisan besi borida terbentuk pada kedalaman 20 sampai 60 µm, yang mengarah ke proses difusi yang terkendali.
Kata kunci: boronisasi, lapisan besi borida, baja St37 , kekerasan mikro Abstract: The property such as microhardness of boride layer formed on ST37 iron was investigated. Boronizing was carried out in a solid medium consisting of nano size powders of 50% B4C as a donor, 45% SiC as a diluent, and 5% KBF4 as an activator treated at the temperature of 1000◦ C for 8 hours. The phases that were formed on the substrate was found as Fe2B and FeB layer that had smooth and flate shape morphology. The hardness of boride layer on ST37 was over 700 HV, while the hardness of untreated ST37 iron was about 123,82 HV. Depending on process time and temperature, the depth of boride layer ranges from 20 to 60 µm, leading to a diffusion controlled process. Keywords: boronizing, borides, ST37 iron, microhardness Received : 15 Maret 2012; Accepted : 10 April 2012
1
PENDAHULUAN
oronisasi termokimia dapat menghasilkani B lapisan Fe2B, FeB tunggal, atau keduanya secara bersamaan yang dapat digunakan terutama untuk meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan aus [1] . Boronisasi merupakan proses difusi termokimia yang dapat diterapkan untuk berbagai macam bahan termasuk logam besi, logam non- besi dan beberapa paduan super. Boronisasi permukaan baja dapat mengurangi besarnya kecepatan korosi dan untuk meningkatkan kekerasan permukaan. Perlakuan difusi termal senyawa boron digunakan untuk membentuk borida besi dan biasanya membutuhkan suhu proses antara 700 dan 1000◦ C. Proses ini dapat dilakukan dalam medium padat, medium cair atau gas. Metode yang paling sering digunakan adalah boronisasi serbuk yang mirip dengan proses karburasi [2] . Difusi boron ke permukaan paduan logam yang dipilih menciptakan zona reaksi padat dari borida logam. Efek ini menghasilkan sifat permukaan yang lebih keras [3] . Difusi boron ke dalam baja membentuk borida besi FeB dan Fe2B, dan ketebalan lapisan boride ditentukan oleh suhu dan lama pemanasan. Bic 2012 SIMETRI
asanya bergantung pada suhu proses, komposisi kimia dari bahan logam, potensi boron medium dan waktu boronisasi. Fase tunggal Fe2B atau dua fase intermetalik dari FeB dan Fe2B diperoleh dengan atom boron menyebar ke permukaan bahan logam [4,5] . Secara umum, pembentukan fase tunggal Fe2B dengan bentuk morfologi seperti gigi gergaji lebih diinginkan dari pada lapisan dua fase FeB dan Fe2B untuk aplikasi industri [6] . Melalui pengendalian parameter proses boronisasi, komposisi serbuk, dan waktu pemanasan, fase Fe2B dapat secara konsisten dicapai selama boronisasi . Lapisan Fe2B tunggal menghasilkan ketahanan aus yang unggul dan sifat mekanik yang tinggi [7] . Ada dua karakteristik lapisan besi boride, yaitu : (i) kekerasan tinggi yang diharapkan dapat memberikan ketahanan aus yang tinggi, dan (ii) morfologi kolumnar yang diperlukan untuk adhesi yang baik antara lapisan borida dan sampel baja. Baja boronisasi menunjukkan kekerasan jauh lebih tinggi (HVN 16002000) dari baja carburisasi atau nitridasi (HVN 650900) [5] . Secara khusus, baja boronisasi menunjukkan ketahanan yang sangat baik untuk berbagai mekanisme keausan. Secara umum, campuran boronisasi komer1106-26
Sutrisno & Soegijono/Pengerasan Permukaan Baja . . .
SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12
sial mengandung B4C sebagai donor, KBF4 sebagai penggerak dan SiC sebagai pengencer yang mengendalikan potensi boronisasi dari media [8] . 2
PROSEDUR EKSPERIMEN
Sampel dasar yang digunakan untuk penelitian ini adalah baja karbon rendah St37 dengan komposisi kimia: 0,17% C ; 0,30% Si ; 0,20 - 0.50% Mn, P dan S masing-masing 0.05% dan 0.05% [6] . Pengujian dilakukan pada potongan baja berbentuk silinder berdimensi 11 mm dan 12 mm. Sebelum boronisasi, semua sampel dipoles menggunakan kertas poles halus untuk mendapatkan permukaan akhir yang baik. Kekerasan Vickers dari besi yang tidak diboronisasi adalah 123.82HV [6] . Perlakuan panas dalam boronisasi dilakukan dengan menggunakan metode serbuk yang berdiameter kurang dari 1 m. Campuran serbuk ini terdiri dari B4C 50%, 5% KBF4 dan SiC 45% yang mengendalikan potensi medium boronisasi. Sampel yang akan diboronisasi dikemas dalam serbuk campuran dan ditekan dengan kekuatan 5 ton. Percobaan boronisasi dilakukan dalam pemanas hambatan listrik dalam kondisi vakum pada suhu 1000◦ C selama 8 jam dan didinginkan secara alami di udara. Keberadaan borida yang terbentuk pada permukaan baja St37 dikarakterisasi dengan Shimadzu X-ray difraktometer (XRD 7000) dengan sumber radiasi Ka Cu dan panjang gelombang 1.541˚ Apada rentang sudut 2θ berkisar antara 40◦ sampai dengan 90◦ . 3
HASIL DAN PEMBAHASAN
Secara umum hasil boronisasi dapat membentuk lapisan Fe2B satu fasa pada permukaan sampel dasar baja karbon.
Gambar 1: Skema gambar Vickers indentor digunakan untuk menguji kekerasan mikro [5]
Gambar 2 menunjukkan morfologi dari mikroskop optik lapisan borida pada baja St37 dengan metode boronisasi padat. Dalam gambar ini,“a” merupakan
Gambar 2: Morfologi lapisan besi borida hasil difusi yang membentuk lapisan lebih keras (warna putih) dibandingkan lapisan dibawahnya
sebuah lapisan besi borida dan “b” merupakan sampel dasar baja St37. Pertumbuhan lapisan didominasi oleh difusi boron ke dalam sampel dasar dengan membentuk fase Fe2B dan FeB. Tergantung pada waktu proses dan suhu, kedalaman lapisan boride berkisar 20 sampai 60µm. Pengukuran kekerasan mikro dilakukan pada lapisan borida di bagian penampang irisan dan sampel baja untuk membandingkan kekerasan lapisan borida dan sampel baja yang tidak mengalami difusi. Sebuah mikrograf optik termasuk tanda indentasi Vickers digunakan nuntuk menguji kekerasan mikro. Hasil pengukuran kekerasan lapisan borida jauh lebih tinggi dari pada lapisan sampel baja yang tidak mengalami boronisasi. Menurut diagram fase Fe-B , lapisan yang diperoleh terdiri dari FeB boride ortorombik dan Fe2B boride tetragonal, yang membentuk morfologi kolumnar yang tumbuh di arah preferensial [2] , karena kepadatan maksimum dari atom boron ke arah itu. Dalam studi ini, borida terbentuk pada permukaan sampel baja St37 memiliki morfologi datar (gambar 2). Dua daerah yang diidentifikasi pada penampang irisan lapisan borida baja St37 menunjukkan dua lapisan dengan kekerasan yang berbeda (gambar 3). Pertama, lapisan permukaan dengan fase Feb dan Fe2B, dan kedua lapisan baja St37 yang tidak terpengaruh oleh boron untuk membentuk lapisan besi borida. Pengukuran kekerasan dilakukan dari permukaan ke kedalaman tertentu dan hasilnya menunjukkan kekerasannya menurun dengan kedalaman dari
1106-27
Sutrisno & Soegijono/Pengerasan Permukaan Baja . . .
SIMETRI Vol.1 No.1(B) Mei’12
700 HV menjadi 200 HV.
Gambar 4: Spektrum dari data X-RD pada lapisan borida baja ST37
2. Dari data XRD menunjukkan bahwa baja St37 menyebabkan pertumbuhan nukleasi fase Fe2B dan FeB borida. 3. Diperoleh bahwa kekerasan mikro lapisan permukaan besi boride sekitar 700 HV dan pada lapisan bagian dalam bukan borida sekitar 200 HV. 4. Dari analisis metalografi dengan mikroskop optik diketahui bentuk morfologi lapisan besi borida halus dan datar. Gambar 3: Variasi kekerasan mikro menurun dari permukaan sampel ke kedalaman tertentu
Pada gambar 4 dari hasil pengujian menggunakan XRD menunjukkan spektrum dengan membentuk fase-fase FeB dan Fe2B. Dengan terbentuknya fasefase tersebut maka telah terjadi perubahan konstanta kisi pada sampel dasar. Perubahan konstanta kisi tersebut mengakibatkan terbentuknya sistem kristal baru dari FCC (face central cubic) untuk baja St37 manjadi ortorombic untuk fase FeB dan tetragonal untuk fase Fe2B. 4
DAFTAR PUSTAKA [1]
Calik, A., O. Sahin, and N. Ucar, 2009, Mechanical Properties of boronized AISI 316, AISI 1040, AISI 1045, and AISI 4140 steels, Acta Physica Polonica A, Vol.115
[2]
Bindal, C. and A.H. Ucisik, 2008, Characterization of Boriding of 0.3% C, 0.02% Plain Carbon Steel, Vacuum, 90 - 94
[3]
Bouaouadja, A.N. and G. Saindernan, 2006, Characterization of Boronized Layers on a XC38 Steel, Surface and Coating Technology, 201, 3475 - 3482
[4]
Martini, C. and G. Palombarini, 2004, Mechanism of Thermochemical Growth of Iron Borides on Iron, Journal of Material Science, 39, 933-937
[5]
Ozde1mira, O., M. Ustab, C. Bindala, and A. Hikmet, 2006, Hard iron boride (Fe2B) on 99.97wt% pure iron, Vacuum, 80, 1391-1395
[6]
Setiawan, J., 2010, Analisis Lapisan Besi Borida pada ST37 dan S45C yang Diboronisasi dengan Teknik Powder Pack, Universitas Indonesia
[7]
Matsuda, F., K. Nakata, and K. Tohmoto, 1984, Surface hardening of various metal and alloys with boronizing technique, Japan Welding Research Institute of Osaka University, Ibaraki, Osaka 567, Japan
[8]
Biddulph, R.H., 1977, Boronizing for Erosion Resistance, Thin Solid Film, 45, hal.341-347
KESIMPULAN
Dari hasil dan pembahasan dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Dengan pengukuran kekerasan mikro dari permukaan ke kedalaman tertentu, besi borida dibagi menjadi tiga bagian: (i) lapisan memiliki borida, (ii) zona transisi dimana boron membuat larutan padat, (iii) matriks yang tidak terpengaruh oleh boron.
1106-28
