Proses Karburising

Pada suatu komponen mesin dari baja adakalanya diperlukan keras dan tahan aus pada permukaannya saja, sedangkan pada inti atau bagian dalam tetap dalam keadaan lunak dan ulet. Hal ini akan memberikan kombinasi yang serasi antara bagian luar atau permukaan benda kerja yang keras dan tahan menerima beban, serta tahan aus dengan inti yang lunak dan ulet.

Karburising adalah proses menambahkan karbon ke permukaan benda, dilakukan dengan memanaskan benda kerja dalam lingkungan yang banyak mengandung karboin aktif, sehingga karbon berdifusi masuk ke permukaan baja (Wahid Suherman, 1998: 147).

Pada temperature karburising, media karbon terurai menjadi CO yang selanjutnya terurai menjadi karbon aktif yang dapat berdifusi masuk ke dalam baja dan menaikkan kadar karbon pada permukaan baja.

Pada proses perlakuan panas, termasuk karburising selalu mengacu pada diagram fase yang berdasarkan pada karbon dari baja. Baja pada dasarnya adalah paduan besi dan karbon (Fe-C), besi dan karbon selain dapat membentuk larutan padat juga dapat membentuk senyawa karbid besi (sementit, Fe₃C).

Dalam diagram fase, baja dibedakan menjadi tiga kelompok utama, yaitu :

1. baja eutectoid
2. baja hypoeutectoid
3. baja hypertectoid

Menurut diagram Fase diatas dapat dibaca bahwa bahja eutectoid mempuyai kandungan karbon sebesar 0,8 %. Mempuayi struktur mikro perlit, apabila dipanaskan secara ekuilibrium akan mengalami perubahan struktur pada titik S atau pada titik A₁ (723 ^o C) . pada titik A₁ mulai terjadi perubahan struktur dari pelrit menjadi seluruhnya austenit.

Baja hypoeutectoid memiliki kadar karbon kurang dari 0,8 % dengan struktur mikro terdiri dari ferit perlit. Apabila dipanaskan secara ekuilibrium akan mengalami perubahan struktur pada titik A₁ (723 ^o C). Pada titik tadi setelah perlit habis, dan temperatur makin naik, ferit sedikit demi sedikit mulai bertransformasi menjadi austenit

Baja hypereutectoid yang memiliki kadar karbon lebih dari 0,8 % dengan struktur miro terdiri dari perlit yang terbungkus sementit. Apabila dipanaskan secara ekulibrium akan mengalami perubahan struktur pada titik A₁ (723 ^o C). Mulai titik ini jaringan sementit akan larut ke dalam austenit dan struktur seluruhnya akan berubah menjadi austenit pada titik A_cm.

Berdasarkan bentuk fisik media karburisasi dikenal dengan tiga cara karburisasi yaitu:

• Karburising Padat (Pack Carburizing)

Karburising padat adalah proses karburisasi pada permukaan benda kerja dengan menggunakan karbon yang didapat dari bubuk arang. Bahan karburisasi ini biasanya adalah arang tempurung kelapa, arang kokas, arang kayu, arang kulit atau arang tulang.

Benda kerja yang akan dikarburising dimasukkan ke dalam kotak karburisasi yang sebelumnya sudah diisi media karburisasi. Selanjutnya benda kerja ditimbuni dengan bahan karburisasi dan benda kerja lain diletakkan diatasnya demikian selanjutnya (Wahid Suherman, 1998: 150).

Kandungan karbon dari setiap jenis arang adalah berbeda-beda. Semakin tinggi kandungan karbon dalam arang, maka penetrasi karbon ke permukaan baja akan semakin baik pula.

Bahan karbonat ditambahkan pada arang untuk mempercepat proses karburisasi. Bahan tersebut adalah barium karbonat (BaCO₃) dan soda abu (NaCO₃) yang ditambahkan bersama-sama dalam 10 – 40 % dari berat arang (Y. Lakhtin, 1975: 255).

Sebenarnya tanpa energiserpun dapat terjadi karburisasi, karena temperature yang tinggi ini mula-mula karbon teroksidir oleh oksigen dari udara yang terperangkap dalam kotak menjadi CO₂ (Wahid Suherman, 1998: 149).

Reaksi yang terjadi adalah

CO₂ + C (arang) -------------> 2CO

Dengan temperatur yang semakin tinggi kesetimbangan rekasi maikn cenderung ke kanan makin banyak CO.

2CO -------------> CO₂ + C (larut ke dalam baja)

dimana C yang terbentuk ini merupakan atom karbon (carbon nascent) yang aktif berdifusi masuk ke dalam fase austenit dari baja ketika baja dipanaskan. Besarnya kadar karbon yang terlarut dalam baja pada saat baja dalam larutan pada gamma fase austenit selama karburisasi adalah maksimal 2 %.

Kotak karburisasi yang dipanaskan harus dalam keadaan tertutup rapat, hal ini bertujuan untuk mencegah terjadinya reaksi antara media karburisasi dengan udara luar. Cara yang biasanya ditempuh unutk menghindari hal tadi adalah dengan memberikan lapisan tanah liat (clay) antara tutup dengan kotak karburisasi.

Menurut Wahid Suherman (1998: 150) bahwa “kotak karburisasi dipanaskan dalam dapur sampai temperatur 825 – 925 ^o C dengan segera permukaan benda kerja akan menyerap karbon sehingga dipermukaan akan terbentuk lapisan berkadar karbon tinggi sampai 1,2 %”. Dan menurut B.H Amstead (1979: 152) bahwa “proses karburisasi padat banyak diterapkan untuk memperoleh lapisan yang tebal antara 0,75 – 4 mm”.

• Karburising Cair (Liquid Carburizing)

Karburising proses cair adalah proses pengerasan baja dengan cara mencelupkan baja yang telah ditempatkan pada keranjang kawat ke dalam campuran garam cianida, kalsium cianida (KCN), atau natrium cianida (NaCN). Dengan pemanasan akan terjadi reaksi-reaksi:

2NaCN + O₂ -------------> 2 NaCNO

4NaCNO -------------> 2NaCN + Na₂CO₃ + CO + 2N

3Fe + 2CO -------------> Fe₃C + CO₂

pada proses karburisasi ini selain terserapnya karbon, nitrogen juga ikut terserap. Bahwa karburisasi cair hamper sama dengan cyaniding, yang menyerap nitrogen dan karbon. Bedanya terletak pada tingkat perbandingan banyaknya karbon dan nitrogen yang terserap. Pada karburisasi cair penyerapan karbon lebih dominan. Banyaknya karbon dan nitrogen yang terserap ini tergantung pada kadar cianida dalam salt bath dan temperatur kerjanya. Salt bath untuk karburisasi cair biasanya mengandung 40 – 50 % garam cianida. Temperatur yang digunakan adalah 900 ^o C selama 5 menit, kedalaman penetrasi karbon yang dicapai antara 0,1 – 0.25 mm dari permukaan baja.

Kadar karbon yang dikarburisasi akan naik dengan semakin tingginya temperatur dan makin lamanya waktu karburisasi. Bila kadar karbon dipermukaan terlalu tinggi maka kekerasan tidak begitu tinggi, karena itu baja yang akan di quenching langsung setelah pemanasan untuk karburisasi hendaknya dipakai temperatur yang tidak begitu tinggi.

Selama pemakaian konsentrasi cianida dalam salt bath dapat berubah sehingga tentu saja sifat salt bath dapat berubah, karena itu kondisi salt bath harus secara rutin diperiksa. Apabila terdapat perubahan yang berarti, harus dilakukan penambahan garam baru unutk menjaga konsentrasi tetap sebagaimana semula.

Semua cianida adalah senyawa yang sangat beracun, karena itu pemakaiannya harus sangat hati-hati. Demikian pula pada saat membuang sisa-sisa cairan yang akan terkena garam cianida tersebut harus benar-benar mengikuti petunjuk dari pihak berwenang.

• Karburising Media Gas (Gas Carburizing)

Proses pengerasan ini dilakukan dengan cara memanaskan baja dalam dapur dengan atmosfer yang banyak mengandung gas CO dan gas hidro karbon yang mudah berdifusi pada temperatur karburisasi 900 ^o – 950 ^o C selama 3 jam.

Gas-gas pada temperatur karburisasi itu akan bereaksi menghasilkan karbon aktif yang nantinya berdifusi ke dalam permukaan baja.

Pada proses ini lapisan hypereutectoid yang menghalangi pemasukan karbon dapat dihilangkan dengan memberikan diffusion period, yaitu dengan menghentikan pengaliran gas tetapi tetap mempertahankan temperatur pemanasan. Dengan demikian karbon akan berdifusi lebih ke dalam dan kadar karbon pada permukaan akan semakin naik.

Karburising dalam media gas lebih menguntungkan dibanding dengan karburising jenis lain karena permukaan benda kerja tetap bersih, hasil lebih banyak dan kandungan karbon pada lapisan permukaan dalam dikontrol lebih teliti. Menurut B.H Amstead (1979: 153) mengatakan bahwa “proses karburisasi media gas digunakan untuk memperoleh lapisan tipis antara 0,1 – 0,75 mm”.