Media Karburisasi Padat

Media karburisasi yang digunakan pada proses karburising padat ( pack carurizing ) adalah arang tempurung kelapa, arang kayu, arang kokas, arang kulit atau arang tulang. Beberapa jenis dari media karburisasi tadi yang sering digunakan adalah arang kayu jati dan arang tempurung kelapa.
Arang adalah residu atau sisa pembakaran dari kayu yang terdiri dari karbon yang diperoleh dengan cara membakar kayu pada kondisi tertutup yang dapat membuat kayu terbakar dari abu. Denga kondisi tersebut kayu membara dan terbentuk menjadi menjadi arang yang unsure utamanya karbon. Unsur sisa lainnya dari arang adalah abu yaitu sekitar 0,5 – 6 % tergantung dari jenis kayunya.
Arang setalah dikeluarkan dari tempat pengarangan mempunyai kelembaban kurang dari 1%. Penyerapan kelembaban udara setelah arang dikeluarkan beberapa saat dari tempat pengarangan, dengan cepat akan meningkatkan kelembaban kira-kira 5 – 10%, bahkan untuk arang yang terbakar sempura ( well burned charcoal ). Sedangkan untuk arang yang tidak terbakar secara maksimal, kelambaban bias mencapai 15 % bahkan lebih.
Abu adalah unsure mineral seperti halnya tanah liat, silica, kalsium, dan magnesium oksid. Kadar abu ( ash content ) dari arang berkisar antara 0,5 samapi lebih dari 5 % tergantung dari jenis kayunya. Arang dengan kualitas baik mempunyai kadar abu kira-kira 3%.
Kadar karbon murni ( fixed carbon content ) dari arang berkisar dari yang terendah kira-kira 50 % sampai yang tinggi sekitar 95 %. Berdasarkan www.fao.org kadar karbon untuk arang kayu tropis keras ( tropical hardwood charcoal ) atau dalam hal ini adalah arang kayu jati ( tectonia grandis charcoal ) memiliki kadar karbon sebesar 69,8 % dan kadar abu sebesar 1,2 %. Sedangkan untuk arang tempurung kelapa ( coconut shell charcoal ) memiliki kadar karbon sebesar 83,0 % dan kadar abu sekitar 1,5 %.
Kadar karbon yang terdapat pada media karburisasi sangat mempengaruhi hasil dari proses karburising, karena karbon yang dipanaskan dalam kotak karburisasi akan terurai menjadi CO yang selanjutnya terurai menjadi karbon aktif yang dapat berdifusi masuk ke dalam baja, dan akhirnya akan menaikkan konsentrasi karbon pada permukaan baja. Seperti yang kita ketahui bahwa semakin besar konsentrasi karbon pada permukaan baja maka kekerasannya akan meningkat pula.
Manurut Wahid Suherman (1998: 147) bahwa
(Maaf juga sedang dalam proses penulisan)

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”.

Perlakuan Panas

Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat fisis logam. Baja dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan memotong meningkat, atau baja dapat dilunakkan untuk memudahkan pemesinan lebih lanjut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihasilkan, besar butir diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras di sekeliling inti yang ulet. Untuk memungkinkan perlakuan panas yang tepat, susunan kimia baja harus diketahui karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon dapat mengakibatkan sifat-sifat fisis.
Perlakuan panas menurut B.J.M Beumer (1980: 20) adalah “proses memanaskan bahan sampai suhu tertentu dan kemudian didinginkan menurut cara tertentu. Tujuan dari pengerjaan panas itu adalah untuk memberi sifat yang lebih sempurna keapada bahan”. Langkah pertama dalam setiap proses laku panas memanaskan sampai suhu tertentu, lalu menahan beberapa saat pada temperatur itu, kemudian didinginkan dengan laju pendinginan terntentu. Selama proses pemanasan dan pendinginan ini akan terjadi bebrapa perubahan struktur mikro, fase, bentuk atau ukuran butir kristalnya, dan perubahan tadi akan menyebabkan terjadinya perubahan sifat dari logam tersebut. Jadi untuk dapat mempelajari proses laku panas maka perlu dihayati beberapa hal mengenai struktur mikro dan sifat-sifatnya, terutama yang berkaitan dengan transformasi yang dialami selama proses pemanasan dan pendinginan. Pada logam atom-atomnya tersusun teratur menurut suatu pola tertentu dinamakan kristal. Pada umunya kristal logam mempunyai susunan atom tertentu, yaitu kristal yang tersusun dari multiplikasi bentuk sel satuan Body Centered Cubic (BCC), Face Centered Cubic (FCC), Hexagonal Closed Pack (HCC), dan bentuk susunan kristal yang lain.
Besi (Fe) memiliki struktur yang berbeda pada suhu yang berlainan, sifat ini disebut alotropi (B.H Amstead, 1979: 19). Pada temperatur kamar atom atom besi tersusun menurut pola Body Centered Cubic (BCC) atau dinamakan besi alpha, bila dipanaskan pada temperature 911 o C bertransformasi menjadi pola Face Centered Cubic (FCC) atau bedi delta dan selanjutnya akan mencair pada 1536 o C. pada pendinginan kembali akan terjadi proses yang sebaliknya, dari besi cair membeku menjadi besi delta pada 1536 o C, lalu pada suhu 1392 o C berubah menjadi besi gamma yang akhirnya menjadi besi alpha pada temperatur 911 o C.

Gambar Strutur Kisi Ruang Atom Besi, Body Centered Cubic, Face Centered Cubic, Hexagonal Closed Pack

Courtesy of  http://www.ssajw.com

Proses perlakuan panas dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu proses laku panas yang menghasilkan struktur yang seimbang (ekuilibrium) dan proses perlakuan panas yang menghasilkan kondisi yang tidak seimbang (non-ekuilibrium).
Pada proses perlakuan panas yang ekuilibrium, baja dipanaskan pada suhu tinggi maka akan berubah dari susunan besi alpha menjadi susunan besi gamma. Dan seluruh unsur karbon yang terkandung di dalam baja akan menyebar ke seluruh strukturnya unutk membentuk larutan padat austenit. Ketika baja didinginkan secara lambat maka akan berubah kembali menjadi susunan besi alpha. Baja tersebut hanya mengandung sedikit unsure karbon dalam larutan padat yang berbentuk ferit sewaktu baja dalam kondisi seimbang. 
Pada proses perlakuan panas yang non-ekuilibrium, baja yang dipanaskan pada suhu tinggi sehingga susunannya akan berubah dari besi alpha menjadi besi gamma. Pada kondisi besi gamma, besi mempunyai struktur austenit, sehingga ketika besi didinginkan secara cepat dari struktur ini, karbon dalam besi akan mengendap dalam lapisan untuk membentuk larutan padat yang mengandung banyak karbon dalam besi alpha yang disebut martensit. Martensit mempunyai struktur yang sangat halus seperti jarum. Disamping itu mempuyai sifat yang sangat kuat dank eras, tetapi sangat rapuh.

Pengerjaan panas yang paling umum digunakan adalah:

• Annealing : adalah proses pelunakan, sehingga baja yang keras dapat dikerjakan melalui pemesinan atau pengerjaan dingin. Hal ini dilakukan dengan memanaskan baja di atas suhu kritis, dibiarkan sampai suhu merata dan diikuti dengan pendinginan secara perlahan sambil dijaga agar suhu di bagian luar dan dalam kira-kira sama.
• Normalizing : adalah proses pemanasan suatu baja yang bertujuan untuk menghilangkan tegangan dalam dari suatu baja, disamping itu juga bertujuan untuk mendapatkan susunan baja yang homogen dengan temperature kritis maksimum 850 o C dan kemudian didinginkan secara perlahan di udara.
• Hardening : adalah proses pemanasan baja sampai suhu di daerah atau di atas daerah kritis diikuti dengan pendinginan yang cepat untuk memperoleh struktur martensit.
• Karburising : adalah proses pemanasan baja pada temperatur 825 – 950 o C dalm lingkungan yang menyerahkan karbon lalu dibiarkan beberapa lamanya pada suhu ini, dan kemudian didinginkan. Tujuan dari karburising adalah untuk memperoleh lapisan keras dipermukaan benda kerja, sedangkan intinya tetap ulet.
• Tempering : adalah proses perlakuan panas terhadap baja yang bertujuan untuk mendapatkn struktur yang stabil dan lebih ulet dengan jalan memanaskan bahan yang telah dikeraskan pada temperatur dan waktu yang cocok. Temperatur dan waktu yang dibutuhkan berbeda tergantung dari sifat dan ukuran bahan, sehingga kalau dilakukan proses yang tidak cocok untuk suatu bahan, maka tujuan dari perlakuan panas ini tidak akan tercapai.
• Nitriding : adalah proses pengerasan permukaan, dimana baja dipanaskan sampai sekitar 510 o C di lingkungan gas ammonia selama beberapa waktu. Nitrogen yang diserap baja akan membentuk nitrida yang keras dan tersebar merata pada permukaan baja.
• Flame hardening : dasar dari proses pelakuan panas ini adalah pemanasan yang cepat dilanjutkan dengan pencelupan permukaan. Tebal lapisan yang mengeras tergantung pada kemampuan pengerasan bahan, karena selama proses pengerjaan tidak ada penambahan unsur-unsur lainnya. Pemanasan dilakukan dengan nyala oksi asitilen yang dibiarkan memanasi permukaan logam sampai mencapai suhu kritis
• Induction hardening : adalah pemanasan baja dengan arus bolak-balik berfrekuensi tinggi 500.000 Hz yang dilakuan dengan cepat, kemudian dilanjutkan dengan pencelupan permukaan. Kekerasan yang diperoleh melalui pengerasan induksi sama dengan pemanasan dan tergantung dari kadar karbon