Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
Analisis Pertumbuhan Kinetik Lapisan Besi Borida pada Baja St37 dalam Proses Boronisasi Serbuk Sutrisno Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta Jl. Ir. H Juanda 95, Ciputat, Tangerang, Banten E-mail :
[email protected]
Abstrak.Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pertumbuhan kinetik lapisan besi boride ( FeB dan Fe2B) pada permukaan material baja St37 selama proses boronisasi serbuk. Dengan menggunakan analisis XR-D, metode pengerasan dengan teknik boronisasi pada permukaan baja St37 menghasilkan dua fasa lapisan besi borida Feb dan Fe 2B, serta fasa lapisan zona difusi. Perlakuan termokimia dilakukan pada temperatur yang bervariasi dari 600, 700, 800, 900, dan 10000C dengan waktu penahanan pada masing-masing temperatur selama 2, 4, 6, dan 8 jam. Dengan menggunakan persamaan keseimbangan massa dan dengan asumsi bahwa profil konsentrasi sebagai fungsi linier pada zona antarlapisan, maka mobilitas pertumbuhan lapisan besi borida dapat ditentukan pada sampel baja St37 berdasarkan besarnya nilai koefisien difusi pada masing-masing lapisan. Pengaruh waktu proses boronisasi dan temperatur perlakuan terlihat jelas pada pertumbuhan kinetik lapisan besi boride. Kata kunci: Boronisasi, Pertumbuhan Kinetik, Lapisan Besi Borida, Difusi Boron.
PENDAHULUAN Boronisasi merupakan teknik pengerasan permukaan termokimia melalui proses pemanasan pada permukaan dimana atom boron menyebar ke permukaan sampel dasar dengan temperatur antara 600 dan 10000 C. Teknik tersebut dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti melalui media gas, cair, dan padat(serbuk) . Boronisasi dapat menghasilkan lapisan yang memiliki kekerasan tinggi [1]. Lapisan permukaan tersebut dimodifikasi menjadi fase FeB dan Fe2B yang dapat dihasilkan dari proses boronisasi. Boronisasi serbuk memiliki keuntungan yaitu lebih sederhana dan efektiv dan efisien secara ekonomis dibandingkan dengan teknik lainnya. Dalam teknik ini sampel baja St37 ditutup dengan serbuk boronisasi lalu dipanaskan dalam furnace pada kondisi vakum. Pada akhir
pemanasan, sampel didinginkan pada suhu kamar [2]. Meskipun proses boronisasi penting dalam bidang industri, tetapi masih sedikit literatur tentang pemodelan kinetika pertumbuhan lapisan. Sebagai contoh, dapat dikutip model Brakman untuk boronisasi serbuk,dan model Campos dan Keddam pada proses boronisasi pasta [2]. Model Brakman fokus pada perbedaan volume spesifik antara fase FeB dan Fe2B [3]. Konsentrasi gradien boron di dalam setiap lapisan adalah konstan. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mengusulkan suatu model difusi alternatif boronisasi serbuk untuk studi kinetika pertumbuhan dua lapisan (FeB/Fe2B ) dalam baja St37 untuk temperatur 600 dan 10000C variabel waktu.
Semirata 2013 FMIPA Unila |75
Suwarsono: Optimalisasi Potensi Lokal Desa Rawan Bahaya Tsunami dalam Rangka Mitigasi Menuju Terwujudnya Desa Siaga Bencana Mandiri di Pesisir Provinsi Bengkulu MODEL MATEMATIKA Analisis model matematika didasarkan pada kasus pelarut A jenuh dengan zat terlarut B. Potensial kimia B pada kondisi sekitarnya dibuat sedemikian rupa sehingga mampu membentuk satu atau lebih fase pada permukaan sampel St37. Pada tahap kesetimbangan komponen A dan B terbentuk fase FeB, Fe2B dan zona difusi.. Profil konsentrasi pertumbuhan dua atau lebih dengan fase linear (Gambar 1), dan diasumsikan bahwa konsentrasi boron konstan selama proses pertumhuna lapisan. Kesetimbangan termodinamika dicapai sepanjang waktu selama proses boronisasi. Oleh karena itu, profil konsentrasi untuk tiga fase adalah [5]: Untuk : 0 < x < u ; CFe B Cs (1) C1 ( x, t ) x Cs u
C2 ( x, t )
u < x CFe2 B CFe B vu
<
v
;
( x u ) CFeB
(2)
Gambar 1. Profil konsentrasi boron untuk tiga tahap.
pertumbuhan parabola konstan antarmuka Fe2B, k3 pertumbuhan parabola konstan zona difusi, u fungsi pertumbuhan parabola pada antarmuka FeB, v fungsi pertumbuhan parabola pada antar muka Fe2B, w fungsi pertumbuhan parabola di zona difusi, dan x jarak dari permukaan baja. Mengingat bahwa setelah beberapa waktu proses reaksi boronisasi sampel baja St37 jenuh dengan boron, persamaan kesetimbangan massa untuk pertumbuhan lapisan FeB, lapisan Fe2B, dan zona difusi pada antarmuka antara permukaan / FeB, FeB/Fe2B, dan zona Fe2B/zona difusi dapat ditulis menjadi: du dC1 dC2 (5) (Cs CFeB ) DFeB DFe 2 B dt
v < x < w ; C CFe 2 B C3 ( x, t ) DZ ( x v) CFe 2 B wv
(C FeB C Fe 2 B )
(3)
u = k1 √t ; (4)
v = k2 √t ;
w = k3 √t
C (x, t) adalah konsentrasi sebagai fungsi dari x dan t, C1 (x, t) konsentrasi boron antara permukaan dan lapisan pertama, C2 (x, t) konsentrasi boron antara antarmuka pertama dan kedua, C3 (x, t) konsentrasi boron pada zona difusi, konsentrasi CDZ di zona difusi, konsentrasi CFeB pada antarmuka FeB, konsentrasi CFeB pada antarmuka Fe2B, dan konsentrasi permukaan Cs. Selain itu, variabel t adalah waktu pemanasan, k1 pertumbuhan parabola konstan antarmuka FeB, k2 76| Semirata 2013 FMIPA Unila
dx
dC3 dC 2 dv DFe 2 B DDZ dt dx dx
(CDZ CFe 2 B )
dimana :
dx
dw dC2 DDZ dt dx
(6) (7)
Dimana D adalah koefisien difusi pelarut atas zat terlarutt, D0 faktor pra-eksponensial (m2 sec-1), koefisien difusi DDZ boron di zona difusi, koefisien difusi DFeB boron pada antarmuka FeB, dan koefisien difusi DFe2B boron pada antarmuka Fe2B. Dengan asumsi bahwa kondisi antarmuka mengikuti hukum pertumbuhan parabola dan dengan menggunakan fungsi konsentrasi (1), (2), dan (3) persamaan simultan berikut dapat diperoleh: (C CS (C CFeB ) 1 (CFeB CS )k1 DFeB FeB DFe 2 B Fe 2 B 2 k1 k 2 k1
(8)
Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
1
( C Fe 2 B C FeB ) k 2 DFe 2 B
2
( C Fe 2 B C FeB ) k 2 k1
(C
1 (C 2
DZ
C
Fe 2 B
)k
3
D
( C DZ C Fe 2 B )
DDZ
C
DZ
Fe 2 B
)
(10)
DZ
k
3
(9)
k3 k 2
k
2
Sistem ini dapat diselesaikan untuk menghitung mobilitas boron dengan metode numerik Newton-Raphson. PROSEDUR EKSPERIMEN Sampel berbentuk silinder baja St37 paduan besi-karbon rendah, yang komposisi kimianya adalah: 0.17wt% C, 0.30wt% Si, 0,20 - 0.50wt% Mn, 0.050wt% P dan S 0.05wt%, . Setelah itu, sampel ditutup serbuk boronisasi yang terdiri dari 5wt%B4C, 5wt% KBF4, dan 90 wt % SiC. Suhu yang digunakan dalam pemanasan adalah 6000 C sampai 10000C dengan waktu pemanasan adalah 2, 4, 6, dan 8 jam. Akhirnya, sampel didinginkan secara alami, dipotong dengan mesin untuk persiapan metalografi dan mengamati lapisan borida dan zona difusi dengan jelas menggunakan mikroskop optik [10] . Dilakukan pengukuran ketebalan pada lapisan borida FeB dan Fe2B serta zona difusi pada titiktitik yang berbeda dari sampel. Keberadaan lapisan boride pada permukaan baja St37 ditentukan dengan analisis XRD, menggunakan Cu dan radiasi dengan panjang gelombang Mo antara 0,6 dan 0.9 ° A.
Gambar 2. Penampang lapisan borida FeB, Fe2B, dan zona difusi pada permukaan baja St37 pada pemanasan 10000C selama 8 jam.
a
b
HASIL DAN PEMBAHASAN Morfologi dan pertumbuhan fase borida pada baja St37 dengan waktu pemanasan 2, 4, 6, dan 8 jam dengan temperatur 600 sampai 10000C ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2 menunjukkan lapisan FeB dan Fe2B yang memiliki ketebalan sekitar 75 m dan 110 m
c Gambar 3. Kinetika pertumbuhan lapisan boride besi dan zona difusi untuk baja St37: a) FeB lapisan, b) lapisan Fe2B, dan c) lapisan zona difusia
Semirata 2013 FMIPA Unila |77
Suwarsono: Optimalisasi Potensi Lokal Desa Rawan Bahaya Tsunami dalam Rangka Mitigasi Menuju Terwujudnya Desa Siaga Bencana Mandiri di Pesisir Provinsi Bengkulu Pertumbuhan lapisan besi borida dan zona difusi sebagai fungsi waktu proses untuk baja St37 dalam boriding serbuk dapat dilihat pada gambar 3. Konstanta pertumbuhan parabola untuk lapisan besi borida dan zona difusi merupakan nilai gradien disajikan pada Gambar. 3. Konstanta pertumbuhan parabola tergantung pada konsentrasi boron dalam kesetimbangan dengan permukaan material [11] . Koefisien difusi boron pada lapisan besi borida dan zona difusi untuk baja St37 ditentukan dengan konstanta pertumbuhan parabola, Pers. (5), (6), dan (7), dan nilainilai konsentrasi untuk masing-masing antar muka. Model matematis yang digunakan telah teruji untuk pengukuran ketebalan lapisan boride dan zona difusi. Dalam rangka meminimalkan efek kekasaran pada pertumbuhan antarmuka, ketebalan lapisan didefinisikan sebagai nilai rata-rata bentuk gerigi lapisan besi boride . Koefisien difusi boron untuk baja St37 pada lapisan FeB, Fe2B, dan zona difusi mencapai nilai maksimal pada 10000C dan waktu pemanasan 8 jam. Pertumbuhan parabola konstan k1, k2, dan k3 untuk fase feb, Fe2B, dan zona difusi masing-masing dapat diperoleh dari kemiringan kurva pada gambar 3. Berdasarkan konstanta pertumbuhan parabola dan persamaan 8), 9), 10) secara bersamaan dapat dihitung koefisien difusi lapisan FeB, Fe2B, dan zona difusi. Untuk lebih jelasnya, hasil numerik dari konstanta pertumbuhan parabola dan koefisien difusi dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1: Konstanta pertumbuhan parabola dan koefisien difusi St37 boride besi layer
Parabolic growth
Diffusion
constant (k)
coefficient (D)
-5
2
-12
2
FeB
0.043 x 10 m /sec
0,023 x 10 m /sec
Fe2B
0.107 x 10-5 m2/sec
0.0673 x 1012
m2/sec
Zona Difusi
0.024 x 10-5 m2/sec
0.1057 x 10-12 m2/sec
78| Semirata 2013 FMIPA Unila
KESIMPULAN Pertumbuhan lapisan besi borida FeB, Fe2B dan zona difusi dipengaruhi oleh temperatur dan waktu pemanasan. Model matematik yang diusulkan dapat digunakan untuk menentukan koefisien difusi lapisan besi borida FeB, Fe2B, dan zona difusi. Koefisien difusi dari zona difusi memiliki nilai yang lebih besar dari lapisan lainnya. Daftar Pustaka I. Campos, G, Ramirez, U Figueroa, J Martines, O Morales, Evaluation of boron mobility on the phases FeB, Fe2B, and diffusion zone in AISI 1045 and M2 steel. M. Kedam, SM Chentouf, A diffusion model for describing the bilayer growth FeB/Fe2B during the iron powder pack boriding Bejar, E Moreno, Abrasive wear resistance of boronized carbon and low alloy steel. Jurnal of material Processing Tecknologi, 2006, Dybkov, (2007), Grout of boride layer on the 13% cr steel surveys in a mixture of amorphous boron and KBF4, J. Mater Sci, 42, 6614 - 6627 M. Keddam, Computer simulation of monolayer growth kinetics of Fe2B phase during the paste-boriding process: Influence of the paste thickness, Applied Surface Science 253 (2006), 757-761 Walter Fichtl, Boronizing and its Practical Applications, Material in Engineering, Vol.2, December 1981, hal. 276-286 Walter Fichtl, Gunter Wiebke, Helmut Kunst, Boriding Composition, United States Patent No.US 3, 936,327, Februari 1976
Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
Ulrich Baudis, Stefan Wigger, Boriding Agent, United States Patent No.US 6,245,162 B1 Juni, 2001 RD. Ramdan, T. Tomohiro, T. Yoshihiro, Phase-field Simulation for the growth of Boride (Fe2B) phase from Austenite
phase, XXII ICTAM, 25-29 August 2008, Adelaide, Australia J. Setiawan, Analisis Lapisan Besi Borida pada ST37 dan S45C yang Diboronisasi dengan Teknik Powder Pack, Universitas Indonesia, 2010
Semirata 2013 FMIPA Unila |79
