Seminar Nasional Kluster Riset Teknik Mesin 2009
PENGARUH TEMPERATUR DAN WAKTU PROSES NITRIDASI TERHADAP KEKERASAN PERMUKAAN FCD 700 DENGAN MEDIA NITRIDASI UREA Albertus Budi Setiawan1, Wiwik Purwadi2
Politeknik Manufaktur Negeri Bandung 1,2) Jl.Kanayakan 21 Dago Bandung – Jawa Barat Phone : +62 22 250 0241 1,2) , Fax : +62 22 250 2649 e-mail :
[email protected]) ,
[email protected] 2)
ABSTRAK Proses nitridasi dengan menggunakan urea sebagai sumber nitrogen telah dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan kualitas permukaan FCD 700 hingga mencapai kekerasan permukaan 700 HV (60 HRC). Pada penelitian ini, proses nitridasi telah dilakukan dengan memperhitungkan jumlah urea berdasarkan luas permukaan benda kerja. Proses nitridasi dilakukan dengan variasi temperatur (530 0C, 550 0C, 580 0C, 600 0 C, dan 620 0C) dan variasi waktu proses (1 jam dan 2 jam) dengan variabel konstan jumlah ketersediaan urea per luas permukaan yang akan dinitridasi 0,25 g/mm2 dan tekanan tabung nitridasi 0,3 Mpa. Dari analisa struktur mikro yang didapat, pada variasi temperatur dan waktu nitridasi (580 0C, 600 0C, dan 620 0C dengan waktu proses nitridasi 1 jam dan 530 0C, 5500C, 580 0C, 600 0C, dan 620 0 dengan waktu proses 2 jam) pada permukaan FCD 700 terdapat white layer. Kedalaman white layer maksimum terjadi pada temperatur nitridasi 620 0C dengan waktu nitridasi 2 jam sebesar 4,83 µm. Dari analisa distribusi harga kekerasan dapat diperoleh kurva yang menggambarkan pengaruh temperatur nitridasi dengan waktu proses nitridasi (holding time) terhadap kekerasan permukaan serta analisa perbandingan perhitungan kedalaman nitridasi secara matematis dengan kedalaman white layer. Kekerasan permukaan tertinggi 733 HV pada temperatur nitridasi 580 0C dengan waktu proses nitridasi 2 jam. Pada kedalaman nitridasi mulai dari 0,1 mm dan seterusnya, kekerasan hasil proses nitridasi sudah mencapai kekerasan substrat (base material). Sebagai pendekatan untuk menentukan kekerasan white layer dapat ditentukan melalui pendekatan secara matematis. Kata Kunci:white layer, nitridasi, FCD 700, temperatur, waktu.
1. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang FCD 700 merupakan besi cor bergrafit bulat yang dibuat dengan jalan mencampurkan magnesium, kalsium atau serium kedalam cairan logam sehingga grafit bulat akan mengendap. Besi cor jenis ini mempunyai kekuatan, keuletan, katahanan aus dan ketahanan panas yang cukup baik jika dibandingkan dengan besi cor kelabu[1]. FCD 700 memiliki kekerasan sekitar 302 HB[2] (~ 284 HV). Kekerasan tersebut dianggap masih rendah untuk bahan material tahan gesek dan diperlukan adanya penelitian untuk meningkatkan kualitas bahan yang salah satunya adalah dengan cara pengerasan permukaan atau surface hardening dengan metoda nitridasi. 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : Meningkatkan kekerasan permukaan pada FCD 700 dengan menggunakan metoda nitridasi hingga mencapai kekerasan 700 HV (60 HRC). M06
2. Dasar Teori 2.1 Nitridasi Proses nitridasi merupakan salah satu proses perlakuan panas kimia (thermo chemical treatment) yang bertujuan untuk meningkatkan kekerasan pada permukaan. Pengerasan permukaan tersebut dilakukan dengan jalan mendifusikan atom nitrogen ke permukaan baja yang berada dalam fasa ferrit pada temperatur 500-590 0C. Pada temperatur ini tidak terjadi perubahan fasa selama pendinginan, sehingga dapat menghindari terjadinya distorsi dan memberikan kontrol dimensi yang lebih baik. Reaksi antara nitrogen dan besi menyebabkan pembentukan nitrida pada permukaan sehingga mengakibatkan kekerasan pada permukaan meningkat.[3] Nitridasi bertujuan untuk: • Memperoleh kekerasan yang tinggi pada permukaan saja. • Meningkatkan ketahanan aus. • Meningkatkan fatigue life. [4]
35
Seminar Nasional Kluster Riset Teknik Mesin 2009 2.2 Diagram Fasa Fe-N Diagram fasa Fe-N dapat digunakan sebagai dasar untuk memahami proses nitridasi guna mendapatkan struktur dan sifat yang diinginkan. Didalam besi, atom nitrogen larut sebagai larutan padat interstisi. Kelarutan maksimum nitrogen dalam besi pada temperatur nitridasi 500-590 0C adalah 0,1 %, lebih besar dari 0,1 % maka akan membentuk nitrida γ’ (Fe4N). Jika kelarutan nitrogen pada besi melebihi 6 %, nitrida γ’(Fe4N) akan berubah menjadi ε (Fe2-3N). Pada temperatur dibawah 500 0C dengan kadar nitrogen lebih dari 11 % maka nitrida ξ (Fe2N) akan segera terbentuk dan diatas 650 0C Fe4N akan terurai. Nitrida γ’ dan ε secara fisik pada permukaan baja terlihat sebagai lapisan putih (white layer) atau compound layer.
2.3.1 Powder Nitriding Pelaksanaan proses powder nitriding mirip seperti pada proses packed carburizing. Benda kerja yang akan dinitridasi diletakkan dalam kotak proses yang berisi serbuk nitrida. Jumlah serbuk nitrida yang diberikan bergantung pada luas permukaan benda kerja yang dinitridasi. Serbuk nitrida yang dapat digunakan adalah Urea, CO(NH2)2[ 6] Serbuk nitridasi yang digunakan pada penelitian ini adalah serbuk urea CO(NH2)2. Urea mampu menyediakan nitrogen untuk didifusikan kepermukaan baja. Pada temperatur nitridasi, urea akan terurai sehingga dapat menghasilkan atom nitrogen yang berdifusi kedalam permukaan besi, menurut reaksi : CO(NH2)2 NH3 + HNCO [ 7] Proses ini menghasilkan residu cyanic acid (HNCO). Untuk dapat digunakan dalam proses nitridasi, nitrogen harus dalam keadaan monoatomik. Dalam prakteknya, gas N yang monoatomik dapat diperoleh dari pemanasan gas amoniak, NH3, yang akan mengurai pada temperatur proses nitridasi menurut reaksi : NH3 N + 3H Nitrogen yang terbentuk akan bereaksi dengan Fe membentuk nitrida besi yang keras. Karena sifat nitrida yang keras, lapisan nitridasi yang terbentuk tidak boleh terlalu tebal (sangat getas). Skema proses powder nitriding dapat dilihat pada gambar dibawah.
Gambar 1. Diagram fasa Fe-N[ 5 ] 2.3 Proses Nitridasi Berdasarkan Metoda Pelaksanaannya Berdasarkan metoda pelaksanaannya proses nitridasi dibedakan atas 4 jenis yaitu gas nitriding, salt bath nitriding, plasma nitriding, dan powder nitriding. Pada penelitian ini yang akan dilakukan adalah powder nitriding.
36
M06
Gambar 2. Skema proses powder nitriding[8] 3. Prosedur Penelitian 3.1 Perancangan Percobaan Pada penelitian ini proses nitridasi dilaksanakan dengan mempertimbangkan parameter-parameter yang berpengaruh terhadap
Seminar Nasional Kluster Riset Teknik Mesin 2009 proses nitridasi yang terdiri dari parameter konstan dan parameter variabel. Parameter konstan terdiri dari jumlah ketersediaan urea per luas permukaan yang akan dinitridasi 0,25 g/mm2 dan tekanan tabung nitridasi 0,3 Mpa, sedangkan parameter variabel terdiri waktu proses nitridasi yang digunakan 1 jam dan 2 jam serta temperatur nitridasi 530 0C, 550 0C, 580 0C, 600 0C, dan 620 0C. 3.2
Persiapan Media Nitridasi Pemilihan derajat ketersediaan urea didasarkan pada penelitian sebelumnya. Pada penelitian sebelumnya harga derajat ketersediaan urea adalah 0,005 dan 0,009 g/mm2, untuk derajat ketersediaan urea sebesar 0,005 g/mm2 white layer tidak terbentuk sedangkan untuk harga ketersediaan urea sebesar 0,009 g/mm2 white layer sudah terbentuk. [10] Perlu diketahui bahwa derajat ketersediaan urea dirumuskan sebagai berikut[9] : Derajat ketersediaan urea = Berat Urea(g) Luas permukaan yang dinitridasi (mm2) Tabel 1. Jumlah urea Luas permukaan sampel (A) mm2 d.o.a (g/mm2) Jumlah Urea (g)
(c)
(d)
(c) t = 1 jam, T = 580 0C,white layer = 0,7 µm. (d) t = 1 jam, T = 600 0C,white layer = 0,7 µm.
(e)
(f)
(e) t = 1 jam, T = 620 0C,white layer = 1,38 µm. (f) t = 2 jam, T = 530 0C, white layer = 1,72 µm
628.2 0.25 157.05
4. Data dan Analisa 4.1 Analisa Struktur Mikro Hasil Nitridasi Gambar struktur mikro yang telah dinitridasi dengan derajat ketersediaan urea 0,25 g/mm2, t = 1 jam, dengan T = 530 0C dan T = 550 0C, tidak memperlihatkan adanya lapisan putih (white layer) pada permukaan FCD 700, artinya lapisan nitrida yang berupa senyawa nitrida γ’ (Fe4N) ataupun ε (Fe2-3N) tidak terbentuk. Kadar nitrogen yang berdifusi pada permukaan kurang dari 6 %,sehingga lapisan putih (white layer) tidak terbentuk. Beberapa faktor penghambat difusi nitrogen diantaranya yaitu waktu penahanan (holding time) yang kurang.
(g)
(h)
(g) t = 2 jam, T = 550 0C, white layer = 2,1 µm. (h) t = 2 jam, T = 580 0C, white layer = 2,76 µm
(i)
(j)
(i ) t = 2 jam, T = 600 0C, white layer = 3,44 µm. (j) t = 2 jam, T = 620 0C, white layer = 4,83 µm. (a) t = 1 jam, T = 530 0C (b) t = 1 jam, T = 550 0C
Gambar 3. Gambar struktur mikro hasil nitridasi M06
37
Seminar Nasional Kluster Riset Teknik Mesin 2009
4.2 Data dan Analisa Distribusi Kekerasan Pengukuran kekerasan dengan metoda microVickers dengan menggunakan beban 200 gram (JIS Z 2251) . Hasil pengukuran distribusi kekerasan FCD 700 hasil nitridasi dapat dilihat pada kurvakurva dibawah.
0
VH
Nitriding FCD 700, 580 C 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
1 h, 580 0C 2 h, 580 0C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
Inde ntasi ke-
(c) 0
Nitriding FCD 700, 600 C 1000 900 800
VH
Gambar struktur mikro yang telah dinitridasi dengan derajat ketersediaan urea 0,25 g/mm2, t = 1 jam, dengan T = 5800C, T = 6000C, dan T = 6200C, serta dengan derajat ketersediaan urea 0,25 g/mm2, t = 2 jam, dengan T = 5300C, T = 5500C, T = 5800C, T = 6000C, dan T = 6200C memperlihatkan adanya lapisan putih (white layer) pada permukaan FCD 700, artinya lapisan nitrida yang berupa senyawa nitrida γ’ (Fe4N) atau ε (Fe2-3N) telah terbentuk. Kadar nitrogen yang berdifusi pada permukaan lebih dari 6 %, sehingga lapisan putih (white layer) terbentuk.
700 600 500 400 300 200 100 0
1 h, 600 0C 2 h, 600 0C
1
2
3
4
5
6
7 8 9 10 11 12 13 14 15 Indentasi ke-
(d)
Distribusi Kekerasan FCD 700
0
Nitriding FCD 700, 620 C
400
800
350
700
300
600
VH
250 FCD 700
500 VH
200 150
300
50
200
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11 12 13
1 h, 620 0C
400
100
2 h, 620 0C
100
14 15
0
Indentasi ke-
1
2
3
4
5
6
7 8 9 10 11 12 13 14 15 Inde ntasi ke-
Gambar 4. Distribusi kekerasan FCD 700 4.3 AnalisaData Distribusi Kekerasan FCD700 Hasil Nitridasi 0
Nitriding FCD 700, 530 C 800 700 600 VH
500
1 h, 530 0C
400
Jika dilihat dari kurva diatas, dapat dilihat dengan jelas bahwa dengan waktu penahanan (holding time) yang lebih lama, maka, kekerasan permukaan yang dihasilkan akan lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena reaksi kimia antara besi dan nitrogen berlangsung lebih lama, sehingga konsentrasi nitrogen pada permukaan sampel yang berasal dari difusi nitrogen akan lebih banyak, oleh karena itu dengan waktu difusi yang lebih lama akan mengakibatkan kekerasan permukaan yang lebih tinggi.
2 h, 530 0C
300 200 100 0 1
2
3
4
5
6
7 8 9 10 Inde ntasi ke-
11 12 13 14 15
(a) 0
Nitriding FCD 700, 550 C
VH
900 800 700 600 500 400
1 h, 550 0C 2 h, 550 0C
300 200 100 0 1
2
3
4
5
6
7 8 9 10 11 12 13 14 15 Inde ntasi ke-
(b) 38
(e) Gambar 5. Analisa distribusi kekerasan FCD 700 dengan temperatur yang sama dan waktu yang berbeda. (a) T = 530 0C, (b) T = 550 0C, (c) T = 580 0C, (d) T = 600 0C, (e) T = 620 0C.
M06
Seminar Nasional Kluster Riset Teknik Mesin 2009 4.4 Analisa Pengaruh Temperatur Terhadap Kekerasan Permukaan 800
Pengaruh Temperatur Pada Kekerasan Permukaan 733
700 600
591
HV
500 400
469 400
700
626
413
590 513 460
t=2h t=1h
300 200 100 0 530
550
580 0 Temperatur C
600
620
Gambar 6. Pengaruh temperatur pada kekerasan permukaan Temperatur dan waktu penahanan (holding time) sangat berpengaruh dalam proses nitridasi, hal ini dapat dibuktikan dengan variasi distribusi kekerasan yang terjadi pada kurva diatas. Jika dilihat dari kurva diatas, pada waktu penahanan (holding time) 1 jam dan temperatur nitridasi 620 0C menghasilkan kekerasan permukaan paling tinggi dengan rata-rata 513 HV. Pada kurva diatas pada temperatur 580 0C dan waktu nitridasi (holding time) 2 jam memiliki distribusi kekerasan permukaan paling tinggi yaitu dengan rata-rata 733 HV (~61 HRC). Semakin tinggi temperatur nitridasi, maka difusi nitrogen kedalam besi akan semakin cepat. Pada waktu nitridasi 2 jam, pada temperatur 600 0C dan 620 0C kekerasan permukaan menurun, karena temperatur semakin mendekati 680 0C, dimana pada suhu tersebut nitrida besi akan terurai yang mengakibatkan turunnya kekerasan permukaan. Pada temperatur 580 0C, difusi nitrogen kedalam besi berlangsung lebih baik daripada temperatur nitridasi yang lain, sehingga dapat disimpulkan bahwa dari beberapa penelitian dengan variasi suhu yang berbeda dan waktu penahanan nitridasi (holding time) yang berbeda, temperatur yang paling baik untuk proses nitridasi FCD 700 adalah pada temperatur 580 0C dengan waktu nitridasi (holding time) 2 jam. Sebagai pendekatan untuk menentukan kedalaman nitridasi dapat dilakukan berdasarkan perhitungan matematis yang dapat diasumsikan sebagai kedalaman hasil proses nitridasi (lapisan white layer dan diffusion layer). Pada kedalaman nitridasi mulai dari 0,1 mm dan seterusnya, kekerasan hasil proses nitridasi sudah mencapai kekerasan substrat (base material). Untuk menentukan kekerasan white layer dapat juga ditentukan melalui pendekatan matematis M06
5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan 1. Kualitas FCD 700 dapat ditingkatkan dengan menerapkan proses powder nitriding dengan menggunakan urea sebagai sumber nitrogen. 2. Pada waktu penahanan nitridasi 1 jam dengan temperatur nitridasi 530 0C dan 550 0C white layer tidak terbentuk, sedangkan pada temperatur nitridasi 580 0C, 6000C, dan 620 0 C lapisan putih (white layer) telah terbentuk. 3. Pada waktu penahanan nitridasi 2 jam dengan temperatur nitridasi 530 0C, 550 0C, 580 0C, 600 0C, dan 620 0C, lapisan putih (white layer) telah terbentuk. 4. Kekerasan permukaan tertinggi dicapai pada temperatur nitridasi 580 0C dan waktu penahanan nitrdasi 2 jam, kekerasan permukaan pada FCD 700 mencapai 733 HV (~61 HRC). 5. Kedalaman white layer maksimum 4,83 µm didapatkan pada temperatur nitridasi 620 0C dengan waktu penahanan nitridasi 2 jam. 6. Kedalaman nitridasi dan kekerasan white layer dapat ditentukan melalui pendekatan matematis. 5.2 Saran 1. Perlu dilakukan analisa pada daerah diskontinuitas pada lapisan white layer. 2. Perlu dilakukan pengujian untuk membedakan antara lapisan white layer dengan compound layer. 3. Perlu dilakukan pengujian untuk jenis besi cor yang lain.
39
Seminar Nasional Kluster Riset Teknik Mesin 2009 Tabel 2. Perbandingan Kedalaman Nitridasi Berdasarkan Perhitungan Matematis dengan Kedalaman white layer Kedalaman White Layer (mm) h, temp (mm)
1h,5300C
2h,5300C
1h,5500C
2h,5500C
1h,5800C
2h,5800C
1h,6000C
2h,6000C
1h,6200C
2h,6200C
-
0.00172
-
0.0021
0.0007
0.00276
0.0007
0.00344
0.00138
0.00483
Kedalaman indentasi pada Nitridasi secara matematis load 0.5 (mm) Avr (d)
0.0074
0.0070
0.0073
0.0067
0.0072
0.0063
0.0071
0.0063
0.0071
0.0064
0.0040
0.0036
Kedalaman indentasi pada Nitridasi secara matematis load 0.2 (mm) Avr (d)
0.0044
0.0036
0.0043
0.0035
0.0040
6. Daftar Pustaka [1] Surdia, Tata dan Kenji Chijiwa. Teknik Pengecoran Logam. Jakarta, PT Pradya Pramita, 1996. [2] Ferrous Materials and Metallurgy, JIS Handbook 1984. [3] Suratman, Rochim., Panduan Proses Perlakuan Panas, Lembaga Penelitian Institut Teknologi Bandung, 1994. [4] Intan, Grace M.,”Pengaruh Jumlah Urea dan Waktu Proses pada Powder Nitriding Baja Karbon Rendah”, Tugas Akhir Sarjana S-1, Departemen Teknik Mesin, Program Studi Teknik Material ITB, Bandung ,2004. [5] http://www.key-to-steel.com/Articles/Art 1 17.htm (April,2008) [6] Thelning, K.E., Steel and its Heat Treatment, Bofors Handbook, Butterworths, 1975. [7] http://www.branchenv.com/nox/scr info.asp (April, 2008) [8] http://www.mahidol.ac.th/.../eg/em_proj/group3 (April, 2008) [9] Stickles, Pack Nitriding Process for Low Alloy Steel, United States Patent 4,119,444, October 10, 1978. [10] Scharer, Sabina and Rohner, Felix, Hardening Steel by Nitriding, PANArt AG. [11] Fermadi, Powder Nitriding pada Baja Karbon Rendah dengan Menggunakan Urea, Tugas Akhir Sarjana S-1, Departemen Teknik Mesin, Program Studi Teknik Material ITB, Bandung ,2004. [12] Firman Suhendar,Pengaruh Temperatur dan Waktu Proses NitridasiTerhadap Kekerasan Permukaan FCD700Dengan Media Nitridasi Urea, Tugas Akhir Diploma IV,
40
M06
0.0032
0.0041
0.0033
Politeknik Manufaktur NegeriBandung, Program Studi Teknik Manufaktur [13] Heat Treating, ASM Handbook Vol 4, 1991. p 259-424. [14] http://www.nitrion.com/html/kontakt/TB209 .pdf (April, 2008) [15] http://pusri.wordpress.com/2007/09/22/men genal-pupuk-urea/ (Agustus, 2008)
